生命攝入的“負熵”

生命的奧秘在于它能夠避免迅速衰退到一種惰性的“平衡狀態(tài)”。這是如此神秘，以至于人們認(rèn)為有一種特殊的非物質(zhì)或超自然力量控制著生命。即使是現(xiàn)在，還是有人這么認(rèn)為。

生活如何避免衰退？顯而易見的答案是:吃、喝、呼吸、同化。這個術(shù)語叫做新陳代謝。這個希臘語單詞的意思是改變或交換。那么交換條件是什么？毫無疑問，這個詞背后最早的含義是交換材料。

然而，認(rèn)為事物的本質(zhì)是物質(zhì)交換是荒謬的。氮原子、氧原子、硫原子等。，任何原子都與其同類相同；換貨能得到什么？有一段時間，我們以為是在交換能量，后來就不去探究這個問題了。

在發(fā)達國家的一些餐館里，你不僅可以看到價格，還可以看到菜單上的菜肴所包含的能量。毫無疑問，這是荒謬的。因為一個成年生物體所包含的能量和它所包含的物質(zhì)一樣穩(wěn)定。既然熱量無論從哪里來都是一樣的，單純的交換熱量似乎改變不了什么。一個

1.薛定諤可能沒有增重或者減重。當(dāng)然，他在這里實際上的意思是，僅僅從能量攝入的角度考慮，并不能解釋為什么人們要專門吃食物，而不是在餓的時候用火烘烤，吸收環(huán)境中的熱量或其他形式的能量。-譯者注

那么，食物中含有哪些可以防止我們死亡的珍貴的東西呢？答案很簡單。綜上所述，自然界發(fā)生的一切——無論你稱之為過程、事件還是正在發(fā)生的事情——都意味著那個地方的熵在增加。因此，個體生物的熵不斷增加?；蛘呖梢苑Q之為產(chǎn)生正熵。

這樣一來，生物傾向于最大熵，這種危險的情況就是死亡。要想活下去，遠離最大熵，生物體必須不斷從環(huán)境中吸收負熵——我們很快就會看到這件事的重要性。生物靠負熵為生?；蛘哒f，換一種說法，新陳代謝的本質(zhì)是讓生物體成功地釋放生命活動中不可避免地產(chǎn)生的熵。

熵是什么？

熵是什么？首先要強調(diào)的是，熵不是一個模糊的概念，而是一個可以測量的物理量，就像木棍的長度，體內(nèi)任意一點的溫度，某個晶體的聚變熱，任何物質(zhì)的比熱一樣。任何物質(zhì)在絕對零度時的熵都是零。當(dāng)你緩慢可逆地改變物質(zhì)的狀態(tài)，你就可以計算出增長的熵。

1這是“熱力學(xué)第三定律”的一種表述。-譯者注

計算方法是，在物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，把你每次提供的微小熱量除以當(dāng)時物質(zhì)的絕對溫度，然后把這些微小的貢獻加起來。例如，當(dāng)你熔化一個固體時，它的熵增加等于熔化熱除以熔點溫度?？梢婌氐膯挝皇敲繑z氏度的卡路里。

熵的統(tǒng)計意義

我還必須介紹熵的專業(yè)定義，這純粹是為了揭開經(jīng)?；\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(tǒng)計概念。玻爾茲曼和吉布斯的統(tǒng)計物理研究揭示了這種關(guān)系。這也是一個非常精確的定量關(guān)系，表示為:

熵=klogD

其中k是玻爾茲曼常數(shù)，d是衡量被考察對象中原子無序程度的量化值。幾乎不可能用沒有術(shù)語的簡單詞語來準(zhǔn)確解釋d的意思。但D所代表的無序程度，一部分來自熱運動，一部分來自系統(tǒng)中不同種類的原子和分子，隨機混合在一起，而不是截然不同。

1即對于可逆過程，s = ∫ dq t

2 1口徑。/℃ = 4.2 J/K .需要注意的是，健身和營養(yǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)的“卡路里”或“大卡”，其實是指1000卡路里，也就是4.2 kJ。-譯者注

以上面列出的糖和水分子為例，可以很好的解釋玻爾茲曼公式。糖逐漸“擴散”到所有可及的水中，增加無序度D，從而增加熵。顯然，供給系統(tǒng)的任何熱量都會增加熱運動的強度，即增加D，從而增加熵。這在晶體熔化過程中最為明顯，因為熔化破壞了原子或分子在晶體中整齊而永久的排列，使晶格變成一個不斷變化的隨機分布。

對于一個孤立的系統(tǒng)或者一個同質(zhì)環(huán)境下的系統(tǒng)，其自身的熵是不斷增加的，基本上很快就會趨向于最大熵的惰性狀態(tài)。

這樣，我們就可以把這個物理學(xué)的基本規(guī)律理解為:除非我們有意消除混沌，否則事物自然趨向于混沌。

生物組織是通過從環(huán)境中汲取“秩序”來維持的

活的生物體可以延緩向熱力學(xué)平衡的下降。如何用統(tǒng)計理論的語言來描述生物這種非凡的能力？我們之前說過:“生命帶負熵”。生命其實是在為自己畫一個負熵流，以補償生命活動帶來的熵增，從而使自己維持在一個穩(wěn)定的、相對較低的熵狀態(tài)。

