熵與生命
學(xué)號：3031999027 姓名：張大磊
在整個(gè)《物理化學(xué)》課程的學(xué)習中，我感覺(jué)最難以理解的概念就是“熵”。為了掌握這個(gè)概念，課下我查閱了許多參考書(shū)、學(xué)習資料和文獻，后來(lái)驚奇地發(fā)現：原來(lái)對于熵的研究已經(jīng)不僅局限于自然科學(xué)領(lǐng)域，人文科學(xué)中關(guān)于熵的研究亦進(jìn)展得如火如荼。尤其在生命領(lǐng)域，熵更體現出它獨有的魅力和價(jià)值。下面我將運用在課堂上學(xué)到的有關(guān)知識、參照其他資料，對熵與生命之間的關(guān)系進(jìn)行一次簡(jiǎn)要的探討。盡管我花費的時(shí)間在同學(xué)中最多的（大約四十個(gè)小時(shí)），但還是比較倉促的，如有遺誤錯漏，煩請教員和各位同學(xué)不吝賜教。
熱力學(xué)第二定律的原理是：熱從高溫體向低溫體傳遞，因而總能量守衡但將不斷減少做功能力。這個(gè)貌似簡(jiǎn)單的定律實(shí)際上包含著(zhù)極豐富的科學(xué)意義。正如“法拉第第一定律”是宇宙間最為精確的定律之一一樣，我個(gè)人認為熱力學(xué)第二定律是宇宙間最為深奧和永恒的規律之一。在一個(gè)熱機系統中，熱傳遞產(chǎn)生系統做功，系統熱效率越高，熱量轉換為有用動(dòng)能越多。但無(wú)論怎樣改進(jìn)熱機，也永遠無(wú)法達到熱功之間的完全轉換，因為在熱轉換中能量的耗散是我們無(wú)法避免的。為了表述熱機系統熱量轉換為有用功程度的大小，克勞修斯為第二定律引入了一個(gè)新概念——“熵”。熵的原意是轉變，在數學(xué)上它是熱機系統狀態(tài)的函數，熵小意味著(zhù)一個(gè)系統熱量轉變?yōu)橛杏霉Φ某潭雀?，熵大則表示轉變程度低，這就區分出了有用的能量交換與不可逆地耗散掉的能量的關(guān)系。這個(gè)概念的提出從根本上促成了熱力學(xué)第二定律為人們所意識到并接受。
熱力學(xué)第二定律的意義很快就超出其產(chǎn)生的領(lǐng)域[1]。通過(guò)熵的數學(xué)表述，人們認識到，在一個(gè)熱力學(xué)系統中，熵增指熱能量耗散增加，意味著(zhù)熱能在做功中部分熱能向系統環(huán)境均勻化地耗散了，這個(gè)過(guò)程是不可逆的，因此熵只能是正或為零。這樣，熵增就表示著(zhù)熱力學(xué)系統內部一種不可逆的過(guò)程。這個(gè)結論使想完全控制自然（如制造永動(dòng)機）的人在自然面前碰了個(gè)大釘子。但經(jīng)過(guò)冷靜思考之后，人們開(kāi)始意識到：系統的熵增實(shí)際也表示著(zhù)系統的一種自發(fā)地進(jìn)化，是“系統進(jìn)化的指示器”，是系統的“時(shí)間之矢”。
不止如此，克勞修斯 1865 年的第二定律的宇宙論推論，更是令人大吃一驚：“宇宙的能量是常量；宇宙的熵趨于最大”，即所謂的“宇宙熱寂說(shuō)”（也有人如物化趙教員般稱(chēng)其為“熱死說(shuō)”，更加形象但翻譯不大貼切，以下統稱(chēng)“熱寂說(shuō)”）。
“熱寂說(shuō)”雖有爭論，但現代宇宙大爆炸說(shuō)已經(jīng)證明，宇宙是有自身時(shí)間的箭[2]，因而是有一個(gè)從生到死的生命演化過(guò)程的。這樣，人類(lèi)在追求宇宙和自身的永恒中，通過(guò)熱力學(xué)語(yǔ)言，很不情愿地發(fā)現了與我們人類(lèi)的生命感覺(jué)相一致的、正如遠古哲人孔子所述的“逝者如斯夫”那樣的宇宙事實(shí)：時(shí)間并不是幻覺(jué)，而是物質(zhì)有方向的變化過(guò)程；時(shí)間具有方向性，是不可逆的，無(wú)論是宇宙還是我們人類(lèi)，只能從生到死，而不可倒逆；宇宙沒(méi)有永恒體，沒(méi)有上帝，我們人也不可能羽化成仙。熱力學(xué)毫不顧忌我們人類(lèi)童年的那種幻想和價(jià)值意愿，僅用“燃燒之火終將熄滅”這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)就打破了我們自以為真實(shí)而實(shí)際只存在于文化符號中的諸如“天堂”、“理想國”等理念的永恒世界，殘忍地向我們揭開(kāi)了整個(gè)宇宙和人類(lèi)的一種悲劇化的過(guò)程，讓人類(lèi)又一次從真正意義上看到了自我的份量，悟到這一點(diǎn)后，我感覺(jué)自己成長(cháng)了許多。
