用热力学定律看生命现象 —麦克斯韦妖随笔之九

"一个有生命的系统，必然要从外界吸纳高品质的能量，来维护系统的变化与运行，并形成一个稳定的低熵区域。"

01 看池中的一条小鱼

女儿所在的小区离我很近，我常去那儿。

小区里有曲曲折折的一湾池塘。半塘青青的芦苇，时有蜻蜓、蝴蝶在上面飞舞；数眼喷泉，有时还造出了弯弯的彩桥。塘边树影幢幢，垂柳依依，树下有白色铁艺的圆桌和靠椅，我经常静坐在那儿，看着池中游弋的小鱼。

池里的小鱼，一群一群的，在水边觅食、嬉戏。你若盯住其中的一条细察，它时儿独处，时儿随群；时儿浮到水面，时儿又潜入池底，刹那离开了视线，倏忽又出现在眼前。可谓鱼翔浅底，自由自在，令人羡慕。

如果用热力学的眼光来看一条鱼，能看出什么名堂呢？

首先，它是一个热力学开放系统。

这条小鱼也是由巨量的分子、原子构成的，是一个有生命的热力学系统。这个系统不是孤立的，它与外界有能量与物质的交换，是一个开放的热力学系统。由于“开放”，不会像孤立的热力学系统那样，熵值不断地增大，而是能大致保持不变。

其次，有“麦克斯韦妖”在工作。

大家都知道，如果把鱼与周围环境隔离开来，它很快就死掉了。为了维护体内稳定、有序的运行，像是有一个麦克斯韦妖在努力工作，维持了这条鱼的低熵的有序状态，也就是维持了它的生命。

第三，是两种运动的抗衡。

系统内像是包含两种运动：一方面是系统固有的“自在运动”，这像是系统的一种“惯性”，各微小成员之间的相互碰撞，运动的趋势是扩散和分离，消除系统内的各种差别，使系统的熵值增大，使这条鱼渐渐衰老，走向生命的终点；一方面是系统内“小妖”的不断努力，产生的“有序运动”，使微小成员运动有一种定向趋势，或分类，或聚集，维持系统内的差异与秩序，在稳定低熵的状态下。

若对前述“小妖的工作室”做一点改造，就可以比较形象地理解上述的情形。

在“小妖工作室”中间隔板原阀门下面加开一个小孔，隔板上就有了上下两个小孔。

上面的小孔，有阀门，小妖守着，操纵阀门的开关，建立秩序、产生差异、导致系统熵减，是“有序运动”；下面的小孔，无阀门，左右两室的分子可自由地“串门”，使两室的差别减少，使熵增大，是“自在运动”。

这条鱼吞噬的食物，获得氧气，生成高品质能量，维持机体的“有序运动”，就是维持了这条鱼的生命，就像是上孔；另一方面，由于机体本身的的“自在运动”会有熵增，机体零件的老化也会使机体的运作出现熵增，相当于下孔，使体内的熵在不断地增加。

这条鱼活着，就是这“有序”和“自在”的两种运动的抗衡，或者说熵减与熵增的抗衡，这种抗衡决定了这个生命个体的寿命，其实，任何一个生命个体都是这样的，人类也不例外。

第四，熵与生命相关。

生命就是高度有序的物质运动形式的一种表现，是系统维持了稳定的低熵的状态才出现的现象。如果切断系统与外界的交换，那就只存在“自在运动”，系统的熵值很快达到最大，这条鱼也就一命呜呼了。

原本无生命的物理学，通过熵的概念，进入生命领域，这是一个重大突破。

02 两只龟的区别

书柜的边沿，搁置了一只石刻的小乌龟，虽说不上鬼斧神工，但也神形兼备，栩栩如生。你盯着它一会儿，它就活了：探头，瞪眼，悄察四周，前腿蹬地，欲匍匐前行。

我就想，如果从热力学的眼光来看，这只小石龟与一只真乌龟区别在哪里呢？

物理学通常研究的是非生命的物质系统，热力学作为物理学的一个分支，它的对象通常也与生命无关。生命是一个复杂又神奇的自然现象。但是，无论什么样的物质系统总要遵循热力学规律，因此，我们就可以用热力学去考察一下有生命与无生命的两类物质系统之间的区别，从热力学理论也许能够找出关于“生命是什么”的端倪。

