1700257595
·启示·
1700257596
1700257597
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。
1700257598
1700257599
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。
1700257600
1700257601
为了解释得清楚一些，我们可以继续沿用刚才的例子。
1700257602
1700257603
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。
1700257604
1700257605
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。
1700257606
1700257607
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。
1700257608
1700257609
但是，如果把它们加热到燃点以上，事情就很不一样了。
1700257610
1700257611
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。
1700257612
1700257613
淀粉如果是均匀地分散在空气中，那么加热到燃点就足以消除熵增的所有障碍了，熵增会在极短的时间内完成，光和热表现为猛烈的爆炸。但对于成块的面包来说，它还有一道更加严峻，加热到燃点也无法消除的熵增障碍。
1700257614
1700257615
这个障碍就是面包的表面。化学反应需要反应物的分子直接接触，所以除了那些刚好位于面包表面的淀粉分子和氧分子，其他位置的分子并没有参与反应的机会。于是，在面包表面某处，一次随机运动产生了一小股富含氧分子和自由基的烟雾，释放了更多的热量，这又反过来打碎了更多的淀粉分子，制造了更多的自由基，还掀起了更强烈的热对流，把周围的氧分子也吸引过来，这在循环中不断加强，很快就发展成了一团火焰。这团火焰会以更高的温度和更快的对流迅速“撕破”面包的表面，系统熵增的速度因此大大加快了。
1700257616
1700257617
同样，生命作为一种耗散结构，最初的起源也势必符合这个具有普遍意义的回答：原始地球上的某个环境中存在一些关键的物质，蕴含着显著的熵增潜力，但这些潜力却因为某种障碍无法充分释放。于是，那里的物质就在随机的化学反应中形成了某种耗散结构，奠定了生命的雏形。
1700257618
1700257619
在我们回溯的道路上，这是一个重要的启示。这个启示虽然抽象，却足以让白烟囱假说脱颖而出。
1700257620
1700257621
原始有机汤假说设想生命起源于自由的海水，然而海水是自由的溶液，熵增的潜力随时会被释放，即便在某一瞬间形成了有序结构，也只会倾向于涣散，而不是发展。同样，黑烟囱假说设想生命起源于黑烟囱的矿物表面，有机物一旦形成就扩散到了无边的海水中，结局并没有多少区别。
1700257622
1700257623
而白烟囱假说最引人入胜的地方就是找到了一个极富熵增潜力，又不能直接释放这种潜力的古老环境：碱性热液溶解了大量的氢气，40多亿年前的原始海洋又几乎是二氧化碳的饱和溶液，这两种溶液如果相互反应就能带来可观的熵增，但那些错综复杂的矿物管道却将两种溶液隔离开来，无法充分地反应。幸好那些管道的管壁上镶嵌了许多铁硫矿的晶体，这将产生一些独特的催化作用，制造出千奇百怪的有机物，而这些有机物仍会被困在那些管道里，继续发生有无限可能的有机化学反应。在这样的系统中涌现出某种高度有序的耗散结构，的确是大势所趋。
1700257624
1700257626
·纲领·
1700257627
1700257628
但是，仅仅一个化学反应的耗散结构还远远称不上生命，我们还必须回答，生命作为一个充满主动性的“控制系统”是怎样起源的。
1700257629
1700257630
“控制系统的起源”与“耗散结构的起源”似乎是不同的两件事，但在生命起源的故事里，它们却没有明显的边界：系统发展出耗散结构之后，熵增的障碍会有所减轻，但只要熵增的潜力仍然显著，熵增的障碍仍然存在，那么耗散结构就可以继续突变，变得更加复杂、更加有序，让系统的熵增不断加快。终于在某些关键的突变之后，某些耗散结构发展出了针对自身的控制系统，能够主动维持自身的存在，生命也就诞生了。
1700257631
1700257632
这个过程充斥着突变与适应，我们完全可以把它视为更普遍的，热力学上的“进化”，然后惊讶地发现，生命并非进化的起点，而只是进化的一座里程碑，是进化在复杂性上的拐点。
1700257633
1700257634
可那耗散结构究竟是怎样的耗散结构，那进化又是怎样的进化呢？刚才的回答未免有些过于抽象和空泛了，我们需要一个具体而详尽的回答，解释生命这个了不得的控制系统究竟是怎样出现的。当然，我们不可能要求生命在诞生之初就一蹴而就地拥有了今天的全部控制功能，它一定和所有的原型一样，起先只有最基本的控制功能，然后才在进化中日渐复杂——那么，生命最基本的控制功能是什么呢？
1700257635
1700257636
这本书将它们归结为三项。
1700257637
1700257638
第一项是“物质代谢”和“能量代谢”。它们控制了许多关键的生化反应的方向，借此，来自外界的物质被组织成了生命自身的结构，其他形式的能量转换成了生命可以利用的形式。物质代谢与能量代谢是维持耗散结构的基石，一定可以追溯到一切的开始，所以我们非常希望能在今天的物质代谢和能量代谢里找到一些生命起源的痕迹。
1700257639
1700257640
不过有些棘手的是，在今天，各种生命的能量代谢都非常一致，我们会在第五章里集中介绍这种惊人的机制，但在物质代谢上，各种生命就八仙过海了。比如植物利用光合作用制造自己需要的有机物，而人类和其他动物就直接吃掉其他生物，用现成的有机物组织自己。为此，我们先要在第五章的基础上掌握一些基础知识，再在第三幕里寻觅物质代谢的起源，而那也正是白烟囱假说中“最引人入胜”的地方。但要最终确立这种控制机制，你将不得不读到这本书的最后一幕。
1700257641
1700257642
第二项是分子生物学的“中心法则”。这个法则的名字有些不可一世，但我们早在中学时代就很熟悉这套法则了。它规定了核酸要如何储存遗传信息，遗传信息又该如何表达为具体的蛋白质。我们会在第六章里复习它，拓展一些知识，然后在漫长的第四幕里不断追问核酸与蛋白质分别是怎样出现的，又是怎样关联起来，终于形成这套精妙的法则的。
1700257643
[
上一页 ]
[ :1.700257594e+09 ]
[
下一页 ]