那種通常認(rèn)為生命超越了熱力學(xué)定律的觀點(diǎn)是完全錯(cuò)誤的，真相幾乎完全相反。

作者：杰里米·英格蘭（Jeremy England）

譯者: 王培

本文來源：AEON，2017年11月1日

一

生命讓人印象如此深刻，以至于它在自然科學(xué)中為自己贏得了一席之地，那就是生物科學(xué)。盡管從物理學(xué)家的角度來看，生命物與非生命物沒有本質(zhì)區(qū)別。巖石、樹木、城市和叢林都不過是一堆物質(zhì)，能夠隨著時(shí)間的推移，在與環(huán)境交換能量時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)或者改變形狀。那么，這是否意味著物理學(xué)無法告訴我們生命是什么，以及它是何時(shí)出現(xiàn)的？或者，我們是否應(yīng)該期待有一天某個(gè)數(shù)學(xué)公式最終會(huì)像一個(gè)數(shù)學(xué)領(lǐng)域的弗蘭肯斯坦怪獸從紙上躍然而出，一勞永逸地告訴我們，這就是讓事物有了生氣和呼吸的公式？

作為一名物理學(xué)家，我喜歡在還原論與還原論經(jīng)常受到如下想法挫敗的事實(shí)之間開辟新路，即，物質(zhì)有可能逐漸形成生命。我的研究是從如下起點(diǎn)開始的：我們可以看到有很多獨(dú)立的行為能夠?qū)⑸c非生命區(qū)分開來。比如，生命從它們所在的環(huán)境中獲取能量，然后將能量用作燃料進(jìn)行繁殖。它們還能感知環(huán)境，甚至能對(duì)它們所在世界中的事物做出預(yù)測。的確，這些行為中的每一種都是獨(dú)特的，但這種獨(dú)特性也是有限的，因?yàn)槲覀兛梢栽O(shè)想非生命物也能完成同樣的任務(wù)。盡管火焰不是生命物，但它也許可以被稱為一種原始的自我復(fù)制者，因?yàn)樗梢酝ㄟ^蔓延“復(fù)制”自己。現(xiàn)在問題就變成了：物理學(xué)家能夠增進(jìn)我們對(duì)這些類生命物(life-like)行為的理解嗎?

我們逐漸發(fā)現(xiàn)，我們有理由期待答案是yes。通過從熱力學(xué)角度來思考生命，我與同事從事的理論研究試圖理解生命演化的一個(gè)新面向。當(dāng)我們把生物體設(shè)想為由一群分子構(gòu)成的事物，而能量可以流進(jìn)、流經(jīng)、流出這些分子，我們就能利用這一信息構(gòu)建生物行為的概率模型。從這一角度來講，生物的非凡能力其實(shí)也許就是一種極為廣泛的過程的極端結(jié)果，而這種過程的發(fā)生是持續(xù)的、無處不在的，從動(dòng)蕩的液體到震動(dòng)的晶體，莫不如此。通過這一過程，動(dòng)態(tài)的、能量消耗的結(jié)構(gòu)能夠逐漸微調(diào)，或者說能夠逐漸適應(yīng)自身環(huán)境。在我們居住的地球，找到與演化出來的生命形態(tài)類似的事物絕不是一件不可思議的事情，而是極有可能的，尤其是如果我們知道如何尋找這樣的事物的話。

作者: [英] 保羅·戴維斯（Paul Davies）
出品方: 中信出版·鸚鵡螺
譯者: 王培
出版年: 2019-8-15

二

人們很早就知道，生命和熱是交織在一起的。比如，摩西第一次覲見造物主的時(shí)候，被包圍在熊熊燃燒的荊棘中，但大火卻讓摩西毫發(fā)無損（譯者注：這是《舊約》中的故事，作者在這里意指這個(gè)故事違背了物理規(guī)律，是個(gè)神跡）。