从物理学的视角来看这两只龟，至少有三个方面的明显区别。

首先，从系统上看。

小石龟是一个封闭系统，处于热平衡态，是没有什么变化的“死”系统；活龟是一个开放系统，总处于非平衡态，是远离平衡态的“活”系统。

其次，从能量上看。

小石龟与外界没有能量与物质的交换；活龟吞噬食物和水，吸纳氧气，体内会发生复杂的生化反应，有定向的物质流动，能把食物中的化学能转化为肢体与脏器运动的能量，并向体外排泄废物，与外界有能量与物质的交换。

再其次，从熵值看。

小石龟“体内”是均匀的无差别、无变化的一个不变的系统，体内物质分布均匀，微观态数不变，其熵值总是处于最大值。任意交换体内的两个大小相当的部分，不会改变其宏观态；对于活龟来说，它的体内有精巧的组织结构，精确的分工和有序的运作，是处于一种稳定的低熵状态，任意交换两个小部分，其状态就不一样了。

还有，石龟的体内没有麦克斯韦小妖，其熵不变，而活龟的体内像有一个麦克斯韦小妖在不停地工作，持续地维持体内的低熵状态。

地球生物圈内也可以看作是存在着生命活动的一个大开放系统。它吸收太阳热辐射的高品质的能量，在这个圈内实现复杂的生化反应，把吸收的太阳能大多退化为低品质的热能，辐射到周围的太空中去。地球生物圈成了一个熵值几乎稳定不变的低熵域，正是这样的区域，维持了生命体的存在和进化。

绿色植物吸收大气中的二氧化碳和土壤里的水分，凭借阳光提供的高品质的能量，合成了糖类、淀粉和纤维素，这一过程称作光合作用。这种作用使能量形式发生了的转化，创造了新的秩序，降低了系统的熵值，形成一个稳定的低熵区域。

一个活的生命体，一株绿色的植物，地球的生物圈。它们自身的能量可以不发生什么变化，然而，通过它们的能量，其品质却发生了由“高”到“低”变化。能量的这种变化维持了一个生命体在空间结构上的有序性，在时间上的持续性，正是这种稳定的低熵状态，使得生命能够存在。

03 物理学家看生命

1943年2月，薛定谔在爱尔兰都柏林三一学院，连续作了几次报告，他以物理学家的眼光，来阐述生命问题。1944年，他把报告的内容撰写了《生命是什么——活细胞物理学观》一书。

薛定谔是量子理论的创始人之一，诺贝尔物理奖获得者（可参阅《薛定谔猫随笔之七》），他认为物质世界是和谐统一的，是可以理解的。当然可以用物理理论对生命现象提出看法。他把生命机体看作是一个热力学系统，从分子水平来探讨生命特点，用“负熵”概念来揭示生命本质，对生命现象发表了精湛的见解，开拓了一条研究生命世界的新途径。

在他的书中，有这样一段话：“一个生命有机体在不断地增加它的熵——你或者可以说是在增加正熵——并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死亡。要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是不断地从环境中汲取负熵。我们马上就会明白负熵是十分积极的东西，有机体就是赖以负熵为生的。”还说：“活着的生物，比如人，是一个开放的非平衡态系统。人不断地新陈代谢，当然也不断地产生熵，为了摆脱死亡，就必然要从环境中吸收‘负熵’，也就是汲取有序，使自己免于衰变为混沌的原子。”

薛定谔是把生命有机体看作一个“活”的热力学开放系统。这个系统之所以是“活”的，就是能从外界吸纳“负熵”，使自身保持在一个稳定的低熵水平上，维持自身的持续地进行行走、呼吸、新陈代谢等各种形式的运动，并延缓向热平衡态的过渡。如果把一个生命体从它的环境中隔离出来，其内部的混乱就会加大，即熵值增大，体内的序——电动势、化学势、温差、压差也随之渐渐消失，有序运作就会逐步趋于停顿，系统走向平衡态，系统就“死”了，将变成了一堆无序、混乱的无生命物质。

一个开放的物质系统中存在生命，薛定谔引入了“负熵”概念来解释这种现象。这里所指的“负熵”，是与“正熵”相对的东西，就像“有序”与“混乱”相对的概念那样。薛定谔所说的“汲取”负熵，不是有机体直接从环境中吸纳到了“有序”，而是生命体通过从外界食物获得的能量，在体内发生反应，相当于是麦克斯韦妖的作用，创建了“有序”，来“抵消”系统内不断出现的正熵。这里用“有序”来“抵消”正熵，这“有序”显然就有了“负熵”的味道。

其实，无论是克劳修斯还是玻尔兹曼关于熵的定义，一个系统的熵值可以减少或增大，但不会出现负值，前面我们提到过绝对零度下的晶体，分子、原子都冻结了，没有热运动了，系统只有一个态，W=1，系统的熵值为零，也不会出现负值。在通常情况下热力学系统的微观态数都是千万亿亿个，因此按照玻尔兹曼的定义计算，熵值总是正的。世上也没有负熵的食物，如果真有，那么生命机体吃了这种食物直接就对消了体内的熵增，而永远年轻，这大概是世上最好的能长生不老的灵丹妙药了。

