生命以負熵為食?快來看看我們的身體到底是怎樣生長的

生命攝入「負熵」

生命的神秘之處恰恰體現在它能夠避免迅速衰退成惰性的「平衡態」。這太神秘了，以至於有史以來，人們就認為存在某種特殊的非物理或超自然力量（「活力」「生機」等），是它們在操控著生命。即使現在，仍有人覺得如此。

生命如何避免衰退呢？明面上的答案是：吃、喝、呼吸以及（對於植物來說）同化。術語叫做新陳代謝。這個希臘語單詞（μεταβ λλειν）的意思是改變或者交換。那交換什麼呢？毫無疑問，這個詞背後最早的含義就是交換物質（例如，德語中，新陳代謝叫做 Stoffwechsel） 。

但是，認為事情的本質就是物質交換， 這很荒唐。氮原子、氧原子、硫原子等，任何原子和其同類都一樣；交換它們能夠得到什麼呢？過去有一段時間，我們以為交換的是能量，然後就沒有繼續探究這個問題了。

在某些發達國家的餐廳裡（我記不清是美國還是德國，還是兩個國家皆有之），你在菜單上除了能看到菜品的價格，還能看到菜品所含的能量。毫無疑問，這也荒唐透頂。因為對成年生物個體所包含的能量，和它所包含的物質一樣穩定。既然不管來自哪裡的卡路裡都一樣， 那單純交換卡路裡，似乎就並不能改變什麼。1

1、薛丁格可能沒發過福，也沒減過肥。當然，他這裡實際的意思是，只從攝入能量的角度考慮的話，並不能解釋人為什麼要專門攝取食物，而不是餓了就用火烤一烤，攝取環境中的熱或者其他形式的能量。—譯者注

那麼，食物中究竟包含了什麼珍貴的東西，能夠不讓我們死亡呢？答案很簡單。總而言之，大自然中每發生一件事情——隨便你把它叫做過程、事件或者正在發生的事情——都意味著那個地方的熵在增加。因此，生物個體的熵在持續增加。或者你也可以稱之為產生正熵。

這麼一來，生物就在趨向於最大熵，這種危險的境況就是死亡。想要活著，遠離最大熵，生物就必須不斷從環境中攝取負熵——我們很快就會看到這件事情的重要性。生物依靠負熵為生。或者換個不那麼矛盾的說法，新陳代謝的本質是讓生物成功地釋放掉生命活動中不可避免產生的熵。

熵是什麼？

熵是什麼？首先需要強調，熵不是一個模糊的概念，而是一個可以測量的物理量，就和木棒的長度、身體中任何一點的溫度、某種晶體的熔化熱以及任何一種物質的比熱一樣。任何物質在絕對零度（大約是-273℃）下的熵都為0。（1）當你緩慢地、可逆地一點點改變物質的狀態，就可以計算出增長的熵。（這種情況下，哪怕物質改變了它的物理或者化學性質，或者分離成了兩份或者多份物理或化學性質不同的部分，都可以進行計算。）

1 　這是「熱力學第三定律」的一種表述方式。—譯者注

計算的方法是，在物質狀態的轉變過程中，把你每次提供的微量的熱，除以當時物質所處的絕對溫度，然後把所有這些微小的貢獻都累加起來。（1）舉個例子，當你熔化固體時，它的熵增等於熔化熱除以熔點的溫度。可以看出，熵的單位是卡路裡每攝氏度（2） （cal./℃， 就像卡路裡是熱量的單位，釐米是長度單位一樣）。

熵的統計含義

我也必須介紹一下熵的專業定義，這純粹是為了揭開常常籠罩在熵上的神秘面紗。對我們來說，更重要的是有序和無序的統計學概念。玻爾茲曼和吉布斯的統計物理學研究揭示了這種關係。它也是一個非常精確的定量關係，表達為：

熵=klogD

其中k 是玻爾茲曼常數（= 1.38065×10-23J/K），而D 是一個衡量考察對象中原子無序度的定量值。基本不可能用簡單的、不含術語的話來確切解釋D 的含義。但D 所代表的無序度，一部分來自熱運動，一部分來自體系中不同種類的原子和分子，它們隨機混合在一起，而不是涇渭分明。

1 　即對於可逆過程，S=∫ dQ T—譯者注

2 　1 cal./℃ = 4.2 J/K。需要注意，健身和營養學中常出現的「卡」或「大卡」 實際是指1000 卡路裡，即4.2 kJ。—譯者注

拿上文列舉的糖和水分子為例，這個例子可以很好地解釋玻爾茲曼公式。糖逐漸「擴散」到所有可觸及到的水中，這就增加了無序度D，因而（因為D的對數隨著D的增長而增長）也就增加了熵。而顯然，給體系提供的任何熱量都會增加熱運動的劇烈程度，也即增加了D，從而增加了熵。這一點在晶體熔化過程中最為明顯，因為熔化破壞了晶體中原子或分子的整齊、永久性的排列，而把晶格變為了持續變化著的隨機分布。

對孤立系統，或者處在均一環境中的系統 （在目前的討論中，我們儘可能把環境納入考察體系）來說，它自身的熵不斷增加，基本上很快就會趨向於最大熵這種惰性狀態。

這樣，我們可以把這條物理學的基本定律理解為，事物自然而然有趨向於混亂狀態的傾向，除非我們有意去消除混亂。（這就好比，圖書館中的書和寫字檯上的紙堆和手稿會逐漸變得雜亂不堪。而無規則的熱運動就可以類比為，我們把這些書籍紙張搬來搬去，卻不會留心把它們放回原有的位置。）