在物理學(xué)中，熱是一種能量，由納米尺度的分子彼此彈射造成的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和碰撞所產(chǎn)生。地球上的很多能量都與熱有關(guān)。盡管聽上去熱只是讓分子在我們不可見的背景中四處晃動(dòng)，其他可見的行為則占據(jù)了中心位置，但實(shí)際上熱扮演著重要角色，讓某些最有趣的行為的發(fā)生成為可能。尤其，我們將發(fā)現(xiàn)，熱與時(shí)間是聯(lián)系在一起的，共跳著復(fù)雜之舞，并且正是因?yàn)闊岬尼尫抛柚沽藭r(shí)間倒流。

這個(gè)世界的有些事件似乎是不可逆的。我把球往上踢，球就會(huì)升起來；或者我從高處拋一個(gè)球，球就會(huì)掉下去。這些現(xiàn)象似乎是常識(shí)，但實(shí)際上這種成對(duì)的動(dòng)態(tài)軌跡——一種運(yùn)動(dòng)軌跡看上去像是另一種運(yùn)動(dòng)軌跡的倒序電影——代表了對(duì)稱性，而這種對(duì)稱性被寫進(jìn)了牛頓力學(xué)定律的基本數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)之中。如果你能讓某個(gè)東西沿著其運(yùn)動(dòng)軌跡反方向運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)東西的運(yùn)動(dòng)方向就是雙向的。結(jié)果，物理世界中最“常見”的現(xiàn)象就是事物能夠在事件中做反向運(yùn)動(dòng)，就像球可以升起來，也可以掉下去。

我們很難直接理解時(shí)間倒流這一對(duì)稱性的重大意義，因?yàn)槲覀兛梢钥吹酱罅渴挛锼坪鯖]有這種對(duì)稱性。綠色小嫩芽沐浴在陽光中，長成了參天大樹，但我們絕不會(huì)看到一棵成熟的松樹倒著生長（ungrow），回到球果狀態(tài)，被埋在土里。沙堡會(huì)在波浪沖擊下解體，但我們絕不會(huì)看到當(dāng)波浪退去，沙堡會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原樣。如果我們周圍無數(shù)的日常事件可以被逆轉(zhuǎn)，我們就會(huì)覺得相當(dāng)怪異。“時(shí)間之矢”似乎指向了單一方向，但原則上沒有明顯的理由認(rèn)為情況必定如此。那么，為什么我們會(huì)對(duì)“時(shí)間之矢”抱有這種看法呢？

簡而言之，我們對(duì)這個(gè)問題了解得還不夠深入。當(dāng)一塊木頭燃燒時(shí)，大量的熱和化學(xué)生成物會(huì)與環(huán)境中的空氣發(fā)生交換。要想將該事件倒轉(zhuǎn)，從木灰和阻燃物中恢復(fù)木頭原來的樣子，我們就不得不在某種程度上為木灰和環(huán)境中的每個(gè)小分子施以反作用力，讓這些分子沿著“原路”返回。然而，這種情況是不可能發(fā)生的。

很多科學(xué)觀察家已經(jīng)注意到了熱與“時(shí)間之矢”的關(guān)系。然而，只是在過去20年左右，物理學(xué)家們才對(duì)這一關(guān)系提出了新的全面的闡述。其中最重要的一項(xiàng)貢獻(xiàn)來自于現(xiàn)就職于美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、名叫加文·克魯克斯（Gavin Crooks）的物理學(xué)家。他提出了如下問題：如果我手里有一部影片（比如說，畫面是木頭燒成灰，或者某種植物正在生長），并且還有這部電影的倒序版本，我怎么知道哪一部電影中的場景更有可能真實(shí)發(fā)生呢？

通過應(yīng)用某些基本假設(shè)，他可以在數(shù)學(xué)上證明這個(gè)問題。如果你有一個(gè)系統(tǒng)（比如，一塊木頭或者一株植物），被隨機(jī)移動(dòng)的粒子“浴室”（比如，大氣）包圍，該系統(tǒng)釋放到“浴室”中的熱越多，它能做逆向運(yùn)動(dòng)的可能性就越低。從嚴(yán)格的量化層面來講，熱的耗散是我們支付給“時(shí)間之矢”的代價(jià)。

