49、生命与负熵

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薛定谔在完成他的划时代贡献之后，将兴趣转向了生物学，或许是希望从中寻找观察者在波函数的坍缩过程中的位置或作用吧。在这方面薛定谔有没有收获我们并不知晓，但是至少，薛定谔没有白来生物学领域。在这个全新的领域里，薛定谔以物理学家的角度和思维方式来思考生物，影响并带动了一批物理学家投入其中，他们通过物理学的先进方法和仪器（例如X射线分析法）来研究像蛋白质、DNA等生物大分子的结构和功能，形成了一个新的物理生物学学派，这一学派最终成功获得了DNA分子的双螺旋结构，引发了一场生物学革命。但是薛定谔在生物学方面的贡献不止于此，他发表了一本叫做《生命是什么》的小册子，第一次明确提出，生命的本质是负熵，生命以负熵为生。

这是一个完全不同于生物学家的对生命的定义。生物学家定义生命一般会说生命会生长发育、会新陈代谢、会遗传和变异等等。但是物理学家与他们的视角不同，在物理学家眼中，生命与非生命没有根本上的区别，它们都是原子组成的，都遵循同样的物理定律，在生命体内不存在任何超自然的神秘力量，它的每一个细胞、每一个原子遵循的物理定律与一阵风、一场雨中的原子完全相同，因此，一定可以在物理学的框架和范畴内理解和探讨生命。薛定谔抓住了非生命与生命最重要的差异，那就是非生命都按照热力学第二定律的要求，自身会变得越来越混乱和无序，它的熵会增加；而生命却可以从环境中吸取负熵，避免自身陷入混乱和无序状态，当然，生命与环境构成的作为孤立系统的整体，熵仍然是增加的。这种极具预见性的新奇观点被后来普里高津的耗散结构理论证明是正确的。阳光照射下的地球是一个耗散系统，植物依靠光合作用通过汲取阳光的负熵，将化学能较低，熵值较高的二氧化碳和水转化为化学能较高的低熵有机物，以此为基础构造起来的食物链的传递过程，就是一个负熵的流动过程，地球的生命正是利用了这个系统，从中不断吸取负熵并最终进化为现在的样子。

如果熵与信息的关系正如兰道原理所暗示的那样，信息等效于负熵，那么关于生命的物理学定义则容易理解的多，生命过程就是获取信息的过程。由于基本的量子过程对于孤立的系统是可逆的幺正演化，信息在孤立系统中守恒，那么一个孤立的系统可以根据信息的流动方向人为划分为生命部分和非生命部分，它们之间的联系和区别是，信息总是从非生命部分流向生命部分。正是由于信息的这种单向流动过程，被称之为生命的那一部分才承担起了观察者的角色，因为测量过程就是信息的获取过程。当生命死亡的时候，也就是将所存储的信息还给环境的时候。孤立系统最终的演化状态似乎是均一稳定的热力学平衡态，相当于热寂状态，但是在包含了引力的系统里，由于引力系统具有负的热容，将使热寂平衡状态不会到来，这就为孤立系统内部信息的流动和生命的演化创造了条件。

为了理解生命获取信息的过程，我们需要分析一下测量过程中的信息传递问题。如果一个孤立系统包括一个有生命的观察者和一个自旋的电子。开始时，电子处在上旋和下旋的叠加态，各占二分之一的比重，此时依据香农的信息熵公式可知，电子的信息熵是一比特，或者说处在这种状态中的电子隐含了一比特的信息。当生命对这个电子进行观测时，电子状态坍缩至上旋或下旋状态中的一种，此时的香农信息熵降为零，电子在此过程中损失了一比特的信息，由于对于整体来说，信息是守恒的，测量过程中电子损失的一比特信息只能是传递给了作为生命的观察者，生命因此获得了一比特信息。由于生命的测量过程只能从叠加态或纠缠状态坍缩为确定状态，是一个不可逆的过程，而由香农熵公式可知，叠加或纠缠状态隐含的信息比确定状态要多，因此信息的流动过程也是单向的不可逆过程，只能由系统的非生命部分流向生命部分。信息是一种资源，可以用来消除事物的不确定性，拥有信息越多的生命，他能够确定的状态就越多。

在生命的新陈代谢过程中，吃进去的原子和排泄的原子没有什么不同，物质没有明显的改变；生命体内生化反应的过程与化学实验室中试管与烧杯内的化学反应也没有本质的区别，因此能量也没有明显的改变。因此，熵或信息才是生命更重要的特征，为使自身不至于因为混乱度的增加而濒临死亡，生命必须通过摄入食物等措施抵消生命系统的熵增，使生命始终处在较高的秩序之中。

然而，我们也必须重视生命死亡的过程对系统的影响。此时，因观测而存储并积累的信息伴随着生命的死亡而耗散到环境中，信息由集中在生命中转变为分散在整个系统中，此时生命与非生命融为一体。从传统的牛顿世界观来看，生命的死亡仅仅伴随着物质与能量的转移和转换，对环境的影响也是常规的，经典的，没有新的内容。然而，如果从信息与熵的角度分析生命死亡过程，它对环境以及环境中的其它生命可能会产生更加重要和微妙的影响，这是牛顿的世界观无法理解的。信息由生命体耗散到环境中后，虽然生命消亡了，但它仍有可能对环境未来的演化产生影响，只是这种影响可能会相对微弱和隐蔽。

惠勒曾经说过，物理学未来围绕的核心概念很可能是信息。如今我们看到，包含了信息与熵、物质与能量的物理学很可能有助于我们揭开生命的奥秘。