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[阿什卡咖啡馆] 生命科学|生命——走钢丝的高手

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发表于 2018-5-9 11:04:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

品质源于技术 服务源于态度
这是阿什卡微信公众号的第509篇原创文章
首发于2018年5月7日
生命的第一个特点:自组织


时间倒退到1945年4月30号...

砰!

希特勒扣动扳机。元首一生都在追求绝对控制、绝对有序。然而,定制版瓦尔特PPK射出的子弹,却破坏了元首头部的有序结构。所以元首死了。

而那个让德军“迷之密码系统”变成广告,坑死德军的数学家、逻辑学家,却云淡风轻地在研究“有序”。他就是计算机科学之父、人工智能之父图灵。

图灵被一个问题迷住了:细胞刚分裂时,都是一样一样的啊,为什么搞着搞着,有的贵为眼睛,而有的却只能当脚趾头,凭啥?

是谁在指挥无数个细胞搭成一个活生生的人呢,是元首吗?当然不是。

不过,元首用生命教导我们:有序性崩溃的身体,只能叫做尸体。这是失去了生命的生物遗体的统称。

是的,生命虽然千奇百怪,但离不开一个共同特点:有序。

啥叫有序呢?就是确定的、有规则的、不乱来的。比如猪,都有头有脸,有鼻有眼。虽然长相不敢恭维,但各器官功能专一,井然有序,少了哪样都不行。再比如草履虫,虽然渺小到在高倍显微镜下才能一展尊容,但其DNA序列照样有条不紊,不比猫咪的乱半分。生命从结构到功能,都是条理清楚,次序分明,从来不做拍脑门的事。

这真是一件很奇怪的事情。

你看,在自然状态下,一个孤立系统中的事物,趋势总是越来越“无序”:墨滴在水里溶开,不会自动聚回墨滴;沙雕在风里吹散,不会自动聚成沙雕。人类描述这个现象,用的是热力学第二定律,也叫熵增定律。

所谓熵,比较通俗的解释是“混乱程度”。其实“熵”还有更准确一点的解释:有效能量耗散程度。

啥叫“有效能量”呢?

从心理学来讲,“曾经你就是我的空气”,这是有效能量;“我怎么感觉不到你”,这是无效能量。

从物理学来讲,宇宙中的总能量,不增不减,只能互相转化。比如石头从楼顶掉到地面,势能转化成动能,这个动能可以用来做功,这就叫有效能量。

那么,石头掉到地面、停下后,它的势能就消失了吗?不,势能转化成了热能,耗散了,不会再自动转化回去。不然的话,我们会看到满世界石头自动跳上跳下,没完没了。

能量转换这件事儿,在宇宙中时刻都在发生。虽然宇宙的总能量不变,但有效能量最终会耗散殆尽。那时,宇宙就是一锅均匀的能量粥,不再相互转化。,这个无言的结局,就是所谓的“热寂”。这是一个无法拒绝的结局。因为它是“熵增”的必然结果。

为什么天空变成灰色,为什么大地没有绿色,为什么犀牛没有了角,为什么大象没有了牙?因为熵增。

没有人能逆转宇宙的熵增,就算你能挽救股灾也不行。

不过,聊了半天熵增的“系统”,你可能没注意到它有个定语:孤立。熵增不是所有系统的性质,而是“孤立系统”的性质。啥叫孤立系统?躲进小楼成一统,你都不算孤立系统。不和外界交换能量,才叫孤立系统。

在这个宇宙,有无数个相对孤立的系统。但称得上绝对孤立的系统只有一个,那就是宇宙本身。因为它没有“外界”的能量可以交换。所以宇宙的总熵是在不断增加的。但是,这并不代表宇宙时时处处都在不停走向混乱。

乱中有序,才是宇宙规律。

“序”从何来?

在有效能量“无可奈何花落去”的耗散过程中,由于能量转换、做功,物质会借此互动。物质互动,就会“似曾相识燕归来”,产生局部的“有序”。你看,宇宙中奔涌的气体云,在引力作用下,会聚成团,生长出规则的星球,比如太阳。小星星绕着大星星转,会形成小小的稳定系统,比如太阳系。同样是在引力作用下,这些小星星、小系统会一起围着一个大核心转,这就是星系。

只一个简单的引力规则,就可以自动生成千奇百怪而有规律的系统。

日常生活中也是这样。

风卷黄沙,规则简单,动作杂乱。不过,大尺度看上去,大量的沙子会形成沙浪、沙丘这种起伏有序的结构。

原子之间的结合很随机,但可以形成有规则的结晶。最直观的比如雪花、水晶矿等。

这些小小的系统变得有序,全拜对外开放所赐。开放了,便不再孤立,就可以和外界交换能量,就成了后面要讲的主角:开放系统。

没有能量增减的孤立系统,其总体趋势是熵增。而一个开放系统呢,却可以通过从外界获取能量来提高有序度,让熵减少。这个过程就叫“自组织”。图灵认识到,这就是找到那个答案的钥匙。

