生命為何如此不同？

沒有生命的物質遵循著簡潔的物理化學規律，然而，一旦物質變成生命，卻表現出一些迥然不同的獨特性質。這是一個生物學的難解之謎。

生命的堅韌性質

1986年1月28日是寒冷的一天，這天早晨，在美國佛羅裡達州的卡那維拉爾角，成千上萬名參觀者聚集到甘迺迪航天中心，等待一睹挑戰者號太空梭騰飛的壯觀景象。上午11時38分，聳立在發射架上的挑戰者號點火升空，直飛天穹，看臺上一片歡騰。但太空梭飛到73秒時，空中突然傳來一聲悶響，只見挑戰者號頃刻之間爆裂成一團桔紅色火球，碎片拖著火焰和白煙四散飄飛，墜落到大西洋。7名太空人在這次事故中罹難，包括2名女太空人。全世界為之震驚。

「挑戰者號」太空梭的爆炸是人類航天史上的一大悲劇，根據後來的事故調查，導致這個複雜的龐然大物毀滅的主要原因只不過是幾個橡皮密封圈出了問題，在寒冷的低溫下失去了彈性，導致硬化失效。由此可以看到，無機世界的精密機器或裝置等各種複雜系統，在面臨突然的環境變化時，沒有辦法自我調適，一個零件出現問題，就可能導致整個系統癱瘓甚至報廢。

然而，同樣是被稱為複雜系統的生物體，卻不會如此脆弱，一個生命體受個小傷小痛根本就沒什麼大不了，缺個胳膊少個腿也照樣能活得很好，即使是患上癌症這樣的不治之症，也不會立刻崩潰，假以時日甚至還有治好的可能。這說明，生命系統雖然非常複雜和精細，但卻顯示出了頑強的堅韌性，不那麼容易被破壞。

我們的自然界是一個千姿百態、豐富多彩的世界。從日月星辰、山川湖泊到花草樹木、飛禽走獸，事物的形態雖然千差萬別，但基本上可以分為生命系統和非生命的物質系統。這兩個系統都是由原子和分子組成的，但奇異的是，這兩大系統表現出了迥然不同的特性。生命系統是彈性的，隨時可以應付外來的變化和壓力，重新調整自己。而非生命物質則是剛性的，不能隨著外界環境的變化而調整自己。

而從更深的層面來說，生命總是表現出來一種自我完善的趨勢，無論個體的發育或物種形成都是從簡單向複雜演化，似乎生物體內有一種追求完善的內在動力或者預定目標。生命現象的那種自主性、自組織性、自協調性以及進化本身的方向性，與無生命的物質世界有著迥然的不同，這是科學家無法迴避的難題。

趨向無序的非生命物質

生命現象帶來的上述難題並不是相互孤立的，它們都涉及生命與非生命物質之間的關係。對於如何解答這些難題，科學家們已經有了清晰的思路。

科學家們認為，自然界的演變存在一種普遍的驅動力——物質傾向於變得更加穩定。這裡有一個邏輯上的道理：穩定的狀態不會再改變，而不穩定的狀態則會不斷變化，直到變得穩定。

然而，非生命物質和生命物質的穩定性是完全不同的。非生命物質的穩定性來源於熱力學第二定律。熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一，它說的是，熱量可以自發地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。這個轉變過程是不可逆的，要使熱傳遞方向倒轉過來，只有靠消耗功來實現。這很好理解，一杯熱水總是不斷冷下去，直到與周邊環境溫度一致，達到穩定狀態，不再改變。這個過程不可能逆轉過來，除非你對這杯水加熱。

熱力學第二定律還有另一種表述方式，那就是：在沒有外界的影響下，事物總是由有序向無序方向發展，而不可能從無序向有序發展。1865年，德國物理學家克勞修斯在熱力學第二定律中引入了「熵」的概念。熵指的是一個系統的混亂程度，熵越大，系統就越混亂，一直到熵處於最高點，系統無法更混亂了，這時就穩定了。這就是熵增加原理。

熵增加原理廣泛存在於非生命的物質世界。在一個房間裡打開一瓶香水後，香氣分子會瀰漫到整個房間，不管過多長時間，散布開來的香氣分子也不可能自動地回到香水瓶，還原成香水液體。香氣分子的揮發、散布，是幾十億分子撞擊的結果，空氣分子與香氣分子互相不停地碰撞，最後香氣分子不可避免地與空氣分子混合到一起，這時香氣分子的無序程度達到最大，也就是熵最大的狀態。一幢整潔有序的建築物，如果無人管理修繕，其結構部件會慢慢變壞，屋頂上的瓦片一片一片地脫落，牆壁慢慢生出裂縫，隨著歲月的流逝，終將毀損倒塌，其磚塊瓦片與大自然融為一體，進入穩定狀態。

如果把熵增加原理擴展到整個宇宙，我們的宇宙也可以看成一個巨大的孤立系統，宇宙的熵會隨著時間的流逝而增加，由有序向無序，當宇宙的熵達到最大值時，宇宙中所有物質的溫度達到熱平衡，這種狀態稱為熱寂。這樣的宇宙中再也沒有任何可以維持運動或是生命的能量存在。

