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低熵状态：秩序为何是生命的前提？
读者，你好。欢迎来到《进化论 50 讲》，我是王立铭。
课程的前 20 讲，我们讨论了进化论的公理体系，以及在这套公理体系的推动下进化展现出来的整体面貌。从这一讲开始，我们还是用 20 讲的篇幅来拆解生物进化过程中几个特别关键的节点，看一看在生命现象从无到有、从一到多、从简单到复杂的过程中，进化创造出了哪些惊世骇俗的伟大成就。
首先，我们会先用四讲讨论生命的诞生。当然，我不准备从生物学的角度把生命如何诞生给你描述清楚。我是打算和你一起看看，在这个重要的节点上，进化如何发挥作用，又产生了什么持久的影响。
秩序定义了生命
想要讨论生命的起源，我们得先知道最早的生命应该具备哪些简单但又基本的特征。只有这样，我们才能讨论这些核心特征是如何从无到有出现的。
抛开生命体具体的形态、功能、分类、生活习惯等特征，我认为，生命有且只有两个核心特征是无可替代、必须在生命诞生之初就出现的——秩序的出现和秩序的稳定传承。
“秩序”的意思是说，任何生命体内部都有非常严密的组织结构。
这一点不难理解。大量的原子堆叠成功能各异的生物大分子，大量的生物分子被禁锢在一起形成细胞，功能接近的细胞彼此靠近和粘连形成组织，不同功能的组织构成器官和系统，最终形成一个完整的生物个体。整个堆积的过程中，任何微小的位置差异都可能会造成毁灭性的结果，让生命现象无法存在。
举个具体的例子吧：
一颗人脑大约重 1500 克，包含大约 860 亿个神经细胞和数量更多的胶质细胞。神经细胞彼此相连，形成一个巨大的三维信号处理系统，胶质细胞则起到支持和辅助神经细胞工作的作用。
如果人脑中很大一部分神经细胞或者胶质细胞无法正常发育和生存，或者神经细胞的连接出了错误，大脑很容易就会失去功能。在神经细胞内部也一样，如果细胞膜破裂，或者线粒体的结构和数量出了错，神经细胞也会快速死亡。
再微观一点，如果细胞内部某一个蛋白质分子上某一个特定位置的氨基酸被搞错了，或者某一段 DNA 分子上某一个碱基产生了错误的化学修饰，也可能会危及整个细胞，乃至整个人脑。
而在简单生命中，秩序的重要性同样成立。
即便是最简单的生命形式——病毒，也有严整的组织结构。比如新冠病毒就是由外层的脂质包膜、中间的蛋白质球壳、内部的 RNA 分子组成的，破坏这种结构就能杀死病毒。
当然，到底秩序要复杂到什么程度才能称之为生命，我们无法给出明确的定义，毕竟病毒和人体的秩序水平就不能相提并论。但至少，我们可以定性地说，生命体需要维持某种与自身生物学功能相匹配的、最低程度的秩序，一旦这个底线被突破，生命就不复存在了。
在物理学上，人们会用一个专门的物理量——熵——来描述一个系统的混乱程度，或者说无序程度。因此我们也可以说，生命现象要出现，就需要保证生命体内部的熵在一个比较低的水平上。
秩序如何出现和维持？
但是这里，麻烦出现了。根据热力学第二定律，一个孤立系统的熵，总是在朝着增大的方向变化的。换句话说，孤立系统内部的秩序会随着时间而瓦解。
这一点，在我们的日常生活中也能找到大量的例证。比如，把牛奶和浓缩咖啡混合在一起，两种物质并不会泾渭分明的永远保持清晰的边界，只需要几分钟，你就会得到一杯拿铁；再比如，桌上的玻璃杯总会随着你的使用而逐渐老化、出现裂纹，并在某个时间被不小心摔碎。
在热力学第二定律的约束之下，生命所需的秩序感，或者说低熵状态，是如何出现并维持的呢？
其实，热力学给我们留了一个后门。刚才提到热力学第二定律的时候，我专门强调了“孤立系统”这个词。孤立系统，指的是一个和外界没有物质交换，也没有能量交换的系统。比如，一个紧紧密闭、隔热良好的箱子内部，就可以被粗糙的看成是一个孤立系统。
而生命体并不是一个孤立系统，生命体和地球环境之间是存在活跃的物质和能量交换的，这些外来的物质和能量就有可能帮助生命体维持低熵状态。
打个比方：
按照热力学第二定律，玻璃杯用着用着就可能会损坏破碎，一堆玻璃碎片绝对不会自己重新组装成玻璃杯。但如果有一个巧手的工匠，花时间把一片片玻璃打磨干净，用胶水拼接到一起，那这件事还是可以发生的。
还有，一杯拿铁固然不会自己重新分隔成牛奶和咖啡，但如果我们假设，在咖啡杯中间砌一堵墙、装一扇小门，派一个微型小人通过开关小门把牛奶分子和咖啡分子分开，那只要给足够长的时间，这个小人还真能把牛奶和咖啡彻底分开。
在这两个场景里，巧手工匠和微型小人都在向我们关心的系统里输入能量和物质，也确实能降低这个系统的熵、提高秩序。