為什么這么說呢？我們可以用另一種說法來表達(dá)這一觀點(diǎn)：一個(gè)系統(tǒng)在其所在環(huán)境中增加的熵越多，它就越是不可逆。如今，我們必須得承認(rèn)，如果非要在物理學(xué)史上找出一個(gè)最受誤解的概念，熵很有可能會(huì)勝出。即便那些通常對(duì)自然科學(xué)感到厭惡的人也會(huì)脫口而出：熵——也可以說是：混亂、失調(diào)、混沌、失序，等等——必定總在增加。顯然，這就是熱力學(xué)第二定律。然而，這幅簡單的圖景不可能是正確的。比如，生物體似乎就否證了我們對(duì)熱力學(xué)第二定律的誤解。生命拾掇起無序的物質(zhì)碎片，然后將它們以極其復(fù)雜和精妙的方式組合在一起。

好在整個(gè)故事如今可以得到更詳盡的描述了?？茖W(xué)家們?cè)诩夹g(shù)和微觀意義上使用熵這一概念，將其作為一種統(tǒng)計(jì)測量方法，用以解釋同樣的物質(zhì)構(gòu)件可以采用不同的方式形成同一類物質(zhì)結(jié)構(gòu)。比如，對(duì)于一屋子的空氣而言，分子均勻地四處分散的方式要比把它們壓縮成一團(tuán)的方式多得多。這就是為什么均勻的空氣密度通常會(huì)在關(guān)于熵的游戲中獲勝，以及為什么大自然厭惡真空的原因。粒子之所以會(huì)均勻擴(kuò)散，是因?yàn)殡S著時(shí)間推移這是最有可能發(fā)生的事情。

熵與熱之間的關(guān)系則更加微妙。記住，熱是物質(zhì)中的粒子隨機(jī)擴(kuò)散產(chǎn)生的能量。能量越大，與周圍環(huán)境分享能量的方式就越多；與周圍環(huán)境分享能量的方式越多，熵就越大?；氐娇唆斂怂固岬降奶幱凇霸∈摇敝械南到y(tǒng)的例子。一個(gè)系統(tǒng)釋放的熱越多，它在其環(huán)境中增加的熵就越多，并且正如克魯克斯所表明的，這些事件的順序被倒轉(zhuǎn)的可能性也越小。

這就是熱力學(xué)第二定律的含義：一部關(guān)于熱產(chǎn)生的電影更有可能比一部關(guān)于熱倒吸的電影真實(shí)，因?yàn)檫@與熱在環(huán)境中擴(kuò)散的方式的多少有關(guān)。你往“浴室”中釋放的熱越多，你讓熱從隨機(jī)振動(dòng)中恢復(fù)到原樣的可能性就越低，并且一旦電影開始往前放，你擁有能夠讓你回溯已經(jīng)發(fā)生的步驟的能量的可能性也越低。這就好比你放出一袋子的羽毛到風(fēng)中，卻又希望能把它們?nèi)渴者M(jìn)袋子。如果你只是釋放一片羽毛，大風(fēng)有可能把它吹回給你；但如果你放出成千上萬片羽毛，要全部捕獲它們的可能性幾乎為零。

三

現(xiàn)在我們可以將生命納入這幅圖景了。顯然，生物體擁有可以消耗的能量，并且它們是通過被做功來獲取能量的。與熱類似，熱力學(xué)中的“功”涉及能量單位。但與測量分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)不同，測量生物體就是要測量有多少能量以及能量以多快的速度從環(huán)境中被轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中，而這一過程會(huì)導(dǎo)致變化的產(chǎn)生。變化的形式各種各樣，比如，移動(dòng)、體積改變和化學(xué)轉(zhuǎn)化。能量從外部環(huán)境中被逼迫、推壓或驅(qū)動(dòng)進(jìn)一個(gè)系統(tǒng)，從而將各種能量轉(zhuǎn)移過程統(tǒng)一了起來，并改變了系統(tǒng)的形狀或位置。當(dāng)你的車撞上另一輛車，后者有可能被撞開，也有可能被撞凹，或者兩者情況兼有。無論是哪種情況，你的車都對(duì)那輛車做了功。

