返回上一页 文章阅读 登录

董加耕:生命的动力——生命现象的物理解释与猜测

更新时间:2015-02-26 13:49:57
作者: 董加耕  

  

   1、生命,结构还是过程?

   生命的本质是什么?我们可以立即分辨出生命体和非生命体,生命过程和非生命过程,但要从科学的角度回答生命体和非生命体、生命过程和非生命过程的本质区别,却是比较困难的。

   生物学以揭示生命的本质为已任。纵观生物学的发展历程和研究现状,可以看出,生物学主要在以下两个方面取得了辉煌的成就:一是对生物的结构从分析的角度进行了深入的研究,另一是对生物物种的遗传和进化给出了详尽的解释。生物学不仅将生命体剖分为具有不同特定功能的部件,并且认定构成生命体的基本单元为细胞。然后,细胞又被进一步剖分,并最终发现了隐藏在细胞核中的遗传密码DNA。历史上,使生物学生产重要进展的科学事件有:达尔文提出生物物种进化论;孟德尔发现遗传定律;细胞的发现;化学在生物学中应用及分子生物学的诞生;染色体及遗传密码的发现等。

   不难看出,生物学关于生命的研究,有以下两个特点。一是将生命主要作为一个结构而不是主要作为一个过程来研究。我们对具有生命现象的物质结构进行了深入细致的解剖,研究了它们由大到小不同层次的结构、成份和功能。尽管在研究生物结构及其构成这些结构的物质成份的同时,我们也研究了发生在这些结构和物质成份中的物理的或化学的过程,但当我们讨论生命现象时,我们首先想到的是一个具有一定结构和化学成份的生物体,而不是生命活动的过程,不是物质和能量的流动、集中过程。与此相关,生物学研究生命的另一个特点是主要采用了逐步细分的研究方法。相对而言,将生命体作为一个整体,研究发生在这一整体上的物质能量过程,研究这一整体与外界的物质能量交换,在这些方面,现有的生命科学基本上无实质性的进展。显然,化学在生物学研究中起到了至关重要的作用,但物理学在生物学中的应用却相对较少。

   不可否认,遗传是生命的一个主要特征,但是不是将生命体与非生命体、生命过程与非生命过程区别开来的唯一特征,或主要特征,还有待商榷。

   生命现象尽管是发生在一个由特殊材料构成的特殊的结构中,但是,生命现象也应该是一个过程,或者说,生命的本质特征不仅通过其特有的结构表现出来,还应该通过发生在这一结构中的过程表现出来。生命过程应该是物质和能量的流动过程,并在流动过程中表现出了物质和能量的集中。如果我们已彻底查清了生命过程的实质,则不论发生这一过程的物质是什么,不论它是不是由细胞构成,是不是碳水化合物,这一过程也可以被认为是生命过程。可能将来,具有生命特征的结构不一定全部都由碳水化合物构成,它们可能由金属材料制成,或者由一团星系构成。生命的存在不一定必须要有水和空气。如果未来的计算机具有人的智慧,具有生命体才具有的自主意识,能够自动复制繁殖,那么这种计算机算不算是生命体呢?区别生命和非生命的本质特征是生命体的特殊结构,是构成生命体的物质或材料,还是生命体的特殊结构和材料所具有的特殊功能?是发生在这一特殊结构和材料中的过程所表现出的某种特性?

      2、"机械论"与"活力论"之争

   尽管生命科学,特别是与遗传有关的分子生物学已取得了长足的进展,但是,在我们的理解中,生命现象与非生命的物理现象仍然有着巨大的差别。生命现象能否用物理规律给予解释呢?在历史上,关于生命的本质,曾有过"机械论"和"活力论"之争,甚至直到现在,这种争论还在以某种方式延续着。有人认为,系统论的创始人贝塔朗菲提出的"机体论",其实质仍是"活力论"。

   "机械论"认为,生命现象,不管其多么复杂,最终都可以从物理学的角度给出解释。只不过生命系统是一个超大规模的复杂系统,对生命现象的物理解释是一个十分繁杂的事情。发生在生命体上的任何过程,生物的任何举动,都是有原因的,都是由当时的外界条件和生物体以往的历史唯一的确定,所有这些原因所产生的结果,都服从已知的物理规律。因此,"机械论"也是"决定论"。而这些物理规律,也就是决定那些非生命过程的物理规律。生命过程与非生命的过程,除了复杂程度不同外,无任何实质性的差别。生命体就其本质而言,就是一种复杂机械。"机械论"者甚至相信,将来,不仅生物学可以从物理学中得到解释,甚至心理学、伦理学、法律、道德等人文科学都可以从物理学中得到最终解释。