世界上没有这样的灵丹妙药。系统外的食物进入生命体内，虽然大多是大分子的低熵食物，但总会有一些不能消化食物，而且进食是系统的成员增加了，这也会使系统内熵值增加，正因为如此，薛定谔的“负熵”概念，自提出后备受科学家的质疑，有人认为是多余的概念，没有带来新意，没有独立的存在的必要。

然而，对于“负熵”概念，也可以这样来理解，既然微观态数W表示系统的“混乱”，那么，1/W就可以作为“有序”的一个直接量度。我们对一个系统混乱的量度，可以从混乱的程度考察，当然也可以用有序的程度来考察。这有点像对一个篮球运动员3分球的投掷水准的考量，只要规定一定的投掷的数目，看他投进了多少，或者看他失误了多少，都是可以对他的3分球水准进行考量的。因此，用1/W作为系统有序的量度当然是可行的。

前文已经说过，一个热力学系统，W可以直接作为熵值的量度，但这个数目很大，为了使用中方便，玻尔兹曼对熵的定义式中引入了对数。如果用1/W来计量系统的有序，也取对数，就出现了负值，按玻尔兹曼的定义就有：－S = kLog1/w，在原来的熵前面多出了一个“－”号，这样称作“负熵”就一点也不奇怪了。

我想，如果定义熵时不引入对数，也许薛定谔先生就不会提出“负熵”这一说法。

由此可见，熵是系统混乱的量度，负熵只不过是系统有序的量度。这是从系统的“混乱”和“有序”两个相对的角度来考察系统的同一个性质，好像并没有给系统描述带来什么新东西。但是这样的概念也没有必要放弃，这就像说一张白纸，看它白还是不白，可以用白的参考表来考量，当然也可以用黑的参考表来考量，两种考量应当是等价的，但是方法多了，表述丰富了，不同的场合可以使用不同的量度标准，这就有了它们存在的价值。

04  用热力学规律看人体

人体当然也可以算作是遵循热力学定律的开放系统。

用热力学第一定律来看人体，人体就像一台热机：吃进食物、吸纳氧气（热机吞进燃料和氧气）；人的身躯和脏器在运动做功（热机的曲柄、连杆、活塞运动做功）；人向周围不断的辐射热量，还排泄废物（热机的散热器排出废物、废气）。人们常说，“人从食物中摄取能量维持生命”，细究这句话并不准确，事实上，一个成年人在常态下能量大体上处于平衡。一天中通过食物氧化产生的能量，就应当等于机体各种运动消耗的能量再加上排出体外的能量。这里能量的“质”发生了变化，而能量的“量”基本不变，可以说是守恒的。健康的人体只是能量的一个转运站，不断地流进和流出，体内并不积存能量，处于相对平衡的状态。

热二定律对于人体也适用。一个活人，吃进食物，吸进空气，这些物质进入体内后，是增加了机体内的熵值，但因吃进的是高品质能量的低熵食物，排出的是低品质能量的高熵废物。这种“高”与“低”的相互转化，维持了体内有序的运动，形成了体内的熵不增大的稳定区域，然而周围世界的熵还是增大了，其实，任何一个活的生物，都在增加宇宙的熵。

我们再用热力学定律来分析一下人体的衰老和死亡。

生物意义上的衰老是指有机体内组织结构中一种渐渐老化的过程。我们在日常生活中，有时甚至没有感到这一过程的进行，而事实上我们的体内却是时刻经历着这种变化。年纪大了，这种变化就慢慢地显现出来了，无论从外表、内脏都会感到机体的衰老。花白了的头发，额头上的皱褶，口腔内的假牙；眼睛看不清，耳朵听不清，说话说不清；反应迟缓，步履蹒跚，实际上任何人的衰老都是不可避免的。

人体为什么会衰老，迄今为止，只有一些零星的推测，有关生命的老化问题，还没有一个综合的、明确的科学理论作全面说明。学术界较为一致的看法是：至今也没有人知道是什么原因引起人变老，而且必然趋向死亡。然而，从热力学的角度看，可以给出一个大体上的肯定答案，就是生物体内总是存在着的“自在运动”，使人体不断地出现增熵，不可避免也无法抗拒，以至体内的麦克斯韦妖制造的“有序运动”也无法抵消，这就形成了不可逆生物的衰老过程。