生命極為擅長通過做功獲取能量。栽種一株植物意味著需要對(duì)它做功，這種功的量級(jí)并不比我們齊心協(xié)力將一輛貨車推上山更少。在這些情況下，牛頓定律所指涉的能量交換意味著如下兩種情況必定有一種會(huì)發(fā)生：要么所有能量作為有效功被存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，就像玩偶盒中的壓縮彈簧；要么能量作為熱被釋放到環(huán)境中。再回想一下我們之前提到過的熱的釋放與時(shí)間倒流之間的對(duì)稱性，事實(shí)上，事物做了多少功以及何時(shí)做功，這一問題對(duì)于我們有多大可能性在電影中看到哪一類事件而言至關(guān)重要。

現(xiàn)在我們知道為什么參天大樹不可能倒著生長了：因?yàn)樯鼤?huì)產(chǎn)生熱。從物理學(xué)的角度來講，一棵樹會(huì)從它生長的環(huán)境中獲取能量——樹被做了功——并且在此過程中，樹會(huì)將作為熱的能量釋放到周圍的大氣中。在這種情況下，事件是向前還是倒轉(zhuǎn)，其概率差異是很大的。即便讓一個(gè)靠光合作用生存的單細(xì)胞細(xì)菌倒著生長，其概率也是向前生長的大約10^5000億分之一！可以說，一旦做了功（以及熱開始擴(kuò)散），我們通常就不用再談?wù)摰剐螂娪傲恕?o:p>

使用一些代數(shù)學(xué)技巧，你就能利用克魯克斯的公式對(duì)如下兩種情況進(jìn)行比較：如果一個(gè)系統(tǒng)將有兩個(gè)未來事件發(fā)生，哪一個(gè)發(fā)生的可能性更大呢？是被外力推動(dòng)的可能性更大，還是被隨機(jī)振動(dòng)的分子“浴”包圍的可能性更大？事實(shí)上，這一公式可以解釋植物為何會(huì)在大氣中生長以及任何生命物的存在。所以，如果我以電擊方式點(diǎn)燃某種化學(xué)混合物，或者讓充滿粘稠液體的容器發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，再假設(shè)某些能量可以在系統(tǒng)中進(jìn)出，那么，對(duì)功和熱的思考可以幫助我預(yù)測這些事件最終是否有可能產(chǎn)生類生命物嗎？也許可以，但情況也沒那么簡單。

四

為了探究功對(duì)于生命（以及演化）如何演化的意義，我們需要作一個(gè)更形象的類比。讓我們想象有一輛可以在崎嶇山脈行駛的電動(dòng)車。從數(shù)學(xué)上講，汽車所處的位置可以被設(shè)想為對(duì)由諸多不同粒子構(gòu)成的系統(tǒng)的整個(gè)微觀結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。我們可以認(rèn)為，汽車可能在山脈停留的任何地方都是在用一種獨(dú)特而不同的方式安排所有的分子構(gòu)件，而這些構(gòu)件又組成了更大的物體。相應(yīng)地，我們不得不認(rèn)為汽車不僅有四個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，而是有10²⁵甚或更多的方向（譯者注：由起伏的山脈地形所對(duì)應(yīng)的諸多矢量）！在巨大山脈的某個(gè)地方，可能還會(huì)出現(xiàn)細(xì)菌、植物和貓。

在任一時(shí)刻，我們的汽車都會(huì)極速轉(zhuǎn)動(dòng)輪子，蜿蜒而緩慢地爬上狹窄的通道，或者快速地下降到另一個(gè)峽谷。時(shí)不時(shí)地，汽車會(huì)隨機(jī)移動(dòng)，并變換方向。這是一個(gè)很貼切的類比，說明一個(gè)系統(tǒng)可以因?yàn)槟芰慷l(fā)生改變，但它又沒有經(jīng)歷外部驅(qū)動(dòng)力對(duì)其做功。有時(shí)，汽車會(huì)爬坡，；這種情況對(duì)應(yīng)于我們的身體吸收熱并存儲(chǔ)能量，就像玩偶盒中的壓縮彈簧。有時(shí)，汽車會(huì)溜坡，我們可以把這種情況類比為當(dāng)彈簧被釋放，玩偶從盒中蹦出來。

