生命是什么？-第8章

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们之间的关系已经由玻尔兹曼和吉布斯在统计物理学方面的研究所揭示。这也是一种精确的定量关系，它的表达式是：熵＝klogD，k是所谓的玻尔兹曼常数（＝3。2983E…24卡/℃），D是有关物质的原子无序状态的数量量度。要用简短的非专业性的术语对D这个量作出精确的解释几乎是不可能的。它所表示的无序，一部分是那种热运动的无序，另一部分是存在于随机混合的、不是清楚地分开的各种原子或分子中间的无序。例如，上面例子中的糖和水的分子。这个例子可以很好地说明玻尔兹曼的公式。糖在所有水面上逐渐地“溢出”就增加了无序D，从而增加了熵（因为D的对数是随D而增加的）。同样十分清楚的是，热的任何补充都是增加热运动的混乱，就是说增加了D，从而增加了熵。为什么应该是这样情况呢？只要看下面的例子就更加清楚了，那就是，当你熔化一种晶体时，因为你由此而破坏了原子或分子的整齐而不变的排列，并把晶格变成了连续变化的随机分布了。
　　
　　一个孤立的系统，或一个在均匀环境里的系统（为了目前的考虑，我们尽量把它们作为我们所设想的系统的一部分），它的熵在增加，并且或快或慢地接近于最大值的熵的惰性状态。现在我们认识到，这个物理学的基本定律正是事物接近混乱状态的自然倾向（这种倾向，跟写字台上放着一大堆图书、纸张和手稿等东西表现出的杂乱情况是同样的），除非是我们在事先预防它。（在这种情况下，同不规则的热运动相类似的情况是，我们不时地去拿那些图书杂志等，但又不肯化点力气去把它们放回原处。）
　　

　　60。　从环境中引出“有序”以维持组织
　　
　　一个生命有机体通过不可思议的能力来推迟趋向热力学平衡（死亡）的衰退，我们如何根据统计学理论来表达呢？我们在前面说过：“以负熵为生”，就象是有机体本身吸引了一串负熵去抵消它在生活中产生的熵的增加，从而使它自身维持在一个稳定的而又很低的熵的水平上。
　　
　　假如D是无序的度量，它的倒数1/D可以作为有序的一个直接度量。因为1/D的对数正好是D的负对数，玻尔兹曼的方程式可以写成这样：负熵＝klog（1/D）。
　　
　　因此，“负熵”的笨拙的表达可以换成一种更好一些的说法：取负号的熵，它本身是有序的一个量度。这样，一个有机体使它本身稳定在一个相当高的有序水平上（等于熵的相当低的水平上）的办法，确实是在于从它的环境中不断地吸取秩序。这个结论比它初看起来要合理些。不过，可能由于相当繁琐而遭到责难。其实，就高等动物而言，我们是知道这种秩序的，它们是完全以此为生的，就是说，被它们作为食物的、复杂程度不同的有机物中，物质的状态是极有序的。动物在利用这些食物以后，排泄出来的是大大降解了的东西，然而不是彻底的分解，因为植物还能利用它。（当然，植物在日光中取得“负熵”的最有力的供应）　







　第七章　生命是以物理学定律为基础的吗？


　　如果一个人从不自相矛盾的话，一定是因为他从来什么也不说。——乌那木诺

　　
　　61。　在有机体中可以指望有新的定律
　　
　　总之，在这最后一章中我希望阐明的是，根据我们已知的关于生命物质的结构，我们一定会发现，它的活动方式是无法归结为物理学的普遍定律的。这不是由于有没有什么“新的力量”在支配着生命有机体内单一原子的行为，只是因为它的构造同迄今在物理实验室中试验过的任何东西都是不一样的。浅显地说，一位只熟悉热引擎的工程师，在检查了一台电动机的构造以后，会发现它是按照他还没有懂得的原理在工作的。他会发现，他很熟悉的制锅用的铜，在这里却成了很长的铜丝绕成了线圈；他还会发现，他很熟悉的制杠杆和汽缸的铁，在这里却是嵌填在那些铜线圈的里面。他深信这是同样的铜和同样的铁，服从于自然界的同样的规律，这一点他是对的。可是，不同的构造却给他准备了一种全然不同的作功方式。他是不会认为电动机是由幽灵驱动的，尽管它不用蒸汽只要按一下开关就运转起来了。
　　

　　62。　生物学状况的评述
　　
　　在有机体的生命周期里展开的事件，显示出一种美妙的规律性和秩序性，我们碰到过的任何一种无生命物质都是无法与之匹敌的。我们发现，它是受一群秩序性最高的原子所控制的，在每个细胞的原子总数里，这种原子团只占了很小的一部分。而且，根据我们已经形成的关于突变机制的观点，我们断定，在生殖细胞的“占统治地位的原子”团里，只要很少一些原子的位置发生移动，就能使有机体的宏观的遗传性状中出现一个明显的改变。
　　
　　这些事实无疑是当代科学所揭示的最感兴趣的事实。我们也许会发现它们终究还不是不能接受的。一个有机体在它自身集中了“秩序之流”，从而避免了衰退到原子混乱－－从合适的环境中“吸取秩序”－－这种惊人的天赋似乎同“非周期性固体”，即染色体分子的存在有关。这种固体无疑代表了我们所知道的最高级的有序的原子集合体－－比普通的周期性晶体的有序高得多－－它是靠每个原子和每个自由基在固体里发挥各自的作用。
　　
　　简单地说，我们亲眼看到了现存的秩序显示了维持自身和产生有序事件的能力。这种说法听上去似乎是很有道理的。然而它之所以似乎有道理，无疑地是由于我们汲取了有关社会组织的经验和涉及到有机体活动的其他事件的经验。所以，它有点象一种恶性循环的论证。
　　