   "活力论"似乎给人一种唯心论的感觉,它认为生命体中有一种不能用现有的机械的物理规律给予解释的神秘活力。但"活力论"所强调的生命现象和非生命现象的显著区别,"活力论"所强调的生命"活力"的存在,恰好抓住了问题的关键,给人印象深刻,甚至使人怀疑物理规律能不能真正解释生命的本质。生命的"活力"或生物生命活动所表现出的"目的",生物所具有的自主意识或所谓的"意志",长期困惑着人们,也向人们展示着生命与非生命本质上的不同。

   3、生命中的熵减或物质能量集中

   显然,不论是"机械论"还是"活力论",都可以看成是一种哲学观点,由于相关学科的发展还不够成熟,它们都没有能对具体的生命现象给出具体的解释,例如对植物和动物的生命过程的区别给出解释。自从热力学第二定律提出之后,人们才认识到,生命的"活力"可以用一个熵减过程来说明,至此,生命现象才真正与物理学联系了起来,物理学也才真正找到了解释生命现象的钥匙。如果认为早期的"机械论"和"活力论"之争是生命现象物理学解释的第一阶段,是哲学上的争论阶段,则用熵减过程来解释生命现象,就可以看成是生命现象物理学解释的第二个阶段,是给出某种程度的实质性解释的阶段。

   在热力学中,系统熵的改变量定义为:dS= dQ/T。这里,dQ为外界输入系统的热量,T为系统的温度。根据克劳修斯,热力学第二定律可以表述为熵增原理,即如果一个系统与外界没有热量交换,dQ=0,则这个系统经历了不可逆过程之后,我们计算系统内各个子系统的熵改变量的总和,或各个子过程的熵改变量的总和,就会发现,系统终了状态的总熵S会大于起始状态的总熵,ΔS>0。我在《熵改变与物质能量能量的扩散或集中》一文中,已经指出,熵的定义可以扩展为dS= dE/T,dE为传入系统中的所有形式的能量,包括机械能和其它与机械能类似的、不能归结为热能的能量,只要我们认为机械能或其它不能归结为热能的能量所"具有"的温度为无穷大、机械能从承载机械能的系统传入或传出时引起该系统的熵改变量始终为零即可。《熵改变与物质能量能量的扩散或集中》一文说明了,熵增过程可以看成是物质或能量在空间中的扩散过程,与此相对应,纯粹的熵减过程,可以看成是物质或能量在空间中的集中过程。许多常见的自发过程都是熵增的物质能量扩散过程,例如,热传递、气体的自由膨胀和物质的自动扩散过程。热量只能从高温区域自动的流向低温区域,温度高的区域能量密度也高。物质也只能从物质密度高的区域自动的扩散到物质密度低的区域。由于物质是能量的承载者,因此,物质扩散也可以看成是一种能量扩散。最终,这些自发的过程使得系统内部的能量分布,以及与能量分布相关的物质分布达到处处均匀,系统达到热力学上的平衡态,系统的熵达到其所能达到的最大值。玻尔兹曼从统计物理学方面对熵给出了著名的几率解释,即熵S是系统的热力学几率W的函数,S=KlnW,K为玻尔兹曼常数。系统对应的热力学几率越大,系统内各元素的状态就越难确定,系统的"无序"程度也就越大。熵增过程是系统从小几率的状态向大几率的状态的变化过程,也就是系统从有序走向无序的过程,而熵减过程就是系统从无序走向有序的过程。在仙农的信息论中,熵与系统的信息量有关,关于系统的信息越多,系统的确定程度就越大,系统的负熵值也就越大,系统也就更为有序。

