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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。
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在很大程度上，仅仅“边界控制”一个标准就可以把生命与其他绝大部分耗散结构明确地区分开了。比如漩涡，它们甚至没有称得上边界的东西。你没法画一个圈，说向外一点就不属于漩涡，向内一点就属于漩涡。火焰或许拥有某种形式的边界，毕竟火焰看起来总是很清晰。但这个边界没有任何控制可言，任何物质，哪怕是阻燃剂，都可以直接穿越那个边界进入火焰。如果我们把一座城市也看作一个耗散结构，倒是可以在城市边缘的物流运输上观察到类似的性质，可话又说回来了，城市本来不就是生命的集群吗？I
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图2—7 磷脂双分子层的结构示意。左侧两条尾巴的是一个磷脂分子，紫色的头端亲水，白色的尾疏水。细胞的膜结构由这样两层磷脂分子尾对尾构成。另外，请留意图序—5，那虽然是一张内质网膜，但基本结构与细胞膜是一样的，你会看到一大块蛋白质镶嵌在膜上。实际上，细胞的各种膜结构都密密麻麻嵌着各种蛋白质，你可以再看一眼图序—3，周围那些深深浅浅的绿色小东西都是镶嵌在它细胞膜上的蛋白质等物质。（作者绘）
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除了边界控制，生命这个了不得的控制系统还有数不清的控制功能。虽然眼前这一章的篇幅已经不允许我们再举详细的例子，但对于那些好奇生命究竟是怎样控制自己的读者，可以阅读第六章之后的两篇“延伸阅读”，它们介绍了发育生物学和分子生物学领域内有关“细胞分化方向控制”和“蛋白质形态控制”的细节。而在本书的“幕后”部分，你还会看到一篇增章——《生命的麦克斯韦妖》，它会在生物化学、结构生物学和细胞生物学的领域内再把这个问题解释得更深入一些，看看细胞是如何控制生化反应的方向和物质运输的方向，然后告诉你这种“自我控制”与“汲取负熵”之间还有一种非常深刻的内在联系：一个控制系统一定是低熵的，而精确的控制行为一定会增加外界环境的熵，所以如果一个控制系统的功能就是维持自身，就必须一边摄入低熵的物质，一边释放高熵的物质，结果就是“汲取负熵”。
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回头再看这一节开头的那句话，你会发现它虽然完全没有“负熵”之类的字眼，却已经蕴涵了“生命是耗散结构”这个结论，所以它不但是生命与其他耗散结构的区别，同时也是对生命的更加完备的定义，这给我们的终极问题带来了一些纲领性的启示：要追问生命的起源是什么，我们先要回答耗散结构是怎么来的，再来回答生命作为一个控制系统是怎么来的。
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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？ [:1700256286]
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·启示·
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关于耗散结构的产生，我们可以给出一个具有普遍意义的回答。在热力学第二定律之后，非平衡热力学的研究还揭示了一个更加普遍的“熵增最大化定律”II：排除外界影响，一个变化的热力学系统不但会向着熵最大的状态发展，还会向着熵增最快的状态发展。也就是说，系统不但会抵达最大熵这个终点，还会抄近道。
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因此，一个热力学系统如果具有显著的熵增潜力，却因为某种“障碍”不能顺利实现熵增，就可能突变出某种耗散结构，加快熵增的速度。因为如我们之前讨论的，耗散结构会向周围释放大量的熵，所以它们的出现减轻了障碍的影响，加快了整个系统的熵增，在热力学上是有利的，是系统发展的大势所趋。
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为了解释得清楚一些，我们可以继续沿用刚才的例子。
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自由的水流本来是熵增的典范，因为流动的结果就是消弭一切势能和动能的差异，最后全都均匀静止在能量的最低点，成为一汪寂静的死水。但是那道横在水流里的障碍物拖延了这个进程，因为贴近障碍物的水流受到了额外的阻力，流动会变慢，如果水的黏滞阻力很显著，这些减速的水流就会继续拖累周围的水流，让水流整体减速，也就妨碍了系统的熵增。
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幸好水这种物质的黏度很低，只要流速稍快一些，黏滞阻力就可以忽略不计，这让水流很容易产生微小的随机扰动。而障碍物之后的水流流速并不均匀，很不稳定，一旦遇上这些扰动，就会像被推了一把的危墙，立刻产生更大的扰动，让水流更不稳定。这种循环促进最终会发展成一连串的漩涡。而漩涡分隔了不同速度的水流，也就防止了大范围的减速，加快了熵增。
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面包上的火焰这个例子要稍微复杂些。我们说过面包和空气的组合极富熵增潜力，但这个组合并不会平白无故地释放这种潜力。这是因为面包里的碳原子和氢原子都被化学键牢牢地束缚在淀粉的分子中，无法与空气中的氧分子发生反应，熵增在此遇到了严峻调整。所以面包如果只是平平常常地被摆在空气里，那它历经成千上万年的岁月也不会氧化掉——2018年，考古学家真的在约旦的沙漠里发现了14 400年前的面包块III。
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但是，如果把它们加热到燃点以上，事情就很不一样了。
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淀粉的化学键虽然结实，但也可能被分子的热运动打断，随机产生一些性质活跃的分子碎片。这些分子碎片虽然可以与氧反应，但只能存在极短的时间，如果产量不够高，那就只能发生一些非常零星的反应，释放出来的一点能量当场就消散了，不会带来别的变化。而所谓“燃点”，就是随机运动已经足够剧烈，淀粉分子普遍失去稳定性，很快产生了大量的自由基。自由基与氧此起彼伏的反应产生的能量来不及消散，于是累积下来，打碎了更多淀粉分子，制造了更多的自由基，终于形成一种滚雪球般的链式反应，释放了可观的能量，发出了光和热。