生物进化与熵增大矛盾之谜

2015-12-05 12:34阅读：

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生物进化与熵增大矛盾之谜

生物进化与熵增大矛盾之谜

现在媒体上动不动就这谜那谜，喊叫什么：惊呆了！听醉了！美傻了！乐疯了！一惊一乍的，就为吸引眼球。其实全都扯