从制造生命基础物质,如氨基酸,再到制造复杂物质,如蛋白质,在这条路上,人类可以制造出一个生命所具备的全部物质组织。
1965年,中国科学家成功合成了牛胰岛素,这是一个由51个氨基酸组成的蛋白质。到今天,我们可以用机器自动合成更多的复杂蛋白质分子。或者更进一步,利用微生物帮助我们制造所有的蛋白质。
再说DNA,美国哥伦比亚大学的科学家居然人工合成了一个超长的DNA链,并且利用DNA编码规则,在里面存储了一整套计算机操作系统和一部法国电影。
在构成生命的复杂物质这个层面上,人类取得的了全部胜利。那制造出活的生物体,是不是指日可待呢?
没那么简单
一个最简单的比方,我们常说“煮熟的鸭子飞不了”。鸭子在煮熟前后那一瞬间,身上的物质构成还没有发生变化呢,但生命却是有和无的区别。这说明除了物质之外,生命的运转还需要一些别的东西。
别的东西是什么呢?
如果我们把生命比喻成一座大厦,那么氨基酸、蛋白质、DNA这些物质就是建造大厦用的砖头瓦块,显然砖头瓦块并不能自动盖起大厦,而需要盖楼的人。
同样的道理,构建一个生命,给物质赋予活力的又是谁呢?生命的第二个必不可少的元素:能量。
活着就是对抗热力学第二定律
薛定谔在他的名著《生命是什么》,这本书中最经典的观点是:“生命以负熵为生”。
要理解这句话,首先要理解什么是“熵”,要理解“熵”,这里需要补充一个重要的物理知识点:热力学第二定律,爱因斯坦说过广义相对论可能是错的,只有热力学第二定律是永恒的存在。
热力学第二定律是说在任何一个孤立系统里,总体的混乱程度,只会增大不会变小,直到达到混乱的最大化。利用这个规律你可以解释经济系统的崩溃,王朝的覆没,生命的终结,为什么经济系统运行一段时间之后会出现经济危机,就是因为经济运行一段时间之后出现了总体混乱程度最大化,经济系统从外部汲取动力抵消不了系统本身的混乱,总体达到熵最大化;王朝也是刚建立的时候秩序井然有条,时间久了,就出现系统的混乱,难从外部汲取动力;生命也是一样。
所有生命活着的终极使命只有一个,就是对抗它。如果有一天不再对抗它了,那生命就离终结不远了。
这种从有序到混乱的变化,背后的驱动力就是热力学第二定律。
这个定律的表述里,系统的混乱程度被称做“熵”。任何一个孤立的系统,都会走向更大的混乱,也就是熵会不断增加。熵最大的时候,就意味着丧失了变化的能力,新的平衡出现了,再次出现就是天堂。
一个苹果,落在地上之后,内部秩序从有序走向无序,熵不断增加,从腐烂变质,到最终融入大地,达到新的平衡;
一根钢筋,熵增的过程就是不断被锈蚀的过程;一块岩石,熵增的过程就是被风化的过程……
生命以负熵为生
解了热力学第二定律,你很可能马上就会想到,生命现象好像根本就不该出现啊。
生命是个多么有序的现象啊,复杂的生物化学反应自发地在生物体内发生,动辄数以百万亿细胞在一个生物体内自发分工协作运转。
如果大自然必然走向不可逆的无序,那么生命这样复杂精密的时空结构,是怎么在无序中产生的呢?
不光如此,只要生命体还活着,它就必须有能力持续地保证它的混乱程度非常小,时空结构高度精密,这都是和热力学第二定律恰好相反的。难道你我真的是逃出自然规律之外的异类吗?
解答就藏在热力学第二定律中。
薛定谔的表述里有“孤立系统”这4个字。什么是孤立系统?就是没有能量和物质输入、输出的系统。
如果有能量持续地输入,那么热力学第二定律就打开了一扇后门:在一定空间、一定时间的范围内,混乱程度有可能持续下降。
只要有持续的能量输入,生命现象、高度精密的时空结构,是能够存在并得到很好的维持的。
所以,能量才是生命现象得以发生的根本动力。
薛定谔说,一个动物想要活着,就得持续不断地吃下去混乱度比较低、熵也比较低的食物,然后排泄出混乱度比较高,熵也比较高的粪便。
这样一来,动物就等于是从环境中攫取了负的熵,从而能够降低自身的混乱度,维持生命现象的发生。
动物可以从食物中获得能量、攫取负熵,那植物呢?薛定谔也给出了一个解释——最终的负熵来源,就是太阳光携带的能量。
因此,吃东西或者晒太阳这些日常行为,其实是生命体在完成一个崇高的使命——吸取能量,对抗热力学第二定律,维持生命现象,这就是“生命以负熵为生”。
人类有可能像制造汽车一样制造生命吗?
无论如何制造,首先要解决一个问题,就是要让那些构成生命的基础物质拥有自发从环境中获取能量、利用能量的能力,而这个从环境中汲取能量的技术还在等待人类漫长探索。
只有不断地输入能量,生命现象才有可能发生。这就是薛定谔的名句“生命以负熵为生”的真正含义,也才真正理解“生命在于运动”其实就是从外部环境汲取熵比较低的物质或者能量来对抗自己本身的熵增。
网友评论