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没有生命的物质遵循着简洁的物理化学规律，然而，一旦物质变成生命，却表现出一些迥然不同的独特性质。这是一个生物学的难解之谜。 生命的坚韧性质 1986年1月28日是寒冷的一天，这天早晨，在美国佛罗里达州的卡那维拉尔角，成千上万名参观者聚集到肯尼迪航天中心，等待一睹挑战者号航天飞机腾飞的壮观景象。上午11时38分，耸立在发射架上的挑战者号点火升空，直飞天穹，看台上一片欢腾。但航天飞机飞到73秒时，空中突然传来一声闷响，只见挑战者号顷刻之间爆裂成一团桔红色火球，碎片拖着火焰和白烟四散飘飞，坠落到大西洋。7名宇航员在这次事故中罹难，包括2名女宇航员。全世界为之震惊。 “挑战者号”航天飞机的爆炸是人类航天史上的一大悲剧，根据后来的事故调查，导致这个复杂的庞然大物毁灭的主要原因只不过是几个橡皮密封圈出了问题，在寒冷的低温下失去了弹性，导致硬化失效。由此可以看到，无机世界的精密机器或装置等各种复杂系统，在面临突然的环境变化时，没有办法自我调适，一个零件出现问题，就可能导致整个系统瘫痪甚至报废。 然而，同样是被称为复杂系统的生物体，却不会如此脆弱，一个生命体受个小伤小痛根本就没什么大不了，缺个胳膊少个腿也照样能活得很好，即使是患上癌症这样的不治之症，也不会立刻崩溃，假以时日甚至还有治好的可能。这说明，生命系统虽然非常复杂和精细，但却显示出了顽强的坚韧性，不那么容易被破坏。 我们的自然界是一个千姿百态、丰富多彩的世界。从日月星辰、山川湖泊到花草树木、飞禽走兽，事物的形态虽然千差万别，但基本上可以分为生命系统和非生命的物质系统。这两个系统都是由原子和分子组成的，但奇异的是，这两大系统表现出了迥然不同的特性。生命系统是弹性的，随时可以应付外来的变化和压力，重新调整自己。而非生命物质则是刚性的，不能随着外界环境的变化而调整自己。 而从更深的层面来说，生命总是表现出来一种自我完善的趋势，无论个体的发育或物种形成都是从简单向复杂演化，似乎生物体内有一种追求完善的内在动力或者预定目标。生命现象的那种自主性、自组织性、自协调性以及进化本身的方向性，与无生命的物质世界有着迥然的不同，这是科学家无法回避的难题。 趋向无序的非生命物质 生命现象带来的上述难题并不是相互孤立的，它们都涉及生命与非生命物质之间的关系。对于如何解答这些难题，科学家们已经有了清晰的思路。 科学家们认为，自然界的演变存在一种普遍的驱动力——物质倾向于变得更加稳定。这里有一个逻辑上的道理：稳定的状态不会再改变，而不稳定的状态则会不断变化，直到变得稳定。 然而，非生命物质和生命物质的稳定性是完全不同的。非生命物质的稳定性来源于热力学第二定律。热力学第二定律是热力学的基本定律之一，它说的是，热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体。这个转变过程是不可逆的，要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现。这很好理解，一杯热水总是不断冷下去，直到与周边环境温度一致，达到稳定状态，不再改变。这个过程不可能逆转过来，除非你对这杯水加热。 热力学第二定律还有另一种表述方式，那就是：在没有外界的影响下，事物总是由有序向无序方向发展，而不可能从无序向有序发展。1865年，德国物理学家克劳修斯在热力学第二定律中引入了“熵”的概念。熵指的是一个系统的混乱程度，熵越大，系统就越混乱，一直到熵处于最高点，系统无法更混乱了，这时就稳定了。这就是熵增加原理。 熵增加原理广泛存在于非生命的物质世界。在一个房间里打开一瓶香水后，香气分子会弥漫到整个房间，不管过多长时间，散布开来的香气分子也不可能自动地回到香水瓶，还原成香水液体。香气分子的挥发、散布，是几十亿分子撞击的结果，空气分子与香气分子互相不停地碰撞，最后香气分子不可避免地与空气分子混合到一起，这时香气分子的无序程度达到最大，也就是熵最大的状态。一幢整洁有序的建筑物，如果无人管理修缮，其结构部件会慢慢变坏，屋顶上的瓦片一片一片地脱落，墙壁慢慢生出裂缝，随着岁月的流逝，终将毁损倒塌，其砖块瓦片与大自然融为一体，进入稳定状态。 如果把熵增加原理扩展到整个宇宙，我们的宇宙也可以看成一个巨大的孤立系统，宇宙的熵会随着时间的流逝而增加，由有序向无序，当宇宙的熵达到最大值时，宇宙中所有物质的温度达到热平衡，这种状态称为热寂。这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。 