那么，這輛電動(dòng)車最終將停在什么地方呢？直覺和更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)定律告訴我們，有兩種基本因素將發(fā)揮作用。首先，汽車更有可能回到接近出發(fā)點(diǎn)的位置，并且該出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是相對(duì)平坦的區(qū)域。其次，汽車更傾向于走下坡，而不是爬上坡。在行駛了很長時(shí)間后，我們也許可以預(yù)見，汽車四處游蕩了這么久，我們已經(jīng)不知道它的出發(fā)點(diǎn)在哪里了。但無論如何，汽車還是會(huì)盡可能避免爬坡，而更傾向于往山谷走。

為了把功加入這幅圖景，我們只需要給汽車裝上一個(gè)太陽能板就行了。當(dāng)太陽處于最明亮的位置時(shí)，就定位和角度而言，汽車輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向會(huì)更精準(zhǔn)?，F(xiàn)在，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，汽車行駛的方向明顯會(huì)變得更加復(fù)雜。除了之前提到的情況，比如，我們?nèi)匀豢梢灶A(yù)見，汽車會(huì)回到接近于出發(fā)點(diǎn)的位置，會(huì)傾向于走下坡，避免走崎嶇的地形（至少在它陷入崎嶇地形之前）；此外，我們現(xiàn)在不得不考慮汽車從頭頂上方的太陽獲得更多能量所造成的位置和時(shí)間上的變化。有些新的情況將會(huì)出現(xiàn)，比如，汽車更有可能穿過有光線照射的山丘，而不是穿過有樹蔭的平地，因?yàn)槠噺奶柅@得的額外能量會(huì)讓它呆在明亮的地方。

如果時(shí)間足夠長，我們不會(huì)再自信地認(rèn)為，我們可以在接近出發(fā)點(diǎn)的某個(gè)深谷中找到汽車；相反，如果汽車發(fā)現(xiàn)了太陽持續(xù)照射的路徑，我們就不得不考慮它會(huì)走多遠(yuǎn)，走多快。如此看來，汽車的移動(dòng)機(jī)制將受到諸多因素的影響，并且它駛向哪里將存在更多可能性。

太陽能山地車的比喻可以幫助我們思考各種類型的能夠吸收功的系統(tǒng)的演化方式。當(dāng)然，無論有多少種可能性，生命的產(chǎn)生初看起來似乎仍是無望之事。然而，一旦我們提出如下問題，即，是什么因素決定了哪些地方有光線，哪些地方?jīng)]有？情況就會(huì)有所不同了。

五

至少這個(gè)問題的部分答案來自于如下特性：一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)何以能讓自身與其所在環(huán)境的能量源關(guān)聯(lián)起來。小孩通常會(huì)注意到，酒杯被勺子敲打發(fā)出的不同聲響取決于酒杯中的水量。但還有一種不同的情況：酒杯由同樣的玻璃材質(zhì)構(gòu)成，也盛有同樣多的水量，但由于酒杯形狀不同，其發(fā)出的聲響也會(huì)不同。

這表明，物質(zhì)構(gòu)成的方式會(huì)顯著影響它運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)的傾向方式。不僅如此，這種構(gòu)成方式的細(xì)節(jié)還會(huì)影響物質(zhì)如何從其所在環(huán)境中吸收能量。試想一個(gè)歌劇演唱家用她極高的嗓音震碎一個(gè)高腳杯，這種現(xiàn)象被稱為“共振”。由于玻璃傾向于與聲音頻率完全匹配的頻率振動(dòng)，因此聲波所產(chǎn)生的能量可以讓酒杯產(chǎn)生足以使其破碎的振動(dòng)。

