生命，以负熵为生

“生命是什么”这个问题，自从人类诞生以来就曾经有无数人问起，也有很多人试图解答过。

其中最有名气，也是对未来影响最大的当属物理学家薛定谔在1944年出版的一本“跨界”演讲集——《生命是什么：活细胞的物理观》。

总结起来，这本书的主要观点有三个。首先，薛定谔认为尽管复杂的生命体中很可能会涌现出全新的定律，但这些新定律不会违背基本的物理学和化学原则，也就是说用物理和化学可以诠释生命现象。他认为：“在一个生命有机体的范围内，发生在时间和空间上的事件应该如何用物理和化学知识来描述？初步的答案……可以概括如下：虽然当前的物理和化学在描述这些事件上无能为力，但绝不能成为我们合理怀疑这些事件可以用物理和化学方式来描述的理由。”

其次，他认为生命活动需要精确的物理学定律，这种定律应该被记录在遗传物质上。同时他还设想这种遗传物质基因应该是一种“非周期性晶体”，而遗传的变异则可能源于“基因分子的量子跃迁”。

最后，他认为：“一个生命有机体要活着，唯一的办法就是从环境中不断地汲取负熵，有机体依赖负熵为生。或者更确切地说，新陈代谢的本质是使有机体成功地消除了当它活着时不得不产生的全部的熵。”

这三个结论虽然并未给生命一个明确的科学定义，但为后来者的研究指明了方向。日本遗传学家近藤原平是这样评价《生命是什么》这本小册子的：“它所起的作用就像《汤姆叔叔的小屋》成为奴隶解放战争的启明灯一样，成为生命科学研究的灯塔。”

后来生物科学的发展确实也正应了近藤原平的评价。受这本书的启发，十年后的1953年，沃森、克里克和威尔金斯发现了 DNA 的双螺旋结构，并于1962荣获诺贝尔奖。

薛定谔《生命是什么》一书中的三个主要结论中最有名气的应该是第三个，即“生命以负熵为生”。

熵，是一个热力学概念，它最初是用来度量一个系统中不可做功的能量，通俗一点说就是指系统的无序程度。举个例子，汽车靠汽油的燃烧提供动力，汽油燃烧时产生热量并膨胀做功，进而驱动汽车前进。在这个过程中，汽油燃烧所消耗的能量与做功的能量并不相等，二者之差，也就是不可做功的部分能量就是这一过程中熵的增加值。

如果你还是不理解，我们可以举个更通俗的例子。当你将一滴墨水倒入水中，它会慢慢地散开来，直到分布均匀，这个过程就是一个熵增的过程。

热力学第二定律认为一个孤立系统的熵只会增加不会减少。宇宙中，只有宇宙自身是一个完全孤立的系统，任何星系、物质都有可能获取外界的能量，所以对于整个宇宙来说，大爆炸之后不断地膨胀下去，最后达到所有物质都均匀分布的“热寂”状态，就是宇宙熵不断增大的过程。但对于星系和星球这些非孤立系统，它们的形成本质上是一个对抗熵增，即熵减的过程，但这局部的熵减反而导致宇宙整体的熵增。

生命体的新陈代谢也是通过摄取外界的能量使得自己的身体保持一个低熵有序的状态，这一过程维系了生命体的低熵，但却会让整个环境继续熵增。

为了便于理解，我们使用另外两个词来代替高熵、低熵，即无序、有序，高熵意味着无序，低熵意味着有序。

这就像一个房间，如果长期不打扫、整理，你会感觉很乱，这就是熵增，或者称之为无序；你将房间认真地打扫一遍并将物品分类摆放，这就是房间的熵减过程，在这个过程中你付出了劳动（能量），并将物品分类（编码信息），于是房间变得低熵，即有序。

在我们可观察的时间周期内，生命体有能力通过自身的新陈代谢维持自身的有序状态，而非生命体却只能随着时间的推移逐步无序，非生命体没有主动追求熵减的能力，这也是生命体与非生命体的本质区别。