好了,自组织牛到飞起,用能量把自己一次性搞到“有序”之后,是不是就从此高枕无忧,一直有序到地老天荒呢?天底下当然没这么便宜的一锤子买卖,天顶上也没有。创业易守成难。要想维持这种自组织,需要外界不断的能量输入。不输入会怎样呢?我们来看这样一个事实:今天,想找到地球形成之初的一块石头,已经是相当不容易的一件事了。岩石、矿物结晶这种自组织结构,虽然相对平衡、稳定,但没有自我维持的机制。所以,任何结晶,不管它是柔弱如滑石,还是坚贞似钻石,都会慢慢消失。

但是,月有缺来天有涯,天下处处有奇葩。有这样一种自组织结构,它不仅能打江山,而且善守江山,它可以不断跟外界交换物质、吐纳能量,来维持自身不稳定的自组织形态。这种结构,叫做“耗散结构”。

在神奇的自然界,耗散结构并不是熊猫那种珍稀的存在,而是宅男这种普遍的存在。

耗散结构不仅形状(空间分布)有序,节律(时间分布)也可以有序。这就造成一种奇特的现象:一堆无意识的物质,在简单规则的支配下,通过能量吐纳,出现似乎有意识的“行为”。这在生活中很常见,比如平底锅里,一薄层水,加热到一定温度的时候,它会突然出现规则的图案。这叫贝纳对流。地球上的龙卷风、木星上的大红斑,土星上的六边形云体,都是耗散结构。

如果孤立地看这种结构,它是“逆天”的,违反宇宙法则:自动变得有序。但是整体来看,这个有序,是靠消耗外部能量来维持的。它熵减的代价,是外部更大的熵增。所以,系统在总体上仍然趋于无序,并不违反宇宙法则。

生命就是一种耗散结构,而且是一种十分特殊的耗散结构。

怎么特殊呢?前面说的那些耗散结构,能量输入是被动的。而生命,可以主动摄取能量,来维持自己的系统平衡。一种微妙的,脆弱的,需要毫不松懈才能维持的平衡。

这是啥平衡,又怎么维持?咱俩玩玩滑梯就明白了。

我坐在滑梯顶部,两眼一闭,两手一张,就两腋生风地滑了下去。在滑的过程中,当然不平衡。坐在地上后,四平八稳,这下平衡了。保持这个平衡,可谓云淡风轻,一点不费力气。

我坐在地上,平衡地看着你。你却很狼狈。

因为你正在滑梯中部,理想让你向上爬,引力让你向下滑,边爬边滑,你不上不下,空气的味道有点尴尬…这也是一个平衡。但这是一个不稳定的平衡。所以你满头大汗才能保持,需要花力气,也就是需要能量输入。这个能量来自哪呢?当然来自外部:你吃的方便面,你喝的口服液,还有你呼吸的雾霾,哦不,氧气。

不要抱怨给你的角色太累,因为生命的平衡,就是你表演的这种平衡。

生命必须通过摄入能量,让体系远离稳定平衡,而处于一种不稳定的平衡状态。说白了,生命就是在走钢丝。

生命走钢丝的功夫是如此强悍,其平衡之微妙,有序之复杂,手段之高明,轻易把非生命的耗散结构甩出十万八千里。比如催化体内化学反应的酶。生物体内有大量不同的酶,各自催化其特定的反应。

这有啥特别呢?我们知道,但凡搞事情,速度、精度,都是一对有你没我的冤家。而酶们的反应速度令人乍舌,精准度却不落下风,它们各司其职,有条不紊,不越界,不扯皮。

为啥能做到如此专一?因为结构特殊,有序程度之高,让它只能和特定的分子结合,并催化特定的反应。

看过神州八号和天宫一号对接吗?只有两个极复杂、又极有序的特定结构,才能做到专一的完美对接。

不信邪?太空随随便便飘俩陨石,它俩能完美对接吗?不能。因为它们不够复杂,缺乏有序。

随便弄一个别的飞行器,比如直升机,能和天宫一号完美对接吗?不能。因为直升机虽然也复杂有序,却不是匹配天宫一号的特定结构。

牛郎和织女能完美对接吗?可以的。因为这是两个极其复杂的特定结构。

生命就这样保持着一种有序的状态。生命的所有层面,从生物分子,到亚细胞器和细胞本身,直至各种组织和器官,都呈现出这种高度的有序性。

沙子聚回沙雕、墨水聚回墨滴这种诡异的事,在生命系统中,都是很平常的事,随时随地都在发生。

发生这么诡异的事情,是因为生命的独门绝技:主动从环境中摄取能量,并高效利用能量。生命不是一个封闭系统,而是与环境互动,用超强的自组织能力,维持着这个脆弱的平衡。

一旦生命停止能量输入,比方说人不吃饭不呼吸了,这个平衡就会分崩离析,这个精巧的耗散结构就会走向解体。

不过,不管个体多么精巧、多么强悍,最终都会解体。这是客观规律,不以耗散结构的意志为转移。怎么办?生命没有绝望,它祭出了一个大招——复制、粘贴。

复制、粘贴虽然简单,却充满了有趣的悖论。而这些悖论,正是世界如此多彩的原因。你能想到,都是哪些悖论吗?

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