一个有生命的躯体，构成这个身躯的分子等微观粒子总是存在着两种运动形态：一种是聚集的，定向的，这是由于机体吸纳外界的能量，支持着体内进行的复杂的生化反应，按照自然界预先设定的指令，逐步形成了机体的结构和秩序，并能维持正常的运行；一种是离散的，这是由于分子间始终存在的相互碰撞的扩散的趋势，或者说系统中分子总是倾向于向着包含微观态数目大的宏观态运动的趋势，这永远是一个不可逆的过程。

前一种是“有序运动”，是生命存在的前提；后一种是“自在运动”的自然过程，这就是生命体必然会衰老的缘由。任何一个生命的过程，就是在这两种运动的抗衡中实现和完成的。

在物理学领域中，“可逆性”有一个明确的意思，就是能将一个系统完全恢复到它的初始状态，而在它的周围环境中也不会留下一丝痕迹，这就是一个可逆现象，而任何生物过程都不可能会出现这样的情形，因此都是不可逆的过程，永远年轻，长生不老只能是一种幻想。

正如诺贝尔化学奖获得者普里高津所指出的那样：“生命是与熵产生联系在一起，因此它也与不可逆过程联系在一起。”无论用什么方法，也不可能逆转这个过程。

05 熵与人体的健康

如果把人体看作一个热力学系统，按玻尔兹曼的定义，系统某个时刻的宏观态所包含的微观态数W就对应系统此时的熵值。因为不同的宏观态具有微观态数的数目不同，即有不同的熵值，正如前文中说过的那样，熵（或W的值）可以作为系统的一个态函数，来区别系统的不同状态。

对于一个健康的人来说，其所处的状态，应是一个相对较小的微观态数构成的宏观态。一个人会有幼年、少年、青年、中年、老年不同的阶段，由于体内不断进行着的不可逆过程，导致了不可抗拒的衰变，熵值也会逐渐地增大，因此相比不同阶段的健康人体，所对应的微观态数会随之增大。当人体内的微观态数达到最大值Wm时，就表示这个生命机体走到了终点，从这个意义上看，熵增就决定着一个人的健康状况和生命长度。

人体在几百万年的进化过程中，总会尽量地延续自身的生命长度，延续自己的种群在宇宙中的存活时间，为免于自身死亡而进行抗争，纵观生物界，这似乎是上帝给予每一个物种的一种使命。

一些杰出的物理学家的研究表明，上帝在创造这个世界的时候，设置了某些原理，让这个世界的运动遵从一定的法则：让光的运动按照时间最小的费马原理，让一个物体的机械运动的作用量取最小值的哈密顿原理（可参阅《拉普拉斯妖随笔之二》）。由此，人们就联想到，上帝是否也提出了一个什么原理，作为生命活动必须遵从的法则呢？

对照上面的两个原理，有学者就提出“生命以熵增最小而活”的原理。原理说，一个生物体在其全部的生命活动中，是以熵增为最小来展开自己的生命过程的。虽然这个原理要像上述两个原理那样，用严格的数学形式来表述也许是困难的，但我相信这个原理的存在，理由有以下两条：

一是人类在几百万年的进化中，因为体内获得了的这种抑制熵增的能力，才有了顽强的生命力，克服生命活动中遭遇的许多灾难与障碍，使得人类在地球上有了几百万年的延续，这就是存在着“生命以熵增最小而活”这个原理的佐证；

二是当人体内出现了不适和异常时，体内出现了混乱，熵值一定是增大了，机体就会尽量地遏制体内熵的持续增大，使机体回复到稳定的健康的相应微观态数较小的那个状态，这种机体具有的自我修复能力，就是“生命以熵增最小而活”的原理在起作用。

一个真实的生命活动过程，总是让熵增最小，这是上帝赋予人类最为重要、也最为宝贵的健康资源——使人体具有一种抑制熵增，自我维护、恢复健康的能力。世界卫生组织提出的健康四大基石“合理膳食、适量运动、戒烟限酒、心理平稳”就是为了强化和巩固这种抑制熵增的能力，维护好这一份最重要的健康资源。

我们每个人几乎都有这样的经验，通常情况下的小毛小病就可以不用去医院，休息几天就恢复了。这就是这种自我修复能力存在的证明。相反的情况下，如果有一点小病就去找医生，打针吃药，过度治疗，甚至把药物当作食物来吃，常此以往，自身的这种自我的修复能力就可能长期不能发挥作用而降退了，从而也就削弱了对于外部侵扰的防御能力。经常听到不少百岁老人，坚持劳动和锻炼，心情愉悦，生活规律，他们通常不是医院的常客。