不难看出，如果想让生命体维持低熵有序状态首先要有能量，并让这些能量按一定的编码信息干活，最终实现维持低熵的目标。如果我们将生命体看作一座大厦，编码信息是设计图，而能量则是建设工人。

这个编码信息就是生命体的DNA，DNA是地球上绝大多数生命体用来存储遗传信息的物质，无论是微小的细菌还是复杂的人类。根据生命的中心法则，DNA上携带的遗传信息通过mRNA转录之后再制造出生命体所需要的各种蛋白质，同时蛋白质也反过来协助前两项流程的完成，甚至DNA的自我复制也需要蛋白质的协助（部分生命体如病毒没有DNA，它们直接利用RNA存储遗传信息并指导蛋白质合成）。

图1.3 中心法则流程图

这里面有几个细节特别重要。一是DNA的自我复制过程并非简单的拷贝，在这个过程中会发生结合和变异两种情况，进而形成生命个体的多样性。这种生命个体的多样性给后续我们要讲到的“自然选择”提供了足够多的可选择对象，这种现象最终导致了生命体的演化。

第二是遗传信息并未直接去指导合成的蛋白质如何工作，遗传信息仅仅是制定基本规则。这就类似象棋游戏，DNA记录的仅仅是如何制造各种棋子和这些棋子各自的行走、吃子基本规则，如马走日、相走田、车走直路、炮打隔山等，但根据这些规则却可以衍生出无数种棋局，这就是“由简单生成复杂”的魅力所在。在生命体内，不同类型的蛋白质一旦被合成，便仅仅根据分子内含的行为规则及其所处的环境行事，无数个蛋白质分子的共同协作便形成了复杂的生命体。

第三点需要特别注意的是，DNA所记录的遗传信息仅仅是生命体的“组装”信息，这些信息组合在一起要有生命也必须经过一个成长过程，不可能一蹴而就，也只有成长才有协作。以克隆技术为例，即便是使用单体的体细胞繁殖出一个新的、一模一样的单体，这个单体也需要从小慢慢长大，这种长大的过程也是生命体内的各个细胞通过分工、合作形成团队战斗力的过程。

以上三点特别重要，通过这三点基本可以解释生命体为何能够“活”起来，以及为何能够通过繁殖形成一个不断演化的种群。

不过我们知道，越是复杂的工作耗能越大，是什么能量驱动生命体实现如此庞杂工作的呢？这也是我们需要了解的第二个问题，即建造生命大厦的能量来源（工人）从哪里来？

宏观来讲，当然是新陈代谢，即生命体摄入的食物或其他能量。微观来讲是一种叫三磷酸腺苷（ATP）的分子，ATP和线粒体组成的整体结构类似于现实世界中的水力发电站，不过这个“发电站”动力来源不是水高差，而是离子浓度差，因为在线粒体内外仅仅几纳米的距离上就存在上百毫伏的氢离子浓度差，这个离子浓度差形成的电压堪比雷雨云和地面之间的电荷差别，其产生能量的级别也可想而知。这一理论模型由爱丁堡大学的彼得·米切尔在1961年率先在《自然》杂志上发表，并于1994年被其英国同行约翰·沃克使用现代科技证实。

通过了解生命体的能量来源、编码信息及其遗传方式，或许大家已经认识到生命体的本质也并没有想象中那么神秘。生命体的本质就是信息和能量，信息是可以根据环境自我演化的一些编码信息，这一编码信息就是基因，这一演化过程则是通过自然选择来实现的；能量的来源是新陈代谢，新陈代谢将摄入的食物转换成线粒体内部的离子浓度差，在生命体需要能量的时候由ATP“发电”供给。

看得出来，我们在这里讨论的“生命”指的狭义上的生命，即地球上的生命。至于宇宙中可能存在的其他生命体，它们完全可能不是以碳元素为基础的，那不在我们的讨论之列。但可以猜想的是，无论是以什么元素作为基础的生命体，它们之所以能够被称之为生命体，至少都应该具有以信息和能量为基础，去主动对抗熵增的能力。