我們可以時(shí)常想到周圍事物的構(gòu)成方式如何影響功吸收的例子：比如，顏料分子能夠吸收和散射光，從而使得我們可以感知到它們的顏色；我們更容易消化和吸收土豆中的淀粉，而不是一捆干草中的纖維素。從化學(xué)物理學(xué)的角度來講，人類沒有能力吃草僅僅與原子構(gòu)成人類消化系統(tǒng)的方式有關(guān)。如果同樣這些碳、氮?dú)狻⒀鯕獾然瘜W(xué)物質(zhì)按照一頭牛的胃的方式被構(gòu)造，那么存儲(chǔ)在草中的化學(xué)能就能被人類消化。

當(dāng)我們把這一想法應(yīng)用到太陽能山地車時(shí)，情況就變得很有趣了。假設(shè)我們手里有一堆化學(xué)構(gòu)件，它們被隨意堆積在一起，沒有明顯的結(jié)構(gòu)，這種情況相當(dāng)于我們把山地車隨機(jī)放在山脈的某個(gè)出發(fā)點(diǎn)?，F(xiàn)在，假設(shè)我們讓這些化學(xué)構(gòu)件處于某種有壓力的外部環(huán)境中——原則上可以接觸到能量源——但只有當(dāng)化學(xué)構(gòu)件以罕見的、特殊的形狀被構(gòu)造時(shí)，它們才能真正接觸到能量源，而這種形狀正好可以解決如何吸收能量的問題。就我們已經(jīng)提到過的有無數(shù)可能的行駛方向的山地車而言，有壓力的環(huán)境就是指沒有多少陽光的地方，在這種地方，山地車只有處于正確的方向、正確的位置和正確的時(shí)間才能行進(jìn)。

當(dāng)然，我們并不容易知道山地車必定會(huì)駛向何處。但我們還是可以知道在某些特定情景下山地車會(huì)如何行駛。比如，我們可以設(shè)想山地車從一個(gè)有陽光的地方出發(fā)，急速轉(zhuǎn)動(dòng)輪子，駛向一個(gè)有陰影的新地方，在那里輪子會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。通過吸收和散發(fā)能量而不可逆地駛?cè)胄碌胤?，山地車就陷入了無法吸收能量的困境，這種情況大約等同于歌劇演唱家用高音震碎了高腳杯。剛開始，高腳杯與歌聲共振，并從歌聲中吸收了很多能量。當(dāng)高腳杯被震碎，成為一堆靜止不動(dòng)的玻璃碎片時(shí)，這些能量大部分以熱的方式散發(fā)出來。一旦出現(xiàn)這種情況，玻璃碎片就不再與歌聲發(fā)生共振，能量吸收效率也會(huì)顯著降低。

我們還可以設(shè)想相反的場景。假設(shè)我們把一個(gè)單細(xì)胞細(xì)菌放進(jìn)一大罐食物和氧氣中，大約20分鐘后，我們就應(yīng)該能看到兩個(gè)細(xì)菌，再過20分鐘，我們看到又多了兩個(gè)細(xì)菌。就短期而言，我們可以預(yù)見，細(xì)菌數(shù)量將呈幾何級(jí)增長。單個(gè)細(xì)菌利用了所在環(huán)境的化學(xué)能，并為復(fù)制自身付出了熱力學(xué)代價(jià)。由于細(xì)菌數(shù)量一直在增長，功吸收效率也會(huì)持續(xù)提升——至少在食物被耗盡以及整個(gè)繁殖過程結(jié)束之前。我們可以將這一過程與吸收陽光的山地車進(jìn)行類比。正是陽光讓山地車慢慢駛出了陰影，然后它的車輪才能加速，逐漸把它帶進(jìn)陽光更充足的地方。在這一例子中，系統(tǒng)展現(xiàn)了持續(xù)的、自我強(qiáng)化的過程，該過程可以通過從環(huán)境中吸收能量而增強(qiáng)自身能力。

