生命就是在与熵做斗争……吗？

“Even the smallest insect, with its intricate structure, is far more complex than either an atom or a star.” ——Rees M.

 瓢虫与物理学 

一位杰出的天文学家说过，他很乐于研究恒星，因为恒星要比昆虫容易理解得多。望向外太空时，我们一定能从这种视角中找到价值和共鸣。即便大质量恒星的尺度令人望而生畏，我们也能从中感受到物理学定律的简洁性。与之相比，瓢虫实在是小得可怜，体长只有区区7毫米，却充满了复杂性。

瓢虫由8个主要部分组成，其头部是独立的一部分，包含了它的口器；瓢虫用触角和眼睛来感知周围的世界，而触角也被看作是独立的一部分；它的头部后面一块坚硬的凸起叫前胸背板，可以保护头部免遭伤害；前胸背板后面就是胸部和腹部，也是翅膀和足所附着的身体部位；最后，这种复杂的机器还具有翅鞘，可以保护自己脆弱而精巧的飞行装置。

和恒星一样，在瓢虫的所有体节中，我们都能发现物理学法则。瓢虫之所以看起来比恒星更加复杂，是因为它们体内包含了更多不同的法则，使其更适于生活。翅膀所给予的飞行能力意味着瓢虫必须遵循空气动力学的定律，其他的飞行生物也是如此。说到腿，为什么瓢虫长的是腿而不是轮子呢？除了蛇和部分缺乏肢体的蜥蜴外，瓢虫与所有的陆地动物一样都演化出了腿，而不是轮子。这也是有其物理学原因的，毕竟腿在地球不甚规则的地形上还是有一定的行走优势的。而为了保护轻飘飘的翅膀，翅鞘必须具备坚硬材料所拥有的特征，比如耐磨性和柔韧性。

[图源：biomedicalephemera.tumblr.com]

演化是一种将不同法则组装成生命体的绝佳过程，我们可以用公式表示出这些法则。任何自然环境通常都会给生存带来多重挑战。如果一个物理学过程让一种生物发展出某个特征，并令其能够存活更长时间以繁衍后代（繁衍是衡量演化成功的标准），那么这种生物就会随着时间的推移发生演化，我们也可以将其看作是展现多种物理学法则的载体。

我们可以说，生命有一种美丽的简洁性。正如物理学定律不屈不挠、坚定不移地贯穿于所有已灭绝和现存的生命形式之中，演化的产物也一样有着惊人的相似之处，而这种相似之处正是由130多亿年来塑造出宇宙的物理学定律创造的。

 生命的方程式 

长久以来，生命的定义这个问题一直困扰着许多人。为了简单起见，我在这本书中给出了一种关于生命的方便而实用的定义，即生命本质上是能够进行繁殖和演化的物质，这与生物化学家杰拉尔德·乔伊斯（Gerald Joyce）的定义一致，即生命是一种“经历达尔文式演化并进行自我维持的化学系统”。

生命在时空中的复杂性和多样性令所有人都相信，生命在本质上并不等同于物理学过程。在非生命的世界中，简单的原则可以塑造出可预测的结构，但生命形式的差异似乎已经超越了这些简单原则。然而，生命在很大程度上是宇宙的一部分：生命无法独立于宇宙规则而运转，物理学定律在各种组装层面上驱动并限制着生命的解决方案。结果并不总是可以预测的，但却一定是受限的。从亚原子尺度到种群规模，这些限制条件体现在各个层面上：结果是多种多样的，但不是无穷无尽的。

实际上，物理学法则极大地缩小了生命结构的各个层次在演化过程中的自由度范围。在演化的过程中，环境作为过滤器起到了选择有机物质单元的作用，使这些有机物质单元充分利用其中多种相互作用的物理学定律，以实现繁殖。在这种情况下，环境中包含各种各样的挑战，无论是暴风雨等天气现象还是捕食者的追捕，都可能会阻止生物体的繁殖。演化只是用遗传物质编码的物理学原理的相互作用，这些相互作用影响巨大、激动人心。以方程式表示的物理学原理数量有限，这意味着演化过程的结局也会受到限制，且具有普遍性。

方程只是用数学符号表示物理学过程的一种手段，这些物理学过程描述了宇宙的各个方面，其中也包括生物的特征。“生命的方程式”表示的是从不同的层面上用物理学过程（通常表现为数学公式）来描述生命的能力。这些方程式只是为了说明，在很多情况下，支撑着演化过程的物理学法则可以用这些简单的数学形式来表达。

 不存在的“不可能之海” 

