生命与能量定律

热力学第二定律带来的福音

想想地球上得天独厚的自然环境吧。我们这颗环绕太阳运行的行星和太阳之间的距离使它能够享受阳光带来的稳定、无尽的能量且免于烧灼之灾。太阳的光和热洒向地球，然后继续发散到沉寂寒冷的外太空，那里的温度接近零下273摄氏度，科学家们称之为“绝对零度”。这源源不断的太阳能，遵循热力学第二定律，让我们的星球保持着一种舒服又有活力的状态¹——伴随着化学键不断地产生、断裂，能量不停地流动。这世界千变万化，永不停歇，都是因为能量总趋向于更加弥散的状态。一旦能量分散到达最大程度而不再传递，这世界将陷于死寂：所有东西都静止不动，所有的事物都迷失方向，连时间都停止了。

我们可以通过进一步了解化学键的形成过程来理解这个动态的世界究竟如何运作。每当两个原子之间形成化学键，一部分能量储存在化学键里，另一部分则以热量的形式扩散到周围。换句话说，化学键形成时消耗的能量要比键内储存的能量多，多余的那部分扩散到周围了。这种看起来十分浪费热能的行为，即遵循热力学第二定律，却也有积极作用。合理的解释应该是这样：如果那多余的能量不以热的形式扩散出去，那么它将滞留在附近，随时可能回流反攻，把化学键破坏掉。热量的扩散确保已经制造完毕的化学键保持完好，至少能保存一段时间，且生成化学键的反应是单方向进行的。原子之间化学键的形成能够编写生命的遗传信息；这种信息反过来又组建了分子排列秩序。这样一来，能量虽然递减，生命的信息却不断积累，生命的复杂程度如滚雪球一般增加。

因此，热力学第二定律并不对生命造成威胁，相反它维持了生命的存在：（1）来源恒定的，可被利用的太阳能，（2）利用能量构建结构稳定的生命分子，（3）信息链分子的组合（见下一章）。生命在能量的洪流中逆势而上，靠的不是什么特殊伎俩，而是在分子水平上坚韧不拔，持之以恒地再造与修复（就像右图中螃蟹抢修城堡那样）。

能量传递与平衡态

生命好像一个装满化学反应的大袋子。

把自己想象成一个细胞，这样可以身临其境地观察微观世界的化学反应是怎么进行的。细胞正准备用几个小分子制造出一个大分子。我们把反应刚开始时的分子（或原子）叫作反应物，把由反应物生成的分子叫作产物。请记住，我们讨论化学反应的时候，实际上我们在讨论数百万个分子在一个有限的空间里高速运动，互相碰撞。分子越多，“中央车站”的旅客越拥挤，碰撞就越频繁，因此发生化学反应的可能性就越大。

在化学反应的起始阶段，反应物很多，产物尚不存在。反应开始后几秒钟内，上百万反应物分子都被转化成产物，导致产物不断堆积，生成速度也随之减缓。在某一时刻，当反应物和产物中蓄积的能量相等时，产物的数量便不再增加。但是这不意味着分子之间的反应已经停止，事实上反应物之间仍然相互碰撞生成产物，只是与此同时等量的产物又因频繁地碰撞而被打回原形，变成反应物。此时能量向着反应物和产物两个相反方向的流通量相等，总体来说系统已经不再发生变化。这时的状态就被称为稳态。（右图中两条狗被跳蚤咬可以做一个类比）。

稳态并不是生命意欲达到的状态，对细胞来说稳态意味着消极和死亡。活跃的细胞总是不停地给自己增添反应物或是消耗产物，离稳态越远越好。