需要注意的是，在對(duì)繁殖做出熱力學(xué)解釋的過程中，我們并非故意將離散的實(shí)體（比如，一個(gè)細(xì)菌）進(jìn)行自我繁殖的案例單獨(dú)挑出來作為證據(jù)。相反，自我繁殖只是某些更為一般的過程的特殊案例，這些過程呈現(xiàn)出了我們所謂的正向反饋的特征。一旦一個(gè)系統(tǒng)中事物數(shù)量的增長造成了自我增長速率的提升，正向反饋就會(huì)發(fā)生。在細(xì)胞自我繁殖的例子中，事物數(shù)量指的就是細(xì)胞本身的個(gè)數(shù)：更多數(shù)量的細(xì)胞可以更快復(fù)制更多的細(xì)胞。然而，人們也可以認(rèn)為自我強(qiáng)化行為與整個(gè)系統(tǒng)的形狀或結(jié)構(gòu)有關(guān)；在這種情況下，山地車的例子仍然是有效的。以這種方式看待生命能讓我們意識(shí)到存在著與生命類似的反饋信號(hào)，而這些反饋信號(hào)并不必然只出現(xiàn)在具有自我復(fù)制能力的生命中。

六

概述一下前面提到的要點(diǎn)。生物體設(shè)法不讓自己一產(chǎn)生就分崩離析，這是因?yàn)樗鼈儠?huì)持續(xù)在周圍環(huán)境中增加熵。而熵之所以會(huì)增加，是因?yàn)樯矬w的分子結(jié)構(gòu)讓它們吸收了作為功的能量，同時(shí)又將能量作為熱釋放。在某些條件下，這種吸收能量的能力使得生物體（以及其他系統(tǒng)）優(yōu)化了自身結(jié)構(gòu)，從而能夠吸收更多的能量，同時(shí)在這一過程中釋放更多的熱。這一切都強(qiáng)化了正向反饋循環(huán)，而該循環(huán)使得人類感知到自己在時(shí)間中不斷演化，同時(shí)又符合被擴(kuò)展了的熱力學(xué)第二定律。

這一過程在類似振動(dòng)的玻璃杯的例子中具有特殊重要性。在該例子中，環(huán)境的能量源代表了一種特定的壓力，以至于該系統(tǒng)（玻璃杯）只能在具有合適形狀的前提下才能吸收能量。這相當(dāng)于我們的山地車找到了微弱的光線，并設(shè)法駛往正確的方向，從而持續(xù)呆在光線充足的地方。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的某種東西能讓系統(tǒng)在有壓力的環(huán)境中使用被吸收的能量來提供反饋循環(huán)，你最終就會(huì)發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)隨著時(shí)間推移能逐漸演化出精良的、特定的、可以吸收能量的形狀。如果你將不同的玻璃杯在女高音歌唱家面前放足夠長的時(shí)間，最終哪個(gè)玻璃杯會(huì)被震碎取決于歌唱家選擇唱出哪個(gè)高音調(diào)。

在我的研究小組關(guān)于這個(gè)課題的第一篇理論論文中，我們提到了這種作為耗散適應(yīng)（dissipative adaptation）的自組織機(jī)制。最近，我們用電腦模擬法對(duì)這一理論進(jìn)行了兩項(xiàng)測試。在第一項(xiàng)測試中，我們以漂浮在粘稠液體上的簡單點(diǎn)狀混合物作為模擬對(duì)象。為了讓環(huán)境更有壓力，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的規(guī)則：每一對(duì)點(diǎn)狀物要由能夠伸縮的彈簧連接起來，而當(dāng)這一對(duì)點(diǎn)狀物彼此靠近時(shí)，彈簧處于連接還是脫鉤狀態(tài)是隨機(jī)的。然后，我們抽取了20對(duì)點(diǎn)狀物，用單一頻率對(duì)其施以振動(dòng)力。

接下來我們就看到了有趣的事情。由于彈簧是隨機(jī)連接或脫鉤的，一個(gè)特定的糾纏聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)就此形成了。這些聯(lián)結(jié)傾向于以外力的頻率振動(dòng)，因此它們會(huì)吸收極大的能量。相反，當(dāng)我們重新設(shè)計(jì)，讓彈簧在伸縮時(shí)更容易脫鉤，我們就看到了截然不同的情況，就像被歌劇演唱家的高音震碎的玻璃杯，所形成的網(wǎng)絡(luò)做出了調(diào)整，不再按照外力的頻率進(jìn)行振動(dòng)。也即是說，點(diǎn)狀物調(diào)整了它們的結(jié)構(gòu)，使得自身無法吸收能量。