负熵与生命的演化 然而，一旦进入生命领域，熵增加的趋势立刻被逆转。生命是一个开放系统，我们每天吃进食物，拉出污秽之物，这是与外界交换物质、能量和信息。通过这些交换，可使生命系统的熵减小,直至变成负数，从而有序度不断提高,生命体系才得以动态地发展。大自然为生命系统提供了另外一种稳定性——动态动力稳定性。 也就是说，与非生命系统朝着熵增大的方向恰好相反，生物演化是熵由正变为负的过程，即负熵是在生命过程中产生的。1944年薛定谔出版了《生命是什么》，在这本书中提出了负熵的概念，想通过用物理的语言来描述生物学中的课题。据他的理解，“生物赖负熵而生”。按热力学第二定律，大自然会由有序变为无序，即熵会不断增加。与之相反，生物会吸收环境中的能量，从而减少自身的熵，变得有序。 对于单个生命来说，随着生命的成长，生命系统的熵变是一个由负逐渐变化趋于0的过程。以人类为例，从婴儿出生到20岁左右，人体的熵变为负熵且较大，这个时期生命体快速正常发育，组织细胞大量增长，有序组织快速增加。20岁以后，生命体的负熵逐渐减少，正熵逐渐增加，这个时期负熵和正熵都处于比较平衡的状态，生命的各项指标也都在最佳状态，生命处于旺盛阶段。50岁以后，生命开始进入衰老时期，生命过程中的负熵和熵增都在减少中，但熵已经开始缓慢增加了。这个时期由于人体各项功能的下降，组织再造能力下降，人体组织中自由基等垃圾成分增加，生命系统的混乱度增大，熵缓慢增加，直至负熵完全消失，死亡降临。而生命转化为无生气的物质后，立刻转化为熵增加过程，身体最终与泥土融为一体。这是一个不可抗拒的自然规律。 回望负熵开始的时刻 那么，生命系统的这种负熵流最初是怎么开始的呢？ 科学家们假设，生命起源于40多亿年前原始地球上的非生命物质，这一过程是遵循物理学、化学规律的过程。那么在这个过程中，物质如何从熵增加转变熵减的呢？科学家指出，复制因子的出现，使生命越过了热力学第二定律的限制，与非生命分道扬镳，走上了完全不同的进化道路。 复制因子是一些非常奇特的分子，DNA和RNA是其中的典型，它们并不见得非常大或非常的复杂，但是它们具有一种特殊的性质——能够复制自己，这正是生命区别非生命的关键。 当第一个带有复制功能的分子出现时，在适宜的环境中开始自我复制，它们会沿着爆炸性的道路演变，数量将以指数的速度增长。由于环境资源有限，这种增长不能无限制地维持下去，于是，在自然选择下，一些复制因子被淘汰，另一些复制因子生存下来，还有一些产生变异。 复制因子的这种复制、变异、竞争、选择，需要与环境不断交换着物质和能量，使得生命系统从一开始就与外界处于交流的开放状态，这构成了生命动态稳定结构的最初基础。生命为了维持自身的动态稳定，就得提高复制效率，复制因子将不可避免地变得复杂，为什么这么说呢？举个简单的例子，对于一条单链的RNA分子，仅仅靠自身来复制，其效率是非常低的，相反，一个由双分子RNA组成的复制网络，两条RNA分子会相互催化，复制效率会提升许多，这就好比两根手指比一根手指更容易拿起物体一样。所以，从单链RNA到双链RNA的转变向我们展示了由非生命通向复杂生命的漫长道路的第一步。 现代科学确认，生物学上的自我复制、新陈代谢、个体发育和群体发育等现象，就是源于多分子系统的自我复制和倍增。随着这个系统网络的不断扩大化和复杂化，才产生了其他一系列生命现象。 被膜分隔的世界 需要强调的是，多分子体系的表面必须有膜。有了膜，多分子体系才有可能和外界介质分开，成为一个独立的稳定的体系，也才有可能有选择地从外界吸收所需分子，防止有害分子进入，而体系中各类分子才有更多机会互相碰撞，促进化学过程的进行。 举例来说，最简单的单细胞生物——草履虫，尽管其中的物质总量和成分都不多——充其量也就相当于溶解了一些化学物质的水溶液，但它的外表有一个薄膜，隔开了外部熵增的环境，自发形成一个封闭的、内有分工、负熵的体系——细胞，它拥有细胞核、细胞质、食物泡、伸缩泡的分区；而与此同时，在与外部环境的物质和能量交换上，它能够通过摆动纤毛来运动，能够吞吐食物。这种有序的、复杂的存在方式是遵循着热力学定律的非生命物质体系所无法达到的。 由此看来，复制因子的出现，实现了从非生命过程向生命过程的转化，实现了自然系统有序性的突变。突变之后，生命系统开始逆着热力学第二定律，朝着一个熵减、有序的方向发展。这个方向还确定了一个进化的箭头，生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化。 |
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