毋庸置疑，生命也受到物理学定律的限制。然而，尽管这种说法是老生常谈，但我们总是很不愿意接受生命受到物理学定律严格约束的事实。对我而言，探索不同尺度的生命结构的奇妙之处在于，随着我们了解的知识越来越多，这些生命要比我们此前的猜想更加符合物理学过程及其简单数学关系的描述，这些原理可在多种不同的层次水平中得以体现。这些观点也表明，生命的范围要比我们想象中的狭窄得多，随机事件和历史在其演化过程中的作用并没有一些人想象的那么大。因此，生命的结构要比有时假想中的更具有可预测性和潜在的普遍性。

有时，科学家会用海洋来类比演化过程。不同的动物象征着具有不同生物可能性的岛屿，在这些岛屿上，成功适应环境的解决方案受到了生理可能性和生物体既往演化过程（即历史）的约束。在这些岛屿之间，存在着无数不可能的解决方案，生命必须在这片巨大的海洋中寻找充满了可能性的新岛屿。生物体想方设法在这些岛屿上安家落户，它们似乎共同抵达了一个避风港，这就像一群在不同的风暴中分别遇难的海员发现自己被困在太平洋中央的一处荒凉的岩层一样—听起来很不寻常。为什么两种动物，比如蝙蝠和鸟，同时选择了飞行功能？由于它们的祖先都没有翅膀（从这两种生物截然不同的翅膀解剖结构就可以看出），所以这种趋同现象很难用共同的祖先来解释。然而，不同的生物体采用相同的解决方案并不稀奇。不可能的解决方案是完全不可能实现的，这意味着不可能的海洋根本不存在。

或许，演化从物理学角度看并不像岛屿，而是像一个棋盘。每个方格都代表着不同的环境，代表着生命必须适应的不同物理条件。当一个生命体在棋盘上移动时，它会发现自己身处另一空间，必须利用一系列明确定义的物理学定律来适应这一空间。例如，当一条鱼爬上陆地时，原本促使它形成某种形态的水动力学定律将被新规则取代。海洋居民来到陆地上后，由于失去浮力而突然变强的重力作用，以及决定蒸发速率（正午的太阳将无情地试图把生物晒干）的方程式就会成为塑造演化的关键因素。但是，这其中不存在不可能性的海洋，只有物理学原理以不同的组合和量级在不同的环境中共同运作。生命从一种环境条件转移到另一种环境条件中，那些一直在运行的定律从中选择了遵循物理学定律的生物，而环境或竞争对手则无情地淘汰了那些无法适应这些定律的需求，从而无法繁衍的失败者。

生物学遵从物理学定律这个观点对生物学的广义普适性提出了一个基本问题：如果宇宙中的其他地方也存在生命，它会和地球上的生命一样吗？生命的结构和形式会不会也是普遍存在的？其他地方的生命在哪一结构层次上和地球生命是一样的呢？在另一个星系中，瓢虫腿部的元素构成和地球上的一样吗？原子聚集在一起形成的分子，即构成并塑造瓢虫腿部的分子是否相同？以及瓢虫本身呢？在另一个星系中是否存在其他类似瓢虫的生物呢？从各个层面来讲，瓢虫有没有可能是地球独有的品种？

 生命的可预测性 

如果物理学和生物学结合得如此紧密，那么地球以外的生命—如果存在的话—可能非常类似于地球上的生命，地球生命将不再是演化过程中形成的独一无二的形式，而更像是宇宙中大多数生命的模板。这就意味着生命形式是可预测的，而可预测性正是优秀科学理论的标志。

科幻作家们总是喜欢想象居住在其他星球上的生命形式是极其特殊的，认为凭借人类有限的想象力是无法做出合理预测的。早在1894年，科幻作家H. G. 威尔斯就在《星期六评论》（Saturday Review）上发表了一篇有关外星生命的文章，讨论了人们此前认为硅酸盐（形成岩石和矿物的含硅材料）可能在高温下会发生的有趣的化学反应：“他被这样一个神奇的想法吓了一跳：会不会存在硅铝生物，甚至硅铝人呢？它们在硫组成的大气中漫游，在比鼓风炉温度高出几千度的液态铁形成的海洋岸边散步。”

《星际迷航》中以吃石头为生的霍塔人（Horta）就是一种硅基生命（silicon-based life）。[图源：tumblr]

