全书PDF下载：https://pan.baidu.com/s/1VfHsY6R0D7BgH7y_O8jr4g
｜张明 著｜
二十五、耗散系统与生命自组织
任何生物，不管是人类、动物、植物、微生物，都有一个明显的外在特征，即在它们生命存在的始终，不间断地与生命体的外界进行物质和能量交流活动。生物在从事交换活动中，进入或排出生命体的物质和能量并非能够是任意的，而是经由生物体对之进行选择、甄别。一般地说，每种生命体相应都有几种特殊的物质被允许进入生命体内，通过一系列的生命化学反应之后，变换成另外的物质排出体外。这种进程被称之为新陈代谢。在新陈代谢过程中，生命体呈现出不同于自然界其他运动（机械、物理、化学等）的一种特殊运动——生命运动。
在19世纪，当时的科学家提出了自然界演化的两个规律。一个是以克劳修斯为代表提出的热力学第二定律（熵增定律），宣称世界自发地朝熵增方向演变。自然界中的能量虽然守恒，但是自由能随时间的流逝却越来越少，世界从有序状态向无序状态发展，最终宇宙会到达温度均一的热寂状态，从而没有了任何有序运动，当然也就没有了生命运动。
另一个是以达尔文为代表提出的生物进化论。对生物进化的观察和研究确凿无疑地证明了，生命运动并不符合热力学第二定律所指明的方向，它自发地从无序状态向有序状态，从简单状态向复杂状态，从低级状态向高级状态发展，即向熵减方向发展。它与热力学第二定理相逆。
生物进化规律与热力学第二定理的矛盾使得一些著名科学家深思。其中有些科学家（玻耳兹曼、薛定谔等）正确地提出了生命的本质就是从外界摄入负熵以抵御生命体内自发地产生正熵的过程。但是对于生命这种过程，当时提不出一种有说服力的机理性解释，只能停留在思辨的阐述上。但随着新学科的出现，新思想的诞生，新领域的拓宽，今日的人们开始了生命本质的机理性解释。
奥地利物理学家普利高津提出耗散结构理论，为人们找到沟通生物进化理论与热力学第二定律这两种有关自然演进对立理论之间的第一座桥梁。
耗散结构理论指出，一个开放系统（指有物质的进入退出，又有能量的流入输出），当远离热力学平衡状态时，由于系统内部的各种微观状态的随机起伏变化，系统会发生宏观的自催化自组织过程，使得原本具有较低有序程度的系统自发地沿着熵减方向发生变化，形成一个具有较高有序程度的系统。这种较高有序程度系统不但能够稳定地存在，在合适的情况下，还能向更高更有序的程度发展。
保证系统发生上述变化的条件除了该系统远离热平衡状态外，还要求该系统能够从外界获得低熵值的物质和能量，并且扬弃高熵值的物质和能量。系统在这种物质和能量进入流出的循环中获得了负熵流。这些负熵在系统内部流通转化过程中，逐渐耗散而抵消了在系统内部产生的正熵，从而使得耗散结构系统保持有序稳定运行状态，以及向较高有序程度进展的过程。值得指出的是，耗散结构系统形成和存在的能力，并不与耗散结构系统本身与外界所处的熵值状态的差值大小紧密相关，只要耗散系统能在物质与能量进入流出的循环中获得负熵流，则耗散系统就能稳定存在以至于继续向低熵值状态发展。这种过程可以形容为“从混沌到有序”。
因此，耗散结构理论在绝对没有违背热力学第二定律下（实质上它是热力学第二定律在远离热力学平衡状态下的拓展），不但解释了自然界中具有较高有序状态的生命现象能够稳定存在于较低有序状态自然界的延续机制，而且也解释了生物不断进化即生命现象有序程度不断提高的进化机制。
虽然，现时人们还远远没有达到运用该理论对生命的起源与进化机制进行严格阐明解释阶段，但是可以预见的结论如同普里高津自己所说：“只要自组织的条件得到满足，生命就成为可预言的，就像我们能预言贝纳德不稳定性或预言一块下落的石头一样。”（伊•普里高津，伊•斯唐热.《从混沌到有序》.上海：上海译文出版社，1987年版，第222页）
每一个生命体本身都是一个远离热力学平衡区域的开放系统。单个生命体的整个存在历程，就是一个通过物质和能量的进出循环不断地从外界摄取负熵流以抵御生命体内产生正熵的过程。这个过程的外在表现就是新陈代谢。一旦停止了新陈代谢，或者新陈代谢低于某一极限值，生命体内不断产生的正熵就不能抵御，生命就会死亡。如果把生命在新陈代谢过程中由于物质能量进出循环所能获取的负熵流值与体内产生的正熵率值进行比较，应有如下关系存在：前者与后者的代数和一般应是负值，极限情况时代数和是零。一旦代数和是正值，那么随着时间的流逝，生命体内的正熵不断累积，最终一定导致生命的死亡。
作者联系方式：
QQ：1103797371
微信：zhangming1954
电子邮箱：zhangming1954@163.com
网友评论