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你看,两个定义几乎一模一样!所以这一章开头的定义就可以大幅简化一下了:
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生命是耗散结构。
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但我们刚刚说过,生命与耗散结构并不是一回事,生命并非唯一的耗散结构。对此,我们不妨举一个最简单的例子——水流中的漩涡。
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图2—4 1977年的诺贝尔化学奖颁给伊利亚·普里高津(Ilya Prigogine,1917—2003),因他“对非平衡态热力学的贡献,特别是提出了耗散结构论”。
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图2—5 大气流动同样可能产生卡门涡街(Kármán vortex street)。这是智利海域的云层经过鲁滨逊·克鲁索岛时气流受阻形成的卡门涡街。(来自NASA)
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凡是盯着流水发过呆的人,都会注意到绕过障碍物之后水流会出现漩涡。实际上,如果障碍物的形状比较规整,我们还常会看到两个漩涡一摇一摆周期交替地伸展下去,形成一种独特的有序图案,它被称为“卡门涡街”[8]。
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这些漩涡结构如此有序,显然远离了平衡态,如果出现在开阔而平静的水面上,立刻就会平复下去,但在急流里的障碍附近,漩涡却会长久地维持下去,“滩下轻舟未可行,山脚盘涡似车辋”——这是为什么?
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是因为负熵:在漩涡的上游,水流明显地更加平稳,熵更低;在漩涡的下游,水流混乱得多,熵明显升高了。那么正如上一节里关于茶会的讨论,进入漩涡的是低熵的水流,离开漩涡的是高熵的水流,漩涡获得的一定是负熵。所以这些漩涡同样是典型的耗散结构。
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既然提到了上一节的茶会,我们就再来说说面包和空气,它们也同样是经典的例子。面包和空气固然可以作为人体的营养,在新陈代谢中给生命提供负熵,但是,这个组合也同样可以给别的东西提供负熵:在空气中加热面包,达到410℃左右,我们就会发现那面包迅速地焦黑、冒烟,然后忽地蹿出一缕火焰,烧了起来。
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火焰是些非常高温的气体[9],温度高得甚至发出了光,这样的东西出现在空气里势必极端地远离平衡态,本应该一瞬间就辐散掉,好让整个环境的温度均匀升高。但这火焰却越烧越旺,逐渐把整条面包都笼罩在熊熊烈焰之中。这都是因为火焰一边吞噬面包和空气这个低熵的组合,一边释放高温的水蒸气和二氧化碳这个高熵的组合,由此获得了强劲的负熵。所以火焰也是典型的耗散结构。
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除了漩涡与火焰,在氧化还原的化学反应中,在人类的社会组织中,在全球海洋环流运动中,在恒星大气的对流结构中,在星际气体的引力坍缩中,这样的例子数也数不清,“耗散结构”这个称谓虽然有些陌生,但也绝不是什么罕见的事物。
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但强烈的直觉也告诉我们,这些随处可见的耗散结构实在太简单了,绝不能与复杂的生命同日而语。比如说,那些漩涡、火焰都是非常“被动”的东西,如果不放在恰当的流场里,如果没有足够的燃烧反应物,就会立刻消失。我们不能想象一个漩涡跨越一片死水去寻找更加湍急的水流,也不能想象一团火焰四处奔跑寻找可燃的物质。但生命不是这样,幼苗从黑暗的缝隙里蔓延出来向着高处的阳光攀缘,蚂蚁在空旷的地面上搜寻食物的碎屑,却是生命现象里最平凡的一幕,哪怕最简单的单细胞生物,都会“主动”向着环境更适宜的地方运动——比如序幕里的眼虫,它们会凭借眼点和鞭毛向着光照更充分的地方游。
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所以薛定谔给出的关于生命的定义并不完备,在“生命是耗散结构”之后,我们势必还要追问“生命与其他的耗散结构有什么不同”,或者问得更直接一些,“生命那种‘主动’是哪来的?”
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图2—6 丹尼尔·井上太阳望远镜(Daniel Ken Inouye Solar Telescope)拍摄的太阳光球层的米粒组织(granulation),这是那里的等离子体持续对流形成的耗散结构。
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·控制·
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对于这个问题,这本书给你的回答是这样一句话:
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生命是一个控制系统,它的控制对象是它的自身,它的控制效果是令自身持存。
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“控制系统”原本是一个工程学上的概念,顾名思义,这种系统用来控制某个对象,使对象的变化遵守某种规则。最简单的控制系统,比如空调,它的控制对象就是室温,规则就是“把室温升高或降低到设定的数值”。而复杂的控制系统往往出现在工厂里的流水线上,比如在一家现代化的食品加工厂,每一种原料应该保存在怎样的温度和湿度下,不同的原料应该以怎样的速度抵达传送带,传送带上的原料应该送去哪台机器,机器上应该如何处理各种原料,处理好的原料应该以怎样的次序混合……无不在控制系统的支配下井然有序。
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但这个概念早已脱离了工程学的范畴,而成为系统科学的研究对象。这样一来,我们就不得不承认生命才是已知世界里最了不得的控制系统。生命体内充满了各种各样的调节机制和反馈机制,它们让构成自身的各种物质全都遵照一套严密的规则,在恰当的位置上发生恰当的反应,生命正是因此得以持存——在某种程度上,你可以把这看作过去半个多世纪以来,生物化学、细胞生物学、分子生物学、结构生物学、发育生物学、神经生物学、生理学……生命科学诸领域里的新发现的概括。
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这的确是一件非常惊人的事情。因为生命是一个基于有机化学反应的耗散结构,而有机化学反应千变万化,哪怕看起来非常简单的反应物,也能同时发生数不清的各不相同的反应,要让这样的东西服从“严密的规则”,对人类来说是不可能完成的任务。
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