如果D是無序的度量，那么它的倒數(shù)1/D可以作為有序的直接度量。因為1/D的對數(shù)就是D的對數(shù)加一個負號。所以，我們可以寫出玻爾茲曼公式:

負熵=k/n(1/D)

所以“負熵”這個奇怪的表述可以用更好的“熵”來代替。只要帶有負號，熵本身就是衡量秩序的尺度。所以，一個有機體為了維持自身的穩(wěn)定，維持高度的秩序，所采取的策略是不斷從其環(huán)境中吸收秩序。

與開始相比，這個結(jié)論現(xiàn)在看起來不那么矛盾了?，F(xiàn)在看來挺正常的。是的，我們很清楚高等動物從食物中完全吸收了秩序，因為食物是由復(fù)雜的有機物組成的，處于極其有序的狀態(tài)。動物在享受美食后，會把它變成劣等形態(tài)。但這不是最低級的形式，因為植物仍然可以利用它們。

對第六章的評論

我對負熵3 ^ 3的闡述，遭到了物理學(xué)界同行的質(zhì)疑和反對。首先我想明確一點，如果我迎合他們的意見，我會把討論的話題改成自由，3，3，能力，3。在這種情況下，自由能是一個更熟悉的概念。但是自由能是一個很專業(yè)的名詞，在語言學(xué)上似乎和能量33過于接近，使得普通讀者可能意識不到兩者的區(qū)別。

讀者可能會認(rèn)為自由33只是某種修辭33。有沒有都無所謂。但實際上自由能的概念相當(dāng)復(fù)雜，它與玻爾茲曼有序-無序原理的關(guān)系比熵與帶負號熵的關(guān)系更難以捉摸。另外，“帶負號的熵”不是我發(fā)明的。它只是出現(xiàn)在玻爾茲曼最早的論證中。

但是f .西蒙已經(jīng)向我指出了一點，我簡單的熱力學(xué)考慮并不能解釋為什么我們必須吃“由更復(fù)雜的有機物組成的極其有序的食物”而不是木炭或DIA漿。他說得很對。不過，我必須向外行讀者解釋一下。

根據(jù)物理學(xué)家的說法，未燃燒的木炭或DIA，連同燃燒它所需的氧氣，也是處于非常有序的狀態(tài)。我們來證明一下:如果燃燒木炭，會產(chǎn)生大量的熱量。該系統(tǒng)通過向環(huán)境釋放熱量來釋放反應(yīng)產(chǎn)生的大量熵。最后，系統(tǒng)在燃燒前實際上變成了等熵狀態(tài)。

1歷史上對“生命依賴于負熵”的批評之一是薛定諤沒有使用“自由能”的概念；在學(xué)術(shù)上，“自由能”的確是一個更準(zhǔn)確的概念。“自由能”不僅包括熵，還包括能量。在物理和化學(xué)變化中，能量和熵都在變化。盲目追求“負熵”不一定對生物學(xué)有益。過度有序的結(jié)構(gòu)甚至可能阻礙生物的正常功能。在某些生化過程中，需要犧牲一點熵增來換取能量效應(yīng)。舉個極端的例子:原子排列整齊的晶體是典型的“低熵”狀態(tài)，但生命不能變成晶體。“自由能量”中“自由”的含義可以理解為一個系統(tǒng)可以“自由控制”并實際取出“做事”的能量。我們知道，熱力學(xué)第一定律表明能量是守恒的。當(dāng)一個物體對另一個物體做功時，它只是能量的轉(zhuǎn)移。但是，轉(zhuǎn)移的能量只有一部分做了實事。其他能量，其中一部分變成熱量耗散掉，增加了環(huán)境的熵，另一部分可能用于物體本身的體積變化。扣除這些耗散的能量后，一個物體實際上能取出來對外做功的能量就是“自由能”——即一個物體能“自由”控制的能量。-譯者注

然而，我們不能吃燃燒產(chǎn)生的二氧化碳。所以，西蒙對我的批評是相當(dāng)正確的。食物中的能量含量真的很重要。所以，我拿餐廳菜單上列出的能量開玩笑是不合適的。我們不僅需要能量來補充體育鍛煉消耗的機械能，還需要能量來補充我們不斷釋放到環(huán)境中的熱量。我們向環(huán)境散熱不是偶然的，而是必然的。

因為，正是這樣，我們才能把生命活動中不斷產(chǎn)生的冗余熵排放到環(huán)境中。這似乎表明，溫血動物由于體溫相對較高，具有熵釋放較快的優(yōu)勢，因此可以承受更劇烈的生命活動。我不確定這個說法有多正確。

有些人可能會反對，因為從另一個角度來看，很多溫血動物都有皮毛或羽毛，它們的作用恰恰是防止熱量散失過快。所以，雖然我相信體溫和“生活強度”之間是有關(guān)聯(lián)的，但這種關(guān)系更有可能直接來自范德霍夫定律的作用。正如我們在第5章第11節(jié)末尾提到的，提高溫度會加速生物體中的化學(xué)反應(yīng)。

什么是生活