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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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生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256285]
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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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但生命真的做到了。任何一个活着的细胞都能制造出种类繁多、难以计数的生物大分子，这些大分子可以让各种物质的分子在规定的位置上以规定的速度发生规定的反应，参与反应的两个分子该以怎样的角度靠近，达到怎样的距离，再以怎样的方式交换电子，都是规定好的。无数次的化学反应都服从了规则，恰如无数的士兵服从了号令，必然在宏观上展现出一种奇妙的“主动”性：当无数个肌动蛋白同时在肌球蛋白上错动，动物的肌肉就发起了一次收缩；当无数个质子泵一起向着细胞外侧释放氢离子，植物的嫩芽就向上生长。
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当然，所谓“主动”未必都是字面意义上的“运动”，而更重要的是主动维持了生命青睐的条件。比如说，在生命的各种控制行为里，“边界控制”是相当重要的一类，它区分了系统的内与外，然后根据某种筛选规则，把可利用的低熵物质引入体内，把不可利用的高熵物质排往外界，保证自身总能汲取足够的负熵。
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就拿一个细胞来说，细胞膜是边界控制的主要结构。它主要由两层磷脂分子构成，非常薄——如果把一个普通的人体细胞扩大到足球那么大，它的细胞膜也不会比你手中这本书的纸张更厚。但是这层薄膜具有一种“两面亲水，中间疏水”的重要性质，还密密麻麻地嵌着各种各样的跨膜蛋白，后者筛选靠近细胞膜的各种物质，形成了一种严格的“选择透过性”。因此，有用的营养会充分进入细胞，参与代谢，维持生命活动，无用的废物就会即时排出细胞，不至于堆积起来造成毒害。
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为此，细胞往往需要耗费一些能量，强迫一些物质从低浓度的一侧转移到高浓度的一侧，这个过程就叫“主动运输”。比如说，细胞内部的生化反应喜欢钠离子浓度低而钾离子浓度高的环境，但细胞外的环境总是恰恰相反，钠离子浓度高而钾离子浓度低。所以我们的细胞膜上普遍镶嵌了一种叫作“钠钾泵”的通道蛋白，它会不断地消耗能量，把细胞内的钠离子泵到细胞外，同时把细胞外的钾离子泵到细胞内。细胞制造的能量至少有20%都用在这件事情上了，对于神经细胞，更有多达70%的能量因此被消耗。在第五幕里，我们还会继续讨论这件事，它与细胞膜的起源有着重大的联系。