過(guò)程的終點(diǎn)雖然被認為是熱寂與死亡，但由熱力學(xué)所開(kāi)創(chuàng )的復雜性科學(xué)同時(shí)也就揭示了與熱寂、死亡對極的“生”、“成長(cháng)”、“生命力”、“自然演化”的時(shí)間秘密，開(kāi)拓了建立人與自然一種新型關(guān)系的道路，使我們人類(lèi)能正確認識自身在整個(gè)自然中的位置，從而有可能建構出一種促成人類(lèi)與自然和平共處、共同發(fā)展的新的科學(xué)體系和價(jià)值體系。
第一、復雜性科學(xué)研究發(fā)現，生命組織和生命活力，無(wú)論是宇宙宏觀(guān)系統還是細胞的微觀(guān)系統中，都只能產(chǎn)生在系統遠離平衡態(tài)的對稱(chēng)破缺時(shí)，而不是我們以往所理解應當產(chǎn)生在平衡態(tài)之中。
正如《時(shí)間之箭》作者彼得·柯文尼所說(shuō)的“生機在遠離平衡態(tài)時(shí)萌動(dòng)”。在非線(xiàn)性狀態(tài)，由于反饋形成的相關(guān)性，使得系統內部微小的變化就能激發(fā)大的振蕩，從而促使結構突變而產(chǎn)生新的結構組織形態(tài)。如果這個(gè)系統是封閉的，在振蕩和自組織變化過(guò)程中，由于熵增，系統將很快達到平衡，結構變化消失，趨于混沌。而如果系統是開(kāi)放的，就可以通過(guò)與外界能量的交換，把增熵輸出到外部去，從而保持系統非平衡狀態(tài)中的自組織結構，保持生命和生命的活力。
第二，在遠離平衡態(tài)的系統中，“熵”而不再只是能量的耗散和浪費，而是具有偉大的創(chuàng )生和建設性作用的。
首先，在非平衡、對稱(chēng)破缺的初始條件中，熵增暗示著(zhù)系統的一種內在極化，是一種選擇性原則，使只有使系統做功并最終達到熱平衡的那種趨勢（即生命的趨勢）可以產(chǎn)生并演進(jìn)。其次，演進(jìn)過(guò)程中所產(chǎn)生的熵壘，阻止系統返回過(guò)去，使系統只能向前，演進(jìn)是不可逆的。最后，由于熵增，系統內部個(gè)體的相對運動(dòng)和相干性加強，從而增強了系統的生命活性。
第三、這樣，復雜性科學(xué)使人們醒悟，經(jīng)典科學(xué)在認識自然時(shí)所以把“時(shí)間”定義成可逆的，正暗含著(zhù)控制、操作自然的價(jià)值心態(tài)。
在這個(gè)文化背景中，熵增、隨機、不可逆、非線(xiàn)性的振蕩就被看作是一種負價(jià)值的東西，不但是物理科學(xué)意義上的能量的耗散與浪費，而且是文化意義上的不和諧、不可控、不安分，是與真、善、美的世界相悖的東西。然而，大量的科學(xué)實(shí)驗表明，熵增、隨機、不可逆、非線(xiàn)性的振蕩恰恰是“生命”、“自然”和“自然生機”這些現象最本質(zhì)的原因。熵增意味著(zhù)最終的混沌、無(wú)序、熱寂和死亡，然而同時(shí)也意味著(zhù)它孕育了這個(gè)過(guò)程之中的那短暫卻壯麗輝煌的“生命”、“生命力”，創(chuàng )造了大自然最神奇的“成長(cháng)”和“自然演化”的機制，顯示著(zhù)物質(zhì)自身運動(dòng)真正的“時(shí)間”，包含著(zhù)整個(gè)宇宙生與死、從混沌到有序的全部秘密。熱力學(xué)開(kāi)創(chuàng )的復雜性科學(xué)在本世紀得到了全面的發(fā)展，取得了一系列令人矚目的科學(xué)成果，大大拓展了人們的科學(xué)視野，為建立人與自然一種新型關(guān)系，建立一種沒(méi)有“上帝”的新的價(jià)值觀(guān)提供了科學(xué)文化基礎。今天環(huán)境與生態(tài)科學(xué)的發(fā)展使我們知道，整個(gè)自然生態(tài)環(huán)境及其中物種間的關(guān)系遠比人類(lèi)以往所知道的復雜得多。