從能量到熵，生物體是如何維持高度有序的？

生物體是高度有序的，典型特徵就是結構精妙，它們通過攝入和消耗能量，生長繁殖。我們從能量的本質考慮，才能更好理解生命的意義，能量流可以增加有序。

---

運動，能量和熵

從物理角度來考慮生物體的有序性，我們要先了解一些物理知識。

首先是熱力學第一定律，即能量既不能產生也不能消滅，但能量可以在不同形式之間轉化。最常見的能量形式是動能和勢能，把一個鐵球從高空中放下，自由落體，勢能就會轉變成動能。

能量守恆與轉化

通過做功和傳遞熱量，也可以把能量從一種形式轉換成另一種形式。在機械運動中，摩擦等效應會使機械能耗盡而轉變成熱能釋放出來， 摩擦不是能量損失，它只是能量轉化一個過程。如果把產生的熱能計算在內的話，總能量則保持守恆。

熱是機械能的一種特殊形式，它是組成物體的分子的動能之和 。不管是機械能還是動能，電能或者太陽能，最終總是有部分會轉化成熱能。而熱能，是分子隨機和無序性運動的結果。增加有序性要付出的代價就是要有一些有序能量降級為熱能。

熵增的世界

對於一個孤立的系統來講，總是趨向於無組織或混亂的一團，這種混亂度在物理學上用熵來表示。熵代表著系統的隨機性和無序性，混亂度越高熵就越高，也就是熵增。

自然界也總是朝著熵增無序的方向發展，簡單來說，我們如果不打掃房間的話，它就會變得越來越亂。要減少它的熵增，外界必須對它做功，對於混亂的房間，那就是我們必須去打掃衛生。

被墨汁染黑的清水

當我們把一滴墨汁滴入一杯清水以後，整杯水都會被染黑，但我們從來沒有見過，這一杯墨水能夠自發地再分離成墨汁和水。也就是說對於一個孤立系統來講，它的無序性是不可能自發降低的，這也就是熱力學第二定律。

熱力學第二定律是殘酷的，它意味著萬物都會走向衰退。即使宏大如我們身處的宇宙，如果作為一個孤立系統考慮，早晚也會達到熱平衡，宇宙中到處都是冰冷和黑暗，最終走向熱寂的可怕結局。

如果我們把組成生物體的碳、氫還有其他的一些元素混合起來，放在一個燒杯裡，維持上一段時間，它們永遠也不可能自發產生生物體。即使是最簡單的病毒，是介於生物與非生物體之間，它也有著精緻的結構。生物體的產生，粗看起來與物理上熵增原理是矛盾的。

冠狀病毒的結構示意圖

事實上，地球上出現了大量形式豐富的生命，那麼問題就來了，難道生物體不受熱力學定律的約束？

宇宙中當然不可能存在兩套物理規律，牛頓的萬有引力定律拿到仙女座等任一外星系照樣適用。即使是生物體，也要和非生命物體符合同一樣的物理規律。而且，熱力學第二定律只適用於孤立系統，地球上產生生物，就相當於一個大系統中的一個某個子系統自發的增加有序性，這並不奇怪。

從物理學角度來考察生命體，最簡單的是方法就是從運動和能量來進行考慮。例如人類每天都攝入食物補充能量，在維持生命的基礎上，行走運動。按照熱力學第一定律也就是能量守恆定律，我們消耗的能量一定正比於攝取的能量。

萬物生長靠太陽

生物體究竟是如何維繫生存？而且還能繁衍後代，甚至向更複雜的生命形式進化，那要歸因於太陽。太陽就像是個大火球，而我們地球相比是冷的，這種不均衡的溫度分布相當於一種有序的形式，這也是地球上生命有序性的來源。

太陽與地球

我們生活在地球上，有太陽能量的不斷輸入。太陽光持續不斷的入射到地球上，而地球的溫度卻能長期保持穩定，那麼必然是一部分能量被地球所消耗，另一部分，是以熱輻射等形式釋放到太空中去。因此地球不是一個孤立的系統，它有太陽持續能量的輸入。那麼地球上生物的出現，生物有序度的逐漸增加與熱力學定律也就不矛盾了。

地球上生命存在的秘訣就是能量流的有序傳遞。能完美利用太陽有序能量的生物是植物，植物可以依靠光合作用，把太陽輻射的有序能量吸收，並利用部分能量抵禦自身無序性退化的趨勢，用來維持自身生長。多餘的能量還可以用來做功，例如把攝入的低能量物質（二氧化碳和水）轉化成高能量的碳水化合物。在這個過程中，有序能量降級為熱能，從而產生有序。所以，本質上，植物消耗的是來自太陽能量流的有序。

向日葵

生命不能無中生有的創造有序，植物靠太陽的能量，通過光合作用轉換能量以維持有序。人類是智慧生物，是自然界高度有序的存在，也需要攝入各種食物，通過新陳代謝分解和&34;食物，進而釋放能量，從高品質能量轉變成熱能，從而獲得有序。這些有序都是源自於太陽，這些有序通過一系列複雜的能量流在生物圈中流轉。

生命以負熵為生

量子力學創始人之一，諾貝爾獎得主薛丁格在他的跨界神作《生命是什麼？》中，就提出了有機體就是靠負熵為生的觀點。

一個生命有機體在不斷地產生熵—或者可以說是在增加正熵—並逐漸趨近於最大熵的危險狀態，即死亡。要擺脫死亡，要活著，唯一的辦法就是從環境裡不斷地汲取負熵……

薛丁格認為，生命就是一種極其精妙的秩序，可以通過新陳代謝成功消除生存帶來的熵增，生物進食的重要目的，不僅僅是為了交換物質或能量，而是為了交換有序，直至死亡為止。

擼貓狂人：薛丁格

熱力學第二定律，告訴我們，這個宇宙的自然趨勢是衰退到徹底的溫度平衡，整個世界趨於無差別的死寂。而生命的出現和存在是逆天的行為，生物體通過負熵的攝入，從無序到有序的生存，甚至不斷的演化，變得更加的精巧和複雜。

究竟是自然規律的引導，還是其他觀察者意識的作用？這些終極的思考，已經超越了科學和哲學的領域，答案就是仁者見仁智者見智了。

總結

從能量和熵等物理學概念出發，討論了生命為何能夠維持高度的有序性。有序的能量降級轉化為熱能時，可以增加有序。生物體自身是不能憑空產生能量和有序的，各種生命持續的無中生有都是來自太陽有序能量流的運轉。而生命以「負熵」為生，抵消其自身產生的熵增。