请注意，这些过程并不违背热力学第二定律。因为玻璃杯的修复需要工匠的能量和物质输入，拿铁的分离也需要微型小人的持续做功。如果我们把玻璃杯和工匠合在一起，把拿铁和微型小人合在一起，看成两个更大的系统，那这两个系统内部的混乱程度其实还是在上升的。
换句话说，虽然热力学第二定律规定了，孤立系统的熵只会增加，但它并不阻止这个系统某一个组成部分的熵在一段时间内减少，只要付出相应的代价就可以了。而这个代价，就是系统其它部分的熵上升更大的程度。
在真实世界中，高楼大厦拔地而起，工厂把沙子变成价值连城的芯片，人类从几百人的狩猎部落变成几十亿人的地球村，这些秩序的建立，背后都需要持续的、高强度的能量和物质输入。
生命以负熵为生
如果把上面的讨论进一步推广到生命系统中，就诞生了生命科学史上非常著名的一个断言——生命以负熵为生。
它的提出者是著名的物理学家厄文·薛定谔。1943 年，避难爱尔兰的薛定谔受邀在都柏林三一学院做了一系列的科学讲座，讲座内容在 1944年以《生命是什么》为名正式出版。在演讲和书中，薛定谔试图回答这样一个问题：复杂的生命现象是否能被基本的物理和化学定律解释？作为物理学家，薛定谔给出的答案是肯定的。
比如，在讨论“动物为什么需要吃东西”这个看起来很生物学的问题时，薛定谔的答案就显得非常“物理”。他认为，吃东西的本质是从食物中攫取“负熵”，也就是秩序。动物吃下去的是有秩序、低熵状态的有机物，消化吸收后排泄出去的是大大降解、高熵状态的东西。
这么一进一出，动物就把自身多余的熵转移到环境里了，自己留下了“负熵”。这就是动物体长久维持自身秩序、持续生存和繁殖的基础。
老实说，“生命以负熵为生”这个说法本身其实有些技术性的小问题，但不妨碍它从此深入人心，体现出一种高屋建瓴、洞穿七札的力量。这主要是因为，它确实帮助人们更好的看到了生命现象的本质，更好的理解了，不管生命现象有多复杂，都仍然遵循基本的物理化学规律。
但是说到这里，我们必须得注意另一个问题：凭什么动物吃了食物，就能把食物里的负熵截留下来，维持自身的生存呢？当然，食物里蕴含新的物质、新的能量，但是不是只要有物质和能量的输入，系统内的熵就会降低、秩序就会提高呢？
显然不是。比如，一块金刚石是大量碳原子按正四面体排列方式结合而形成的，有极高的秩序性，但一个人显然不能靠吃金刚石维生。相应的，太阳光里也蕴含大量的能量，但人不吃饭、光靠晒太阳，也没法生存。因此，也许我们应该对“生命以负熵为生”这句话做一点更细节的解释。
还是拿吃东西来说吧。我们可以认为，食物提供了两方面的价值：
一方面，食物提供的是物质。
食物中的物质，比如蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质等被分解吸收、进入动物身体之后，可以用来制造维持秩序所需的新物质。比如，动物体想要生产一个细胞，自然需要脂肪分子构成新的细胞膜，需要氨基酸生产新的蛋白质等等。很多时候，动物体是无法自己合成这些物质的，只能从外部获得。
另一方面，食物提供的是能量。
食物中的物质进入动物体后，会有相当一部分被分解，并且在分解过程中产生能量。而这些能量就能用来建造新的秩序，比如把脂肪分子按顺序排列成细胞膜，把氨基酸分子按顺序排列成蛋白质等。
只有物质和能量这两个方面同时满足，食物才能真正起到提供负熵的使命。
当然，虽然这里说的是动物吃东西，但其实对于其他类型的地球生物，比如植物和微生物，道理是类似的。这里就不展开了。
最后打个比方，就像把玻璃碎片重新变成玻璃杯，既需要砂纸和胶水用来打磨和粘贴，也需要工匠小心翼翼的工作。前者提供物质输入，后者提供能量输入，结合在一起，才能实现破镜重圆、建立秩序的目标。
总结
生命现象的核心特征之一就是高度的秩序性。
想要在热力学第二定律的约束下建立这种秩序，需要生命从环境中持续不断的吸取物质和能量，通过它们维持自身较低的熵，实现所谓的“以负熵为生”。
下节预告
不过，问题还远没有结束——
从环境中获取物质还比较容易理解，毕竟地球生命体内所有的化学元素在地球环境中都有。但生命体是如何从环境中获取能量的呢？或者更具体一点，生命体是如何把环境中无处不在的丰富能源，比如太阳能，转换为自己能直接利用的能量，并且用它来建造和维持秩序的呢？
这个问题，我们下一讲再说。
我是王立铭，我们下一讲再见。
划重点
- 生命有且只有两个核心特征是无可替代、必须在生命诞生之初出现的— —秩序的出现和秩序的稳定传承。
- 虽然热力学第二定律规定了孤立系统的熵只会增加，但并不阻止系统某一部分的熵在一段时间内减少，只要付出系统其它部分的熵上升更大程度的代价就行。
- 一方面，食物能提供制造秩序所需的物质；另一方面，食物能提供制造秩序所需的能量。只有物质和能量同时满足，食物才能真正起到提供负熵的使命。