这并非个例。1986年，罗伊·格兰特（Roy Gallant）为美国国家地理学会撰写了他的著名作品《我们的宇宙地图》（Atlas of Our Universe），阐述了生命的无限可能。这本书描绘了人们想象出的存在于太阳系中的各种生命形式。“哎哟袋”（一大袋气体）在金星表面昂首阔步，每次触碰460℃的地表就痛得喊一声“哎哟”。火星上存在的生命叫“寻水者”，这种又细又长的生物就像是腿被拉长的鸵鸟，长着一对巨大的毛绒耳朵，它们在火星寒冷的夜晚和冬天里，会用耳朵把自己裹起来。“寻水者”头顶上方的巨大甲壳可以保护其免受紫外线辐射的伤害；它们长着长长的喙，可以深入火星地下寻找水源。

我们的宇宙地图中所描绘的“寻水者”。[图源：jfelt.wordpress.com]

有趣的是，我们从未观测到格兰特笔下的任何生物。假设在环境条件合适的情况下其他行星上会出现生命，那么这些全新的生物化学形式或生物没有出现在我们的太阳系中，并不是毫无理由的——生命形式必须适应这些星球上的不同条件。在大多数这些地方，条件都非常极端，根据我们对地球上生命极限的了解，我们可预测在这些行星和卫星的表面均不存在复杂的多细胞生命。而实际观察结果正如我们所料。例如，我们在金星上看到的环境就与我们根据地球生命极限的认知所做出的预测相符，而这些生命极限都是由物理学定律确立的。

因此，通过研究物理学与生命之间的联系，我也提出了生命在各个层次都有共性的这一观点。我并不是说所有层次的生命都是完全相同的。其他世界中的瓢虫可能和地球上的不一样，但生命系统在行星表面进行繁殖所采用的解决方案可能大致相似，无论是生命利用亚原子粒子（电子）收集能量的方式，还是整个生物种群的行为模式。如果我们最终找到了生命，我们就会知道它的存在，而且它一定和地球上的生命非常相似。

 走向永恒的无序 

诺贝尔物理学奖得主、奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在其1944年出版的著作《生命是什么？》中，曾用物理学术语描述说，生命具有从环境中提取“负熵”的属性。“负熵”这个短语用得不太合适，因为它在物理学上并没有正式的含义，但他选用的这个短语充分体现了生命对抗熵的本质。熵代表能量和物质分散并被消耗，直至达到热力学平衡状态的趋势。热力学第二定律表明，熵是物质和能量的基本属性，在许多情况下，这个属性等同于体系的混乱程度。在薛定谔看来，生命就是在与熵做斗争。

《生命是什么？》1948年英文版。[图源：wikipedia]

生命可以在最终趋向于无序的宇宙中创造有序，这种特性令薛定谔困惑不已，也让一代代的思想家捉摸不透。当一只幼狮长大并繁殖时，这只成年狮子及其后代所涉及的新物质都表现得更加有序，与幼狮还在母亲膝下玩耍时相比，成年狮子随机耗散的能量要减少许多。事实上，长久以来，生物学家和物理学家都在试图解释生命为何一直在做一些明显违反物理学定律的事情。然而，如果我们以另一种方式看待生命，而非将其看作一种与物理学定律相悖的异常物质，我们反而可以发现生命是一种加速宇宙无序的过程——这与描述宇宙的物理过程非常一致。

解释这种观点的最好办法就是拿我的午餐三明治来举例。我把三明治放在桌子上，如果不去动它，则三明治分子的能量需要很长时间才能释放出来。实际上，很可能直到遥远的将来，三明治在板块构造的地壳运动中落入地球深处，被加热至高温，糖和脂肪才会分解成二氧化碳气体，将分子的能量释放出来。然而，如果我吃了三明治，在一两个小时以内，三明治中的能量就会以热量的形式释放到我的身体里，一部分以二氧化碳的形式通过呼吸呼出，而另一部分则被用来制造新的分子。实际上，我大大加速了三明治的能量释放进程，提高了推动宇宙走向无序的热力学第二定律对三明治的作用速度。当然，如果我把三明治放在桌子上，它们就会发霉，被落在上面的细菌和真菌吃掉—这些生物只是抢先我一步，把三明治的能量耗散到宇宙的其他地方。

数学模型表明，这种想法并不是异想天开，生命的过程以及种群的增长、扩大，甚至适应的趋势，都可以用热力学规则来描述。生物体表现出惊人的局部复杂性和组织性，但它们所参与的过程却加速了能量的耗散和宇宙的瓦解。要想产生这种损耗效应，生物体的局部复杂性是构建这种生物机器的必需部分。既然物质宇宙偏好于更快地耗散能量，那么生命实际上就是在促进第二定律的反应过程，而不是与之抗争。至少，这是看待生命现象的一种方式。从这个角度来看，我们就更容易理解生命为何如此成功。

本文节选并删改自查尔斯·科克尔《生命的实验室》，2020年12月，中信出版集团·鹦鹉螺工作室。