生命以负熵为食 生命以负熵为食？快来看看我们的身体到底是怎样生长的

生命摄入的“负熵”

生命的奥秘在于它能够避免迅速衰退到一种惰性的“平衡状态”。这是如此神秘，以至于人们认为有一种特殊的非物质或超自然力量控制着生命。即使是现在，还是有人这么认为。

生活如何避免衰退？显而易见的答案是:吃、喝、呼吸、同化。这个术语叫做新陈代谢。这个希腊语单词的意思是改变或交换。那么交换条件是什么？毫无疑问，这个词背后最早的含义是交换材料。

然而，认为事物的本质是物质交换是荒谬的。氮原子、氧原子、硫原子等。，任何原子都与其同类相同；换货能得到什么？有一段时间，我们以为是在交换能量，后来就不去探究这个问题了。

在发达国家的一些餐馆里，你不仅可以看到价格，还可以看到菜单上的菜肴所包含的能量。毫无疑问，这是荒谬的。因为一个成年生物体所包含的能量和它所包含的物质一样稳定。既然热量无论从哪里来都是一样的，单纯的交换热量似乎改变不了什么。一个

1.薛定谔可能没有增重或者减重。当然，他在这里实际上的意思是，仅仅从能量摄入的角度考虑，并不能解释为什么人们要专门吃食物，而不是在饿的时候用火烘烤，吸收环境中的热量或其他形式的能量。-译者注

那么，食物中含有哪些可以防止我们死亡的珍贵的东西呢？答案很简单。综上所述，自然界发生的一切——无论你称之为过程、事件还是正在发生的事情——都意味着那个地方的熵在增加。因此，个体生物的熵不断增加。或者可以称之为产生正熵。

这样一来，生物倾向于最大熵，这种危险的情况就是死亡。要想活下去，远离最大熵，生物体必须不断从环境中吸收负熵——我们很快就会看到这件事的重要性。生物靠负熵为生。或者说，换一种说法，新陈代谢的本质是让生物体成功地释放生命活动中不可避免地产生的熵。

熵是什么？

熵是什么？首先要强调的是，熵不是一个模糊的概念，而是一个可以测量的物理量，就像木棍的长度，体内任意一点的温度，某个晶体的聚变热，任何物质的比热一样。任何物质在绝对零度时的熵都是零。当你缓慢可逆地改变物质的状态，你就可以计算出增长的熵。

1这是“热力学第三定律”的一种表述。-译者注

计算方法是，在物质状态转换的过程中，把你每次提供的微小热量除以当时物质的绝对温度，然后把这些微小的贡献加起来。例如，当你熔化一个固体时，它的熵增加等于熔化热除以熔点温度。可见熵的单位是每摄氏度的卡路里。

熵的统计意义

我还必须介绍熵的专业定义，这纯粹是为了揭开经常笼罩在熵上的神秘面纱。对我们来说，更重要的是有序和无序的统计概念。玻尔兹曼和吉布斯的统计物理研究揭示了这种关系。这也是一个非常精确的定量关系，表示为:

熵=klogD

其中k是玻尔兹曼常数，d是衡量被考察对象中原子无序程度的量化值。几乎不可能用没有术语的简单词语来准确解释d的意思。但D所代表的无序程度，一部分来自热运动，一部分来自系统中不同种类的原子和分子，随机混合在一起，而不是截然不同。

1即对于可逆过程，s = ∫ dq t

2 1口径。/℃ = 4.2 J/K .需要注意的是，健身和营养中经常出现的“卡路里”或“大卡”，其实是指1000卡路里，也就是4.2 kJ。-译者注

以上面列出的糖和水分子为例，可以很好的解释玻尔兹曼公式。糖逐渐“扩散”到所有可及的水中，增加无序度D，从而增加熵。显然，供给系统的任何热量都会增加热运动的强度，即增加D，从而增加熵。这在晶体熔化过程中最为明显，因为熔化破坏了原子或分子在晶体中整齐而永久的排列，使晶格变成一个不断变化的随机分布。

对于一个孤立的系统或者一个同质环境下的系统，其自身的熵是不断增加的，基本上很快就会趋向于最大熵的惰性状态。

这样，我们就可以把这个物理学的基本规律理解为:除非我们有意消除混沌，否则事物自然趋向于混沌。

生物组织是通过从环境中汲取“秩序”来维持的

活的生物体可以延缓向热力学平衡的下降。如何用统计理论的语言来描述生物这种非凡的能力？我们之前说过:“生命带负熵”。生命其实是在为自己画一个负熵流，以补偿生命活动带来的熵增，从而使自己维持在一个稳定的、相对较低的熵状态。

