生物體是高度有序的，典型特征就是結(jié)構(gòu)精妙，它們通過(guò)攝入和消耗能量，生長(zhǎng)繁殖。我們從能量的本質(zhì)考慮，才能更好理解生命的意義，能量流可以增加有序。

運(yùn)動(dòng)，能量和熵

從物理角度來(lái)考慮生物體的有序性，我們要先了解一些物理知識(shí)。

首先是熱力學(xué)第一定律，即能量既不能產(chǎn)生也不能消滅，但能量可以在不同形式之間轉(zhuǎn)化。最常見(jiàn)的能量形式是動(dòng)能和勢(shì)能，把一個(gè)鐵球從高空中放下，自由落體，勢(shì)能就會(huì)轉(zhuǎn)變成動(dòng)能。

能量守恒與轉(zhuǎn)化

通過(guò)做功和傳遞熱量，也可以把能量從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，摩擦等效應(yīng)會(huì)使機(jī)械能耗盡而轉(zhuǎn)變成熱能釋放出來(lái)， 摩擦不是能量損失，它只是能量轉(zhuǎn)化一個(gè)過(guò)程。如果把產(chǎn)生的熱能計(jì)算在內(nèi)的話，總能量則保持守恒。

熱是機(jī)械能的一種特殊形式，它是組成物體的分子的動(dòng)能之和 。不管是機(jī)械能還是動(dòng)能，電能或者太陽(yáng)能，最終總是有部分會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能。而熱能，是分子隨機(jī)和無(wú)序性運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。增加有序性要付出的代價(jià)就是要有一些有序能量降級(jí)為熱能。

熵增的世界

對(duì)于一個(gè)孤立的系統(tǒng)來(lái)講，總是趨向于無(wú)組織或混亂的一團(tuán)，這種混亂度在物理學(xué)上用熵來(lái)表示。熵代表著系統(tǒng)的隨機(jī)性和無(wú)序性，混亂度越高熵就越高，也就是熵增。

自然界也總是朝著熵增無(wú)序的方向發(fā)展，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們?nèi)绻淮驋叻块g的話，它就會(huì)變得越來(lái)越亂。要減少它的熵增，外界必須對(duì)它做功，對(duì)于混亂的房間，那就是我們必須去打掃衛(wèi)生。

被墨汁染黑的清水

當(dāng)我們把一滴墨汁滴入一杯清水以后，整杯水都會(huì)被染黑，但我們從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)，這一杯墨水能夠自發(fā)地再分離成墨汁和水。也就是說(shuō)對(duì)于一個(gè)孤立系統(tǒng)來(lái)講，它的無(wú)序性是不可能自發(fā)降低的，這也就是熱力學(xué)第二定律。

熱力學(xué)第二定律是殘酷的，它意味著萬(wàn)物都會(huì)走向衰退。即使宏大如我們身處的宇宙，如果作為一個(gè)孤立系統(tǒng)考慮，早晚也會(huì)達(dá)到熱平衡，宇宙中到處都是冰冷和黑暗，最終走向熱寂的可怕結(jié)局。

如果我們把組成生物體的碳、氫還有其他的一些元素混合起來(lái)，放在一個(gè)燒杯里，維持上一段時(shí)間，它們永遠(yuǎn)也不可能自發(fā)產(chǎn)生生物體。即使是最簡(jiǎn)單的病毒，是介于生物與非生物體之間，它也有著精致的結(jié)構(gòu)。生物體的產(chǎn)生，粗看起來(lái)與物理上熵增原理是矛盾的。

冠狀病毒的結(jié)構(gòu)示意圖

事實(shí)上，地球上出現(xiàn)了大量形式豐富的生命，那么問(wèn)題就來(lái)了，難道生物體不受熱力學(xué)定律的約束？

宇宙中當(dāng)然不可能存在兩套物理規(guī)律，牛頓的萬(wàn)有引力定律拿到仙女座等任一外星系照樣適用。即使是生物體，也要和非生命物體符合同一樣的物理規(guī)律。而且，熱力學(xué)第二定律只適用于孤立系統(tǒng)，地球上產(chǎn)生生物，就相當(dāng)于一個(gè)大系統(tǒng)中的一個(gè)某個(gè)子系統(tǒng)自發(fā)的增加有序性，這并不奇怪。