在第二項(xiàng)測試中，我們得到了類似的結(jié)果。在該測試中，我們將從一開始就把隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的一堆原子放在豐富而又有壓力的能量源中，而這些能量源只能被這些特定的原子堆獲取。在讓這些原子進(jìn)行長時(shí)間化學(xué)反應(yīng)后，得到的化學(xué)成分要么傾向于極為不擅長，要么傾向于極為擅長吸收能量。換句話說，該系統(tǒng)呈現(xiàn)出一種傾向，即，發(fā)現(xiàn)并停留于某種狀態(tài)，而這種狀態(tài)看上去很適應(yīng)該系統(tǒng)所處的環(huán)境。

在這兩項(xiàng)測試中，關(guān)鍵點(diǎn)并不在于所有物質(zhì)都會(huì)試圖一直吸收和散發(fā)更多能量，也不在于熱力學(xué)第二定律奇跡般地造成了有序結(jié)構(gòu)的形成，而這種結(jié)構(gòu)更擅長于導(dǎo)致熵增。相反，當(dāng)粒子在由能量源所產(chǎn)生的壓力環(huán)境下互動(dòng)時(shí)，它們傾向于根據(jù)能量源進(jìn)行調(diào)整，并生成最終的形狀——盡管這一過程缺少了自我復(fù)制和自然選擇環(huán)節(jié)。

正如現(xiàn)實(shí)情況所示，生物體極為復(fù)雜，同時(shí)又極為擅長應(yīng)對(duì)環(huán)境的挑戰(zhàn)。我們知道，這是因?yàn)槲覀兘裉炜吹降纳呀?jīng)遺傳了很多結(jié)構(gòu)和行為調(diào)整能力，而這種能力已經(jīng)被證明對(duì)于我們的祖先是非常有用的。在生物學(xué)的語境下，“有用”是指具有生存和自我繁殖能力。然而，我們已經(jīng)談到的熱力學(xué)思維所產(chǎn)生的初步成果——這也是我們這些科學(xué)家渴望用模擬和實(shí)驗(yàn)來探索的課題——是這樣一種可能性，即，形成生物體的某些獨(dú)特的生命特征，以及能讓生物體進(jìn)食、生存和繁殖的東西，也許可以在更廣泛的物理系統(tǒng)中找到，而這些系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生自我復(fù)制的“自我”（譯者注：也即生命）。相反，它們會(huì)受到熱力學(xué)定律的影響，在面對(duì)有壓力的能量源時(shí)，通過正向反饋傾向于形成非常特殊的形狀（譯者注：比如，雪花的形狀）。這一過程也許能夠解釋演化是如何在惰性物質(zhì)中進(jìn)行的。

我們尚不清楚這一理論最終能否或多或少幫助我們?cè)谖⒂^層面理解生物體，畢竟，仍有大量的研究工作要做。但我們對(duì)于熱力學(xué)的新洞見揭示出，有相當(dāng)多未知的、似乎隨機(jī)的形狀和結(jié)構(gòu)有出人意料的概率能夠產(chǎn)生非常有趣的物體——也許我們已經(jīng)占領(lǐng)了由這些物體所組成的巍峨群山的巔峰，并將一根小旗桿插在了上面，旗上寫著“人類”二字。

關(guān)于作者：

杰里米·英格蘭是麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授。他的研究已經(jīng)發(fā)表在Nature Nanotechnology和Proceedings to the National Academy of Sciences等頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊。他對(duì)類生命行為形成機(jī)制的研究成果在Scientific American、Quanta Magazine、Nautilus等著名科普期刊中被廣泛報(bào)道。學(xué)術(shù)界認(rèn)為他很有可能成為“新時(shí)代的達(dá)爾文”。