如果D是无序的度量，那么它的倒数1/D可以作为有序的直接度量。因为1/D的对数就是D的对数加一个负号。所以，我们可以写出玻尔兹曼公式:

负熵=k/n(1/D)

所以“负熵”这个奇怪的表述可以用更好的“熵”来代替。只要带有负号，熵本身就是衡量秩序的尺度。所以，一个有机体为了维持自身的稳定，维持高度的秩序，所采取的策略是不断从其环境中吸收秩序。

与开始相比，这个结论现在看起来不那么矛盾了。现在看来挺正常的。是的，我们很清楚高等动物从食物中完全吸收了秩序，因为食物是由复杂的有机物组成的，处于极其有序的状态。动物在享受美食后，会把它变成劣等形态。但这不是最低级的形式，因为植物仍然可以利用它们。

对第六章的评论

我对负熵3 ^ 3的阐述，遭到了物理学界同行的质疑和反对。首先我想明确一点，如果我迎合他们的意见，我会把讨论的话题改成自由，3，3，能力，3。在这种情况下，自由能是一个更熟悉的概念。但是自由能是一个很专业的名词，在语言学上似乎和能量33过于接近，使得普通读者可能意识不到两者的区别。

读者可能会认为自由33只是某种修辞33。有没有都无所谓。但实际上自由能的概念相当复杂，它与玻尔兹曼有序-无序原理的关系比熵与带负号熵的关系更难以捉摸。另外，“带负号的熵”不是我发明的。它只是出现在玻尔兹曼最早的论证中。

但是f .西蒙已经向我指出了一点，我简单的热力学考虑并不能解释为什么我们必须吃“由更复杂的有机物组成的极其有序的食物”而不是木炭或DIA浆。他说得很对。不过，我必须向外行读者解释一下。

根据物理学家的说法，未燃烧的木炭或DIA，连同燃烧它所需的氧气，也是处于非常有序的状态。我们来证明一下:如果燃烧木炭，会产生大量的热量。该系统通过向环境释放热量来释放反应产生的大量熵。最后，系统在燃烧前实际上变成了等熵状态。

1历史上对“生命依赖于负熵”的批评之一是薛定谔没有使用“自由能”的概念；在学术上，“自由能”的确是一个更准确的概念。“自由能”不仅包括熵，还包括能量。在物理和化学变化中，能量和熵都在变化。盲目追求“负熵”不一定对生物学有益。过度有序的结构甚至可能阻碍生物的正常功能。在某些生化过程中，需要牺牲一点熵增来换取能量效应。举个极端的例子:原子排列整齐的晶体是典型的“低熵”状态，但生命不能变成晶体。“自由能量”中“自由”的含义可以理解为一个系统可以“自由控制”并实际取出“做事”的能量。我们知道，热力学第一定律表明能量是守恒的。当一个物体对另一个物体做功时，它只是能量的转移。但是，转移的能量只有一部分做了实事。其他能量，其中一部分变成热量耗散掉，增加了环境的熵，另一部分可能用于物体本身的体积变化。扣除这些耗散的能量后，一个物体实际上能取出来对外做功的能量就是“自由能”——即一个物体能“自由”控制的能量。-译者注

然而，我们不能吃燃烧产生的二氧化碳。所以，西蒙对我的批评是相当正确的。食物中的能量含量真的很重要。所以，我拿餐厅菜单上列出的能量开玩笑是不合适的。我们不仅需要能量来补充体育锻炼消耗的机械能，还需要能量来补充我们不断释放到环境中的热量。我们向环境散热不是偶然的，而是必然的。

因为，正是这样，我们才能把生命活动中不断产生的冗余熵排放到环境中。这似乎表明，温血动物由于体温相对较高，具有熵释放较快的优势，因此可以承受更剧烈的生命活动。我不确定这个说法有多正确。

有些人可能会反对，因为从另一个角度来看，很多温血动物都有皮毛或羽毛，它们的作用恰恰是防止热量散失过快。所以，虽然我相信体温和“生活强度”之间是有关联的，但这种关系更有可能直接来自范德霍夫定律的作用。正如我们在第5章第11节末尾提到的，提高温度会加速生物体中的化学反应。

什么是生活