從物理學(xué)角度來(lái)考察生命體，最簡(jiǎn)單的是方法就是從運(yùn)動(dòng)和能量來(lái)進(jìn)行考慮。例如人類每天都攝入食物補(bǔ)充能量，在維持生命的基礎(chǔ)上，行走運(yùn)動(dòng)。按照熱力學(xué)第一定律也就是能量守恒定律，我們消耗的能量一定正比于攝取的能量。

萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)

生物體究竟是如何維系生存？而且還能繁衍后代，甚至向更復(fù)雜的生命形式進(jìn)化，那要?dú)w因于太陽(yáng)。太陽(yáng)就像是個(gè)大火球，而我們地球相比是冷的，這種不均衡的溫度分布相當(dāng)于一種有序的形式，這也是地球上生命有序性的來(lái)源。

我們生活在地球上，有太陽(yáng)能量的不斷輸入。太陽(yáng)光持續(xù)不斷的入射到地球上，而地球的溫度卻能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，那么必然是一部分能量被地球所消耗，另一部分，是以熱輻射等形式釋放到太空中去。因此地球不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，它有太陽(yáng)持續(xù)能量的輸入。那么地球上生物的出現(xiàn)，生物有序度的逐漸增加與熱力學(xué)定律也就不矛盾了。

地球上生命存在的秘訣就是能量流的有序傳遞。能完美利用太陽(yáng)有序能量的生物是植物，植物可以依靠光合作用，把太陽(yáng)輻射的有序能量吸收，并利用部分能量抵御自身無(wú)序性退化的趨勢(shì)，用來(lái)維持自身生長(zhǎng)。多余的能量還可以用來(lái)做功，例如把攝入的低能量物質(zhì)（二氧化碳和水）轉(zhuǎn)化成高能量的碳水化合物。在這個(gè)過(guò)程中，有序能量降級(jí)為熱能，從而產(chǎn)生有序。所以，本質(zhì)上，植物消耗的是來(lái)自太陽(yáng)能量流的有序。

生命不能無(wú)中生有的創(chuàng)造有序，植物靠太陽(yáng)的能量，通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)換能量以維持有序。人類是智慧生物，是自然界高度有序的存在，也需要攝入各種食物，通過(guò)新陳代謝分解和'燃燒'食物，進(jìn)而釋放能量，從高品質(zhì)能量轉(zhuǎn)變成熱能，從而獲得有序。這些有序都是源自于太陽(yáng)，這些有序通過(guò)一系列復(fù)雜的能量流在生物圈中流轉(zhuǎn)。

生命以負(fù)熵為生

量子力學(xué)創(chuàng)始人之一，諾貝爾獎(jiǎng)得主薛定諤在他的跨界神作《生命是什么？》中，就提出了有機(jī)體就是靠負(fù)熵為生的觀點(diǎn)。

一個(gè)生命有機(jī)體在不斷地產(chǎn)生熵—或者可以說(shuō)是在增加正熵—并逐漸趨近于最大熵的危險(xiǎn)狀態(tài)，即死亡。要擺脫死亡，要活著，唯一的辦法就是從環(huán)境里不斷地汲取負(fù)熵……

薛定諤認(rèn)為，生命就是一種極其精妙的秩序，可以通過(guò)新陳代謝成功消除生存帶來(lái)的熵增，生物進(jìn)食的重要目的，不僅僅是為了交換物質(zhì)或能量，而是為了交換有序，直至死亡為止。

擼貓狂人：薛定諤

熱力學(xué)第二定律，告訴我們，這個(gè)宇宙的自然趨勢(shì)是衰退到徹底的溫度平衡，整個(gè)世界趨于無(wú)差別的死寂。而生命的出現(xiàn)和存在是逆天的行為，生物體通過(guò)負(fù)熵的攝入，從無(wú)序到有序的生存，甚至不斷的演化，變得更加的精巧和復(fù)雜。

究竟是自然規(guī)律的引導(dǎo)，還是其他觀察者意識(shí)的作用？這些終極的思考，已經(jīng)超越了科學(xué)和哲學(xué)的領(lǐng)域，答案就是仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智了。

總結(jié)

從能量和熵等物理學(xué)概念出發(fā)，討論了生命為何能夠維持高度的有序性。有序的能量降級(jí)轉(zhuǎn)化為熱能時(shí)，可以增加有序。生物體自身是不能憑空產(chǎn)生能量和有序的，各種生命持續(xù)的無(wú)中生有都是來(lái)自太陽(yáng)有序能量流的運(yùn)轉(zhuǎn)。而生命以“負(fù)熵”為生，抵消其自身產(chǎn)生的熵增。