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1700263966 图增—30 库米定律的拟合曲线。库米定律很像摩尔定律,但后者指的是计算性能,不考虑能效。
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1700263968 也就是说,在无限的计算量面前,可逆计算机必须把一部分计算变成不可逆的,主动耗散一部分能量,才能持续不断地计算下去。所以在现实的世界里,绝对的可逆计算机就像绝对零度,我们只能不断逼近它,却不能最终抵达它[13],所以即便有了量子计算机,麦克斯韦妖也不可能推翻热力学第二定律,永动机不能实现,生命也不能不摄取养分。
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1700263970 终于,我们登上了孤山,得到了下半章一直在寻找的结论:无论可逆还是不可逆,持续不断的计算都会不可避免地耗散能量。
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1700263972 DNA聚合酶已经明白无误地适用于不可逆的情形,RNA聚合酶则毫无疑问地印证了可逆的情形:RNA聚合酶虽然能催化可逆的反应,但它只有回退的时候才能实现这种可逆,如果要避免能量耗散而在前进和后退之间不断徘徊,那它就会停在模板链的某处,催化反应也就停止了。
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1700263974 但等待转录的DNA无穷无尽,需要合成的蛋白质也无穷无尽,所以RNA聚合酶必须不断向右前进,不再回退到左边去。这样一来,聚合左边那些RNA消耗的能量也就真的耗散了。
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1700263976 当然,这个结论也不只适用于两种聚合酶而已,我们在上半章里看到的一切酶促反应,一切定向运输,一切生命活动,也都是计算机,也都适用这个结论。生命要持存,就要持续不断地计算自己,就会不可避免地耗散能量,就必须“汲取负熵”。
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1700263978 就这样,我们回到了这则增章的开头,得到了后半个结论:
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1700263980 生命作为一个控制系统,要在保证精度的同时持续运行,就必然向周围耗散能量,给环境带来熵增。也正是这份熵增的贡献,才让这个控制系统既维持了自身的低熵状态,又不会违背热力学第二定律。
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1700263982 最后,作为整本书的增章,我们应该注意到组成生命的各种物质并没有多么稳定,随时都可能与环境中的物质反应,甚至自发地分解,所以生命不但要持续不断地计算自己,还要尽可能快地计算自己,对负熵的需求也就源源不断与日俱增。
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1700263984 这就是为什么在正文里,我们要在生命起源问题上把“熵增潜力”看得如此重要,因为这是让计算迅速而准确的前提,那些不能提供这种熵增潜力的生命起源假说,或许能够解释许多有机物的起源,却无法解释这些有机物是如何组装起来,发展出复杂的结构,在进一步的建设中遇到重重阻碍的。
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1700263986 [1]对此,应该留意的是,现实世界里并不存在绝对的“规则明确的变化”,任何变化都是主反应和副反应的综合结果,比如镜面反射必然有一部分光子被镜子吸收,置换反应必然有一部分铁单质会置换溶液里的氢离子而不是铜离子。这也就是为什么我们会有数学:数学,就是排除了一切副反应的形式化的变化。
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1700263988 [2]严格地说,这里应该说“分散”,因为溶解产生的是溶液,但生物大分子与水混合成的细胞内容物是胶体。
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1700263990 [3]实际上,绝大多数的“毒”和“药”,都以这种“仿冒目标分子卡在蛋白质里”的方式发挥作用。比如咖啡因能够提神,就是因为咖啡因的分子酷似AMP(腺苷一磷酸),能够与神经细胞上掌管疲劳感的受体结合,然后卡进去不出来,使我们的疲劳感暂时瘫痪。有些人的这类受体特别容易被咖啡因卡住,比如这本书的作者,就先天性地对咖啡因特别敏感,下午一杯咖啡下肚,到次日凌晨5点就已经拼好了1 000块拼图。
