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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？ [:1700256284]
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·耗散·
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在物理学的经典时代，热力学的主要研究对象是处于平衡态的系统，尤其是系统如何在几个平衡态之间做可逆转化，蒸汽机和内燃机就是其中最经典的应用场景。但平衡毕竟不是世界的全部，恰恰相反，万物都在瞬息万变的运动中。所以研究非平衡态的热力学在20世纪迅速发展起来，并且在50年代达到了第一个高峰。其中最关键的领军人物是比利时的俄裔化学家伊利亚·普里高津，他在1955年左右明确了“耗散结构”（dissipative structure），后来还因此收获了诺贝尔化学奖。
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这种“耗散结构”，正是薛定谔没能将之与生命区别开的那种“非平衡态热力学系统”，它的定义是这样的：
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耗散结构是一类不断与外界交换物质和能量，而维持在非平衡态上的物理系统。
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这个定义与这一章开头的那个定义是多么一致，这个定义里的“与外界交换物质和能量”还常常被替换成另一种表述——“流入负熵”。
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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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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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