生命以负熵为生

你好，我是王立铭。欢迎来到生命科学50讲。

在上一讲课程中，从维勒的尿素合成，到米勒的烧瓶实验，我们已经有足够证据相信，构成生命最基础的物质并不神秘，完全可以在实验室中造出来。

从此，至少在构成生命的物质这个层面，生命现象才成为了一种可以被科学研究的正常自然现象，而不再是扑朔迷离的神话。

制造生命的重大突破

可以想像，从生命走下神坛的那一刻起，人类就产生了一种无法遏制的冲动：制造生命。

既然我们能够制造生命物质，那么能否像用零件制造机器、用砖头盖大楼一样，制造人工生命呢？

在得出结论前，首先说点乐观的。

从制造生命基础物质，如氨基酸，再到制造复杂物质，如蛋白质，在这条路上，人类确实取得了大量重要突破。

先说蛋白质，1965年，中国科学家成功合成了牛胰岛素，这是一个由51个氨基酸组成的蛋白质。到今天，我们可以用机器自动合成更多的复杂蛋白质分子。或者更进一步，利用微生物帮助我们制造几乎所有的蛋白质。

再说DNA，2017年初，美国哥伦比亚大学的科学家居然人工合成了一个超长的DNA链，并且利用DNA编码规则，在里面存储了一整套计算机操作系统和一部法国电影。

从DNA中读取出的电影效果，影片是1895年的法国短片《火车到站》

你看，至少在构成生命的复杂物质这个层面上，人类取得的成就还是很大的。那制造出活的生物体，是不是指日可待呢？

肯定不是。

一个最简单的比方，我们常说“煮熟的鸭子飞不了”。鸭子在煮熟前后那一瞬间，身上的物质构成还没有发生变化呢，但生命却是有和无的区别。这说明除了物质之外，生命的运转还需要一些别的东西。

别的东西是什么呢？

如果我们把生命比喻成一座大厦，那么氨基酸、蛋白质、DNA这些物质就是建造大厦用的砖头瓦块，显然砖头瓦块并不能自动盖起大厦，而需要盖楼的人。

同样的道理，构建一个生命，给物质赋予活力的又是谁呢？从这节课开始，我将要讲到生命的第二个必不可少的元素：能量。

活着就是对抗热力学第二定律

回答这个问题前，我们还要提到一个人：薛定谔。我在上一讲中讲到了他的名著《生命是什么》，但并没有提到这本书中最经典的观点：“生命以负熵为生”。

要理解这句话，首先要理解什么是“熵”，要理解“熵”，这里需要补充一个重要的物理知识点：热力学第二定律。

热力学第二定律是说在任何一个孤立系统里，总体的混乱程度，只会增大不会变小，直到达到混乱的最大化。

请你一定要记住这个定律，因为所有生命活着的终极使命只有一个，就是对抗它。如果有一天不再对抗它了，那生命就离终结不远了。

我举个形象的例子，帮你粗略地理解一下热力学第二定律：请你想象这里有半杯咖啡，现在往里倒入半杯牛奶，并且不搅拌，会发生什么呢？

生活经验告诉我们，当然是两者开始慢慢融合，咖啡的颜色变浅，而奶也不再有乳白色，最后融合成一杯牛奶咖啡。

这个事太常见了。那你想过下面这些问题吗：

• 咖啡和奶为什么会融合呢？在微观的分子层面，发生了什么？
• 咖啡和奶的融合会停止吗？什么时候停止呢？
• 混合了的咖啡和奶，还能再分开吗？

回答了这三个问题，你就大致能知道热力学第二定律在说些什么了。

咖啡与牛奶接触的那一刻，这个杯子里就出现了一个新的“系统”。这个新系统形成之初，咖啡分子和牛奶分子仍然更密集地集中在自己那一半空间里，自己人挨着自己人，比较有序。