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1700263992 [4]实际的肽移位过程有两种情况,一种是已经翻译结束的肽链,陷入肽移位子,这比较简单。而另一种是边翻译边移位。对于后一种情况,第六章的第二篇“延伸阅读”介绍过,肽链大多要一边翻译一边折叠,所以,信号序列往往刚被核糖体翻译出来,就在其他蛋白质的帮助下陷入了肽移位子的通道,连带工作中的核糖体也紧紧贴在了膜上,翻译出多少,就折叠多少——内质网常常因此密密麻麻吸附上大量的核糖体,成为中学生物课上所谓的“粗面内质网”,类似地,核膜外表面和线粒体外膜也常常与核糖体结合而显得粗糙。反过来说,核糖体是游离在细胞质中还是结合在膜结构上,仅仅取决于它翻译出来的肽链上有没有这个信号序列。
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1700263994 [5]显然,移位酶也是一种膜蛋白,也是通过这种方式组装在各种膜结构上的。至于第一个移位酶是怎么来的,那要追溯到某个非常古老的共祖身上去。正如我们在正文第十九章讨论过的,早在细胞膜密闭性还很差的时候,氨基酸和寡肽就已经参与到细胞膜的形成中去了,而在细胞膜获得密闭性的过程中,这些膜蛋白也同步进化出现了,正文的第五幕实际上就是这种同步进化的产物。
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1700263996 [6]如果是在这本书之外,这里的“计算功能”更适合换成“逻辑功能”,因为在一般的概念里,计算是逻辑的一个子集,但在这本书里,当我们在第2节里把计算定义为“规则明确的变化”,就已经把计算和逻辑等同为一种东西了——这也仍然是为了读者们理解方便,否则在之前的几节里,我们的措辞会拗口到不像汉语的地步。
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1700263998 [7]如果考虑到现代计算机的缓存往往被分成“数据缓存”和“指令缓存”,那么这些电子计算机其实是冯·诺依曼构型和哈佛构型的折中,但这毕竟不是一本关于计算机科学的书,所以请不要太在意这些细节。
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1700264000 [8]需要澄清的是,实际的集成电路未必只是集成了非、且、或三种基本逻辑计算,也常常集成其他几种非常有用的基本逻辑计算,比如“异或”,只有两个输入不同才输出“1”;比如“同或”,只有两个输入相同才输出“1”;等等。
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1700264002 [9]关于“麦克斯韦妖”的原始表述出现在1867年麦克斯韦写给热力学先驱彼得·泰特(Peter Tait,1831—1903)的信件中,之后又在1871年出现在这封写给约翰·斯特拉特(第三代瑞利男爵)的信中。这位约翰·斯特拉特也是当时相当重要的物理学家,光学上的瑞利散射和声学上的瑞利波都是这个瑞利发现的,他还因为发现氩元素获得了1904年的诺贝尔物理学奖。
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1700264004 [10]这个雷达的比喻是作者为了方便读者理解而作,并非布里渊自己的措辞。
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1700264006 [11]这里的“兰道尔原理”经过了大幅的精炼,因为他1961年的原始表述要比这个冗长许多:对于计算机来说,具有信息意义的自由度会通过其他自由度与热源相互作用,而这种相互作用有两种效果。首先,计算消耗的能量会因此耗散。如果计算不可逆,这种能量耗散就会有一个不可避免的最小值。其次,这种影响也会产生噪声而使计算错误,尤其是热涨落可能让一个变换后的计算元件意外恢复初始状态。另外,查尔斯·班尼特也曾在1982年用另一种措辞表述过这个原理:任何不可逆的计算,比如擦除信息或者合并计算路径,都将带来相应的熵增,这种熵增或者体现在没有信息意义的自由度上,或者体现在环境中。
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1700264008 [12]bit是字节的单位,kB是玻尔兹曼常数,约为1.38×10-23 J/K;T是温度,单位K;ln2是2的自然对数,约为0.693。所以这个极限的含义是“每发生1个字节的不可逆计算,计算元件会耗散多少能量”,或者按照更常见的说法,“每删除1个字节的信息需要多少能量”。
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1700264010 [13]“绝对零度不可抵达”是热力学第三定律的内容。
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