　　63。　物理学状况的综述
　　
　　不管怎样，必须反复强调的一点是，对于物理学家来说，这种事态非但不是似乎有道理的，而且是最令人鼓舞的，因为它是新奇的。同一般的看法相反，受物理学定律支配的事件的有规律的进程，决不是原子的一种高度有序的构型的结果－－除非原子构型本身不象在周期性晶体里，也不象在由大量相同分子组成的液体或气体里那样地多次重复。
　　
　　甚至在化学家离体处理一种很复杂的分子时，还总是面临着大量的同样的分子。他把化学定律应用于这些分子。比如，他会告诉你，在某个开始了一分钟以后，有一半的分子起了反应，二分钟后四分之三的分子起了反应。可是，你如果能盯住某一个分子的进程，化学家也就无法预言这个分子究竟是在起了反应的分子中间，还是在还没有起反应的分子中间。这纯粹是个机遇的问题。
　　
　　这并不是一种纯理论性的推测。也不是说我们永远无法观察到一小群原子，或者甚至是单个原子的命运。有时我们是能观察到的，只有平均统扯一下才能产生规则性。第一章里我们举过一个例子。悬浮在液体中的一颗微粒的布朗运动，是完全不规则的。可是，如果有许多同样的微粒，它们将通过不规则的运动引起有规则的扩散现象。
　　
　　单个放射性原子的蜕变是观察得到的（它发射出一粒“子弹”，在荧光屏上会引起一次可见的闪烁现象）。可是，如果把单个放射性原子给你，它可能的寿命比一只健康的麻雀要短得多。真的，关于单个放射性原子只能这样说：只要它活着（而且可能活几千年），它在下一秒钟里毁灭的机会，不管机会是大还是小，总是相同的。这种明显地不存在单个的决定，结果还是产生了大量的、同一种放射性原子衰变的精确的指数定律。
　　

　　64。　明显的对比
　　
　　在生物学中，我们面临着一种完全不同的状况。只存在于一个副本中的单个原子团有秩序地产生了一些事件，并根据最微妙的法则，在相互之间以及同环境之间作难以置信的的调整。我说只存在于一个副本中，是因为我们毕竟还有卵和单细胞有机体的例子。在高等生物发育的以后阶段里，副本增多了，那是确实的。可是，增加到什么程度呢？我知道，在长成的哺乳动物中有的可达10的14次方。那是多少呢？只有一立方吋空气中的分子数目的百万分之一。数量虽然相当大，可是聚结起来时它们只不过形成了一小滴液体。你再看看它们实际分布的方式吧。每一个细胞正好容纳了这些副本中的一个（或二个，如果我们还记得二倍体），既然我们知道这个小小的中央机关的权力是在孤立的细胞里，那么，每个细胞难道不象是用共同的密码十分方便地互通消息的、遍布全身的地方政府的分支机构吗？
　　
　　这真是个异想天开的描述，有点象出自诗人的而不是科学家的手笔。然而，这并不需要诗人的想象，而只需要有明确而严肃的科学反映去认识我们现在面对着的事件，就是说，指挥这些事件有秩序地、有规则地展开的“机制”同物理学的“概率机制”完全是两码事。这些还只不过是观察到的事实而已，即每个细胞中的单个原子集合体之中，现在一份（有时是两份）副本中的单个原子集合体之中，而且它产生的事件却是有序的典范。对此，我们感到惊异也罢，认为它好象很有道理也罢，反正一个很小的可是高度组织化的原子团是能够以这种方式起作用的，这是新奇的情况，是生命物质以外任何地方都还不知道有的情况。研究无生命物质的物理学家和化学家们，从来没有看到过他们必须按这种方式来进行解释的现象。正因为以前没有提出过这种事例，所以我们的漂亮的统计学理论没有包括它，我们的统计学理论是很值得骄傲的，因为它使我们看到了幕后的东西，使我们注意到从原子和分子的无序中提出精确的物理学定律的庄严的有序；还因为它揭示了最重要的、最普遍的、无所不包的熵增加的定律是无需特殊的假设就可以理解的，因为熵并非别的东西，只不过是分子本身的无序而已。
　　