負熵與生命的演化

然而，一旦進入生命領域，熵增加的趨勢立刻被逆轉。生命是一個開放系統，我們每天吃進食物，拉出汙穢之物，這是與外界交換物質、能量和信息。通過這些交換，可使生命系統的熵減小,直至變成負數，從而有序度不斷提高,生命體系才得以動態地發展。大自然為生命系統提供了另外一種穩定性——動態動力穩定性。

也就是說，與非生命系統朝著熵增大的方向恰好相反，生物演化是熵由正變為負的過程，即負熵是在生命過程中產生的。1944年薛丁格出版了《生命是什麼》，在這本書中提出了負熵的概念，想通過用物理的語言來描述生物學中的課題。據他的理解，「生物賴負熵而生」。按熱力學第二定律，大自然會由有序變為無序，即熵會不斷增加。與之相反，生物會吸收環境中的能量，從而減少自身的熵，變得有序。

對於單個生命來說，隨著生命的成長，生命系統的熵變是一個由負逐漸變化趨於0的過程。以人類為例，從嬰兒出生到20歲左右，人體的熵變為負熵且較大，這個時期生命體快速正常發育，組織細胞大量增長，有序組織快速增加。20歲以後，生命體的負熵逐漸減少，正熵逐漸增加，這個時期負熵和正熵都處於比較平衡的狀態，生命的各項指標也都在最佳狀態，生命處於旺盛階段。50歲以後，生命開始進入衰老時期，生命過程中的負熵和熵增都在減少中，但熵已經開始緩慢增加了。這個時期由於人體各項功能的下降，組織再造能力下降，人體組織中自由基等垃圾成分增加，生命系統的混亂度增大，熵緩慢增加，直至負熵完全消失，死亡降臨。而生命轉化為無生氣的物質後，立刻轉化為熵增加過程，身體最終與泥土融為一體。這是一個不可抗拒的自然規律。

回望負熵開始的時刻

那麼，生命系統的這種負熵流最初是怎麼開始的呢？

科學家們假設，生命起源於40多億年前原始地球上的非生命物質，這一過程是遵循物理學、化學規律的過程。那麼在這個過程中，物質如何從熵增加轉變熵減的呢？科學家指出，複製因子的出現，使生命越過了熱力學第二定律的限制，與非生命分道揚鑣，走上了完全不同的進化道路。

複製因子是一些非常奇特的分子，DNA和RNA是其中的典型，它們並不見得非常大或非常的複雜，但是它們具有一種特殊的性質——能夠複製自己，這正是生命區別非生命的關鍵。

當第一個帶有複製功能的分子出現時，在適宜的環境中開始自我複製，它們會沿著爆炸性的道路演變，數量將以指數的速度增長。由於環境資源有限，這種增長不能無限制地維持下去，於是，在自然選擇下，一些複製因子被淘汰，另一些複製因子生存下來，還有一些產生變異。

複製因子的這種複製、變異、競爭、選擇，需要與環境不斷交換著物質和能量，使得生命系統從一開始就與外界處於交流的開放狀態，這構成了生命動態穩定結構的最初基礎。生命為了維持自身的動態穩定，就得提高複製效率，複製因子將不可避免地變得複雜，為什麼這麼說呢？舉個簡單的例子，對於一條單鏈的RNA分子，僅僅靠自身來複製，其效率是非常低的，相反，一個由雙分子RNA組成的複製網絡，兩條RNA分子會相互催化，複製效率會提升許多，這就好比兩根手指比一根手指更容易拿起物體一樣。所以，從單鏈RNA到雙鏈RNA的轉變向我們展示了由非生命通向複雜生命的漫長道路的第一步。

現代科學確認，生物學上的自我複製、新陳代謝、個體發育和群體發育等現象，就是源於多分子系統的自我複製和倍增。隨著這個系統網絡的不斷擴大化和複雜化，才產生了其他一系列生命現象。

被膜分隔的世界

需要強調的是，多分子體系的表面必須有膜。有了膜，多分子體系才有可能和外界介質分開，成為一個獨立的穩定的體系，也才有可能有選擇地從外界吸收所需分子，防止有害分子進入，而體系中各類分子才有更多機會互相碰撞，促進化學過程的進行。

舉例來說，最簡單的單細胞生物——草履蟲，儘管其中的物質總量和成分都不多——充其量也就相當於溶解了一些化學物質的水溶液，但它的外表有一個薄膜，隔開了外部熵增的環境，自發形成一個封閉的、內有分工、負熵的體系——細胞，它擁有細胞核、細胞質、食物泡、伸縮泡的分區；而與此同時，在與外部環境的物質和能量交換上，它能夠通過擺動纖毛來運動，能夠吞吐食物。這種有序的、複雜的存在方式是遵循著熱力學定律的非生命物質體系所無法達到的。

由此看來，複製因子的出現，實現了從非生命過程向生命過程的轉化，實現了自然系統有序性的突變。突變之後，生命系統開始逆著熱力學第二定律，朝著一個熵減、有序的方向發展。這個方向還確定了一個進化的箭頭，生物進化是由單細胞向多細胞、從簡單到複雜進化，也就是說向著更為有序、更為精確的方向進化。