早期工業(yè)化過(guò)程中的人對自然的控制、操作和改造，使人類(lèi)在享受其成果的同時(shí)，也招致變異了的自然的報復。這使我們要重新認識自然，也就要重新思考人類(lèi)自身。我們都在不斷地進(jìn)行人生的定位思考，卻沒(méi)有給予整個(gè)人類(lèi)、整個(gè)大自然足夠的重視。一種新的世界觀(guān)應該是：人類(lèi)的科學(xué)和理性并不是要最終地控制自然，把自然作為人類(lèi)的奴隸，甚至愚蠢地提出“人定勝天”等口號，而應該尊重自然，理解自然，在與自然的平等對話(huà)、和諧相處中與自然共同發(fā)展，正如同中國古代儒、道達成的共識“天人合一”一樣。時(shí)間是一種建設，它正擔負著(zhù)這種倫理責任。
既然主宰著(zhù)宇宙中一切運動(dòng)過(guò)程的至高無(wú)上的勢力學(xué)第二定律定律（就是也稱(chēng)為熵增定律）告訴我們宇宙中的能每時(shí)每刻都在不可逆轉地耗散著(zhù)，任何孤立系統都會(huì )伴隨著(zhù)能量的耗散而趨于無(wú)序、互解和熱寂。那么為什么我們所見(jiàn)到的社會(huì )卻又在不斷的進(jìn)化和趨于有序呢？一直到二十世紀六十年代，這個(gè)問(wèn)題的答案才浮出水面：比利時(shí)自由大學(xué)布魯塞爾學(xué)派的領(lǐng)導人物理學(xué)家伊·普利高京（Iprigo－ginc）創(chuàng )立了他的耗散結構理論，解決了這一難題。普利高京以他卓越的研究表明，開(kāi)放系統在外界能量的驅動(dòng)下有可能通過(guò)隨機漲落和非淺性相互作用而形成有序的耗散結構——而在這一從混沌到有序的過(guò)程中，能量的耗散起到了決定性的作用。耗散結構（Pissipative Structure）理論是1969年在《結構、耗散和生命》論文中提出的。這個(gè)理論主要是針對非平衡熱力學(xué)和非平衡統計物理學(xué)的發(fā)展而提出的一個(gè)科學(xué)假說(shuō)。它的杰出貢獻在于把克勞修斯的熱力學(xué)第二定律與達爾文的進(jìn)化論相統一，證明了自然界乃至人類(lèi)社會(huì )是一個(gè)和諧、有序的整體。在自然界中，廣泛存在著(zhù)一種穩定的時(shí)空有序結構。它出現于多粒子、多層次、多組分的開(kāi)放系統的遠離平衡態(tài)，是由原來(lái)的混沌、無(wú)序結構靠外界不斷供應能量和物質(zhì)，通過(guò)量變到質(zhì)變的突變而形成的。這種結構便稱(chēng)之為“耗散結構”。自耗散結構理論問(wèn)世以來(lái)，引起了各學(xué)科理論工作者的廣泛注意，并應用于研究化學(xué)、醫學(xué)、社會(huì )學(xué)、經(jīng)濟現象等，已經(jīng)取得了許多突破性的進(jìn)展。但從根本上來(lái)說(shuō)，耗散結構理論只是對熵的研究歷程中的一個(gè)里程碑，遠遠不是盡頭。
新近在生命科學(xué)領(lǐng)域國內又興起了一股研究信息熵[4-6]、近似熵[7-10]的熱潮；亦有多人將熵的概念應用到中醫理論研究中[11]，，前景亦不容小視。
生命系統之所以能維持自身的有序，就是因為它有新陳代謝，有自由能的驅動(dòng)。在勢力學(xué)上，與無(wú)序相對抗的自由能和信息都稱(chēng)為負熵[3]，所以薛定諤曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“生命以負熵為生”——誰(shuí)如果要是不相信薛定諤的這句話(huà)，那么他可以切斷對自己生命體的負熵流的供應來(lái)體會(huì )一下，四天（象我一樣體質(zhì)差的用不了四天）不吃飯，就能體味到“生命以熵為生”的真理。
熵，一個(gè)生命的度量尺；熵，一把研究生命的利器；熵，開(kāi)啟人們認識生命之門(mén)的鑰匙。盡管作為一個(gè)藥學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，這不在我的專(zhuān)業(yè)范圍之內，但我將始終關(guān)注熵的研究，但愿人類(lèi)從本質(zhì)上認識熵、認識生命的那天盡早到來(lái)。
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