生物組織通過從環境中汲取「秩序」而得以維持

活生物能夠延緩衰退到熱力學平衡（死亡）狀態的腳步。我們如何用統計理論的語言來描述生物的這種了不起的能力呢？我們此前說過：「生命攝取負熵」。這其實是說，生命在為自身汲取一股負熵流，用以補償生命活動產生的熵增，從而將自身維持在穩定的、相對較低熵的狀態。

如果D 是無序的度量，那它的倒數1/D 就可以作為秩序的直接度量。因為1/D 的對數就是D 的對數加上負號。於是，我們可以把玻爾茲曼公式寫成：

負熵=k/n(1/D)

於是，「負熵」這個奇怪的表述就可以被更好的「熵」代替。只要帶著負號，熵本身就是有序度的度量。因此，想要維持自身穩定，並保持相當高程度的有序度（= 相當低的熵），生物採取的策略就是從它所處的環境中持續不斷地吸取有序性。

和一開始相比，這個結論現在看上去不那麼自相矛盾了。它現在反而顯得很平常了。沒錯，我們很清楚高等動物從食物中充分攝取了有序度，因為食物由較為複雜的有機物組成，是極其有序的狀態。動物在享用美食之後，將它變為次品形態。但這還不是最低級的形態，因為植物仍然可以利用它們。（當然，陽光是植物最強力的「負熵」供應。）

對第六章的備註

我對負熵3 3 的論述遭到了物理學同行的質疑和反對。首先我想說明，如果我迎合他們的意見，我就會把討論的主題改為自由3 3能3。1在這個語境下，自由能是更為人熟知的概念。但是自由能是非常專業的術語，而且從語言學上似乎太接近於能量33，這使得普通讀者可能意識不到兩者之間的區別。

讀者可能會把自由33認為只是某種修辭33，有它沒它沒什麼關係。但實際上，自由能這個概念相當複雜，它和玻爾茲曼的有序—無序原則之間的關係，比熵和「帶一個負號的熵」之間的關係更難捉摸。況且，「帶一個負號的熵」也不是我發明的。它恰恰就出現在玻爾茲曼最早的論證中。

但是F.西蒙（F. Simon）已經中肯地向我指出，我這種簡單的熱力學考量沒法解釋，為什麼我們必須吃「由較為複雜的有機物組成的、極其有序的」食物，而不是吃木炭或者鑽石礦漿。他說得很對。不過，我必須向外行讀者解釋一下。

在物理學家的認識裡，尚未燃燒的木炭或者鑽石，連同燃燒它所需的氧氣，也是非常有序的狀態。讓我們來證明這一點：如果你燃燒木炭，就會產生大量的熱。系統通過將熱量釋放到環境中，來釋放反應產生的大量的熵。最後，系統實際上變成了一個和燃燒前基本等熵的狀態。

1 　歷史上，對「生命以『負熵』為生」的批評，其中一點就在於薛丁格沒有使用「自由能」的概念；而在學術上，「自由能」確實是更為準確的概念。「自由能」中不僅包含了熵，也包含了能量。在物理和化學變化中，能量和熵都在轉變。一味追求「負熵」並不見得對生物有利。過分有序的結構甚至可能會阻礙生物的正常功能。在有些生化過程中，犧牲一點熵增來換取能量上的效果也是必要的。舉個極端的例子：原子排列十分整齊的晶體是典型的「低熵」態，但生命並不能變成晶體。「自由能」中「自由」的含義可以理解為一個體系能夠「自由支配」，實際拿出來「做事」的能量。我們知道，熱力學第一定律表明能量守恆。一個物體對另一個物體（或環境）做功，只不過是能量發生了轉移。但是，轉移的能量中只有一部分做了實事。另外的能量，一部分變成熱被耗散掉了，增加了環境的熵，另一部分可能用於物體本身的體積變化。扣除這些耗散掉的能量（給系統增加的熵），物體能夠實際拿出來對外做功的能量，就是「自由能」——即物體能夠「自由」支配的能量。—譯者注

然而，我們並不能食用燃燒產生的二氧化碳。因此，西蒙對我的批評十分正確。食物中包含的能量成分確實很重要。因此， 我開的那個餐廳菜單中列出能量的玩笑並不恰當。我們不僅需要能量來補充身體運動消耗的機械能，還需要補充我們持續不斷向環境中釋放的熱。而我們向環境散熱並不是偶然的，而是必然的。

因為，正是通過這種方式，我們才能向環境中排出生命活動中持續不斷產生的多餘的熵。這似乎表明，溫血動物因為體溫相對較高，就擁有更快排出熵的優勢，從而可以承受更劇烈的生命活動。我不確定這個論斷到底有多正確（因為對這句話負責的人是我，而不是西蒙）。

有人可能會表示反對，因為從另一個角度看，許多溫血動物都擁有毛皮或羽毛，它們的作用恰恰是防止熱量過快流失。因此，儘管我相信體溫和「生命的劇烈程度」兩者之間存在關聯，但這種關係更有可能直接來自於範德霍夫定律（Van’t Hoff’s law）的效果。我們在第五章第十一節末尾頁提到過，升高溫度會加速生物體內的化學反應。（有些動物的體溫會受到環境溫度的影響。在它們身上的實驗證明事實的確如此。）

《生命是什麼》

（知乎重磅推薦，從薛丁格的貓到薛丁格的一切生命。生命科學啟蒙之書，至少有三位學者受本書啟發獲得諾貝爾獎！新增百餘條修訂，一覽生命科學發展全貌。北京大學、清華大學一致推薦！）