   生命过程就是一类熵减过程,这一观点已成为许多人的共识。植物并没有按照熵增的常规将自身扩散或溶解到土壤和空气之中,相反,土壤和空气中的某些特殊物质却被植物通过光和作用而提纯出来,并被转化为植物体自身,使植物与周围环境的差距进一步拉大,植物系统的有序得到进一步扩张,并使我们以为构成植物的物质能量系统具有了一定的"目的"或"活力"。实际上,生命的"活力"或"目的"并不是某种神秘莫测的、不可解释的属性,只是由于生命过程是一个熵减的过程,与通常的熵增过程截然不同,才使我们以为生命体这种物质能量系统似乎具有了某种神秘的"活力"或"目的"。生命活动的"目的"就是生物的生存和生长。当负熵不断增加,有序的系统不断扩张时,即当生物生长时,或当这一具有负熵的系统抵抗外界输入的正熵或自身不断产生的正熵而维持其已有的负熵时,也就是生物维持其生存时,我们就说这一系统似乎具有了一定的"目的"。生命的"活力",实际上就是使生命系统产生熵减过程的机制或动力。生命系统的"目的"或"活力",只不过是我们的一种看法,是与通常的熵增过程完全不同的熵减过程或维持负熵的过程给我们所造成的一种感觉。

   但是,由于熵减过程似乎与热力学第二定律相矛盾而被人们看作是"麦克斯伟的妖魔"在作怪。直到近代,人们才认识到这类熵减过程的合法性。实际上,第二定律并不排斥系统内部某些区域出现熵减过程,如制冷机的制冷过程,但是,在这一熵减过程进行的同时,系统还必须要有一个相关的熵增过程存在,使得整个孤立系统的总熵变是熵增的。如果仅考虑出现区域性熵减的子系统,则这一子系统必须是一个开放系统,这一子系统中除了熵减过程外,还必须要有一个熵增的物质或能量的传输过程。在空调制冷的过程中,热量从温度较低、能量密度较低的室内集中到了温度或能量密度较高的室外,这是一个纯粹的熵减过程,但是,在这一熵减过程进行的同时,空调必须耗电,将电能转变为机械能,并进而转变为热能,这是一个熵增的能量扩散过程,从而使得包含室内和室外及电源的整个系统是熵增的。

   从物质能量流动的角度讲,生命过程是一个物质能量的传输和集中过程,物质能量的集中就是生物的生长。当生物不再生长时,生物的生存过程就是纯粹的物质能量传输过程。从热力学的角度讲,生命过程可以认为是一个符合热力学第二定律的区域性的自发的熵减过程,在包括生命体及其生存环境的总系统中,熵是增加的。熵减过程就是生物的生长过程。当熵减过程结束后,维持已有的负熵值的过程就是生物的生存过程。为了生产负熵,更为了维持已有的负熵值,系统必须始终存在一个熵增的物质能量传输过程。新陈代谢过程中,除了包含有一个熵减的物质能量集中过程外,还包含了一个使生物生长不违反第二定律的熵增的物质能量的传输过程。显然,只有当生命系统是一个与外界有物质和能量交换的开放系统时,符合第二定律的熵减过程才有可能发生。

   关于生物体内的物质和能量的传输过程,生物学已从微观的角度进行了深入细致的研究。但是,关于植物体内的光和作用、关于动物体内的物质代谢和能量代谢,有许多问题我们还未完全了解,许多细节还有待深入探究。从微观和宏观两个方面进一步深入研究生命过程中的物质能量流动,仍然是生命科学的一项主要工作。本文就试图从宏观的角度来讨论生命过程中的物质能量流动。

   据说,有科学家曾对小白鼠喂食具有放射性物质的食物,过几天再改喂正常食物。通过检测发现,开始时,放射性物质在胃部富集,然后,扩散至全身包括毛发的所有部位,最后,放射性物质又逐渐被正常物质替代。这说明,即使是发育成熟的器管,其细胞内部仍然在不断的进行着物质能量的流动。

薛定谔在他著名的《生命是什么》一书中,认为生命体是"以负熵为生的"。生命体为了维持它的有序结构,必须"吃进负熵",但"吃进"物质或能量却似乎不是必须的。耗散结构理论的创始人普里高津也认为,系统的熵由系统自身不断产生的正熵和外界流入系统的熵两部分组成。因此,要维持一个有序的、具有负熵值的系统,则必须由外界不断的向系统输入负熵。本文认为,熵不是一个守恒量,熵是一个在系统变化过程中,(点击此处阅读下一页)


爱思想关键词小程序
本文责编:张容川
发信站:爱思想(http://m.aisixiang.com)
本文链接:http://m.aisixiang.com/data/84361.html
文章来源:爱思想首发,转载请注明出处(http://www.aisixiang.com)。
收藏