　　65。　产生有序的两种方式
　　
　　在生命的发展中遇到的秩序性有不同的来源。有序事件的产生，看来有两种不同的“机制”：“有序来自无序”的“统计学机制”，和“有序来自有序”的一种新机制。对于没有偏见的人来说，第二个原理似乎简单得多，合理得多。这是无疑的。正因为如此，所以物理学家是如此自豪地赞成另一种方式，即赞成“有序来自无序”的原理。在自然界中，不仅实际上是遵循这个原理，而且只有这个原理才使我们理解自然界事件的长期发展，首先是理解这种发展的不可逆性。可是，我们不能指望由此得出的“物理学定律”能直截了当地解释生命物质的行为，因为这些行为的最惊人的特点，是明显地主要以“有序来自有序”的原理为基础的。你不能指望两种全然不同的机制会提出同一种定律，正象你不能指望用你的弹簧锁钥匙去开你邻居的门。
　　
　　因此，我们不必因为物理学的普遍定律难以解释生命而感到沮丧。因为根据我们对生命物质结构的了解，这正是预料中的情况。我们必须准备去发现在生命物质中、占支配地位的新的物理学定律。这种定律，我们姑且不称它是一种超物理学定律，可是难道能称之为非物理学定律吗？
　　

　　66。　新原理并不违背物理学
　　
　　不，我不那么想。因为这个涉及到的新原理是真正的物理学原理：在我看来，这不是别的原理，只不过是量子论原理的再次重复。要说明这一点，我们就要说得详细些，包括对前面作出的所有物理学定律全以统计学为基础的论断作一番推敲，但不是作修正。
　　
　　这个一再重复的论断，是不可能不引起矛盾的。因为确实有很多现象，它们许多突出的特点是明显地直接以“有序来自有序”的原理为基础的，并且同统计学和分子的无序看来是毫无关系的。
　　
　　太阳系的秩序，行星的运动，几乎是无限期地维持着。此时此刻的星座是同金字塔时代的任何一个具体时刻的星座一脉相承的；从现在的星座可以追溯到那时的星座，反过来也是如此。曾经预测过历史上的日食和月食，并且发现这种预测同历史上的记载几乎是完全符号的，在某些情况下，甚至用来校正公认的年表。这些预测不包括任何一种统计学，它们是以牛顿的万有引力定律作为唯一的依据的。
　　
　　一台好的时钟，或者任何类似的机械装置的有规则运动，似乎跟统计学是无关的。总之，所有纯粹机械的事件，看来是明确而直接地遵循着“有序来自有序”的原理。如果我们说“机械的”，必须在广义上来使用这个名词。你们知道，有一种很有用的时钟，是以电站有规则地输送电脉冲来运转的。
　　
　　我记得马克斯？普朗克写过一篇很有意思的小文章，题目是《动力学型和统计学型的定律》（德文是《动力学和统计学的合法性》）。这两者的区别，正好就是我们在这里称之为“有序来自有序”和“有序来自无序”的区别。那篇文章旨在表明控制宏观事件的统计学型的定律，是如何由被认为是控制微观事件、即控制单原子和单分子的相互作用的“动力学”定律所组成的。宏观的机械现象，如行星或时钟的运动等，说明了后一种类型的定律。
　　
　　这样看来，被我们一本正经地当作了解生命的真正线索的“新原理”，即“有序来自有序”的原理，对物理学来说，完全不是新东西。普朗克甚至还摆出了论证它的优先权的架势。我们似乎得出了可笑的结论，即了解生命的线索是建立在纯粹机械论的基础之上的，是普朗克那篇文章所说的“钟表装置”的基础之上的。我看，这个结论既不是可笑的，也不是全错的，但是对它是“不可全信”的。
　　

　　67。　钟的运动
　　
　　让我们来精确地分析一台真的钟的运动。它决计不是一种纯粹机械的现象。一台纯粹机械的钟不必有发条，也不必上发条。它一旦开始运动，就将永远进行下去。一台真正的钟，如果不用发条，在摆动了几下以后就停摆了，它的机械能已转化为热能。这是一种无限复杂的原子过程。物理学家提出的这种运动的一般图景，迫使其承认相反的过程并不是完全不可能的：一台没有发条的钟，依靠消耗它自己的齿轮的热能和环境的热能，可能突然地开始走动了。物理学家一定会说：时钟体验了布朗运动的一次非常灵敏的扭力天平（静电计或电流计），就能一直发生这种事情。时钟当然是绝对不可能的。
　　
　　一台时钟的运动能否归因于动力学型或统计学型的合法事件（用普朗克的说明），这取决于我们的态度。称它为一种动力学现象时，我们是集中注意于有规则的运行，一根比较松的发条就可以产生这种运行，而这根发条克服的热运动的干扰是很微小的，所以我们可以忽略不计。可是，如果我们还记得，没有发条，时钟就会因摩擦阻力而渐渐地停摆，我们认为，这种过程只能理解为一种统计学的现象。
　　
　　然而，认为时钟中的摩擦效应和热效应是无足轻重的观点，也许是一种来自实用的观点；而没有忽视这些效应的第二种看法，无疑是更基本的一种看法，即使在我们面对着用发条开动的时钟有规则地运动时，这也是基本的看法。因为它决不认为开动的机制真是离开了过程的统计学性