所谓疾病，从热力学的视角看，就是人体内由于某种原因，比之于健康时的微观态数增大了，熵值变大了，体内的秩序出现了混乱。因此，一切治疗都是为了降低无序，使身体恢复到常态。一个好的医生是帮助病人恢复体内秩序，一个好的医院就是为芸芸众生减熵。

06 从温度、心理等看人体的熵变

把人体看作一个热力学系统，若温度发生了变化，分子运动也随之发生了变化，熵值就会增大或减小。因此人体的温度会影响人体的熵值，显然也就会与人的健康直接相关。

如果体温升高，组成身体的物质微粒的无规运动加大，不确定加大，熵值增大，体内的混乱会随之增大，在一定的生理运行的范围内，体内的自修复能力会对这种熵增引起的混乱进行抗争，作出应急反应使体温下降，使熵增降低。如果体温超过了生理运行的范围，抗争失效，体温将进一步升高，当升到足够高时，人体无法很快散去热量，新陈代谢混乱，熵值剧增，导致人的死亡。同样，当体温太低时，体内的生化反应也将变慢或者停滞，以致无法维持正常生理运行，也就不能很好地补充生命活动必要的能量，因此在低温下也同样会引起体内的紊乱，导致死亡。

人类在漫长的进化过程中，在地球上较稳定的环境里，获得了37度左右体温，作为自身适宜的温度，而过高与过低的体温都不适合于人类的生存。当体温超过41度时，人体的肝、肾、脑等器官将发生功能性障碍，连续几天的42度高烧，人体的熵就趋近最大，足以使人死去；当人的体温下降到35度时，死亡率为30%；低于25度时，体内的生命运动将渐渐停止，生还希望非常渺茫。

人生活在37度左右的体温范围内，用热力学的理论来看，相对较低的体温体内的熵值也应较低。由此我猜想，在健康的人群中，常年体温比37度稍低的人，应当较为健康，免疫力也会好一些，长年进行冷水浴和冬泳锻炼的人，这是用物理方法，直接降低体内的熵值，应当是有利于健康的。据说，早年北大校长、著名学者马寅初先生长年坚持冷水浴，身体健康，寿逾百岁。

除了温度影响体内的熵变，影响身体的健康外，机体非正常的体积增大——就像容器的体积增大，器内气体分子的熵增大那样——体内的熵值也会增大，比如过度肥胖、皮肤表面的红肿，脏器内出现的斑块，肠胃里出现了多余而不能消化的食物、各种肿瘤等异物，都使身体熵值增大，而导致健康受损。

社会、心理等因素，也会使人体内的熵值发生变化，影响健康。

有这样一些人，要做的事情很多，总是处在紧张、忙乱的工作状态中，他们把越来越多的事情，想塞到越来越少的时间中去完成，前一个事情还没有完成，就想着如何能尽快地进入下一件事情，在日常生活中，他们也总是慌慌张张，“鞋带没有系好，就上了球场”、“大门关上了才想到了没有带钥匙和没有关煤气”、“离开了实验室却忘了关闭电源”等等，这些小事往往会造成严重的后果。这是一种高熵的生活状态，会对健康造成损害，容易出现突发心脏病、肠胃溃疡、精神崩溃等病症。

有这样一些人，长年处于一种抑郁的思想情绪之中，他们焦虑，对生活失去信心，看不到生活中的乐趣，看不到鲜花和阳光，这使他的内心世界生出较多的熵，这类人容易罹患忧郁、神经、消化等疾病。

还有一些人，总是处在亢奋、激动、燥热甚至疯狂的状态中，容易冲动、喜怒无常，这也是处于无序混乱的高熵状态中，他们的健康也容易出现问题。

有一种人，他们生活有目标，总是在专注做好自己的事情，生活有节奏有规律，工作的效率高，心态平和从容，健康状况良好，这就是一种低熵的生活状态。

有一种人，经常是处于冷静、平静的状态。做事情有目标、有计划、有准备，张而有序，弛而有度，对生活表现了更多的睿智，总能知道自己在什么时候该做什么，这种人通常是工作中取得了好的成绩，身体也较常人健康，这就是一类低熵的人群。

每个人的生命只有一次，生命是宝贵的，而每个人都有一次，因此也是平等的。然而，不同的人的机体其熵增的平均速率却是不一样的，熵增到极大，生命就完结了。熵增平均速率不一样的原因有遗传的、自然的、社会的，环境的，也有家庭和个人的，造成这种种不一样的缘由，也就有了关于这个大千世界里不同生命的种种不同境遇。