在没有任何外力干涉的情况下，随着时间流逝，双方的分子都会逐渐向对方的空间扩散，和对方分子混合在一起。这时，我们看到的是咖啡和牛奶的慢慢混合。

这个过程会停止吗？

当咖啡分子和牛奶分子混合到最均匀状态的时候，这个系统就达到了最终的平衡。什么是最均匀的状态呢？

就是假如有一艘分子大小的潜水艇沉入这杯液体中，会看到无数多的咖啡分子和牛奶分子乱糟糟地随机混合在一起，完全没有排列规律可言。要想把这两种分子彻底分割开，已经是不可能完成的任务了。

现在我们把热力学第二定律对应起来看。

刚刚加入了半杯牛奶的咖啡杯，这是一个独立的系统，系统形成之初，分子排布呈现出较大的有序性。

在没有任何外力介入的情况下，随着时间推移，分子的秩序自发走向越来越大的混乱，直到达到混乱的最大化，系统达到最终的平衡。

这个过程是完全不可逆的，混合一旦开始，我们就再也没有办法把牛奶从咖啡中分离出来了。

这种从有序到混乱的变化，背后的驱动力就是热力学第二定律。

这个定律的表述里，系统的混乱程度被称做“熵”。任何一个孤立的系统，都会走向更大的混乱，也就是熵会不断增加。熵最大的时候，就意味着丧失了变化的能力，新的平衡出现了。

• 一个苹果，落在地上之后，内部秩序从有序走向无序，熵不断增加，从腐烂变质，到最终融入大地，达到新的平衡；
• 一根钢筋，熵增的过程就是不断被锈蚀的过程；一块岩石，熵增的过程就是被风化的过程……

这里要再重申一遍，我们对热力学第二定律的解释其实很肤浅，如果大家要深入理解，还是要读一读物理书。

生命以负熵为生

简单了解了热力学第二定律，你很可能马上就会想到，生命现象好像根本就不该出现啊。

生命是个多么有序的现象啊，复杂的生物化学反应自发地在生物体内发生，动辄数以百万亿细胞在一个生物体内自发分工协作运转。

如果大自然必然走向不可逆的无序，那么生命这样复杂精密的时空结构，是怎么在无序中产生的呢？

不光如此，只要生命体还活着，它就必须有能力持续地保证它的混乱程度非常小，时空结构高度精密，这都是和热力学第二定律恰好相反的。难道你我真的是逃出自然规律之外的异类吗？

解答就藏在热力学第二定律中。

不知道你注意没有，我刚才的表述里有“孤立系统”这4个字。什么是孤立系统？就是没有能量和物质输入、输出的系统。

如果有能量持续地输入，那么热力学第二定律就打开了一扇后门：在一定空间、一定时间的范围内，混乱程度有可能持续下降。

只要有持续的能量输入，生命现象、高度精密的时空结构，是能够存在并得到很好的维持的。

所以，能量才是生命现象得以发生的根本动力。

薛定谔说，一个动物想要活着，就得持续不断地吃下去混乱度比较低、熵也比较低的食物，然后排泄出混乱度比较高，熵也比较高的粪便。

这样一来，动物就等于是从环境中攫取了负的熵，从而能够降低自身的混乱度，维持生命现象的发生。

当然听到这儿，你可能会问，动物可以从食物中获得能量、攫取负熵，那植物呢？薛定谔也给出了一个解释——最终的负熵来源，就是太阳光携带的能量。

因此，吃东西或者晒太阳这些日常行为，其实是生命体在完成一个崇高的使命——吸取能量，对抗热力学第二定律，维持生命现象，这就是“生命以负熵为生”。

回到我们开头时提出的问题：人类有可能像制造汽车一样制造生命吗？

也许有。但无论如何制造，首先要解决一个问题，就是要让那些构成生命的基础物质拥有自发从环境中获取能量、利用能量的能力。

总结一下，这节课我们思考了只有物质是不能构成生命的。通过了解热力学第二定律，我们知道只有不断地输入能量，生命现象才有可能发生。这就是薛定谔的名句“生命以负熵为生”的真正含义。

那么，能量从哪儿来呢？能量又是如何被生命利用的呢？接下来的几讲中，我将一步步带你揭示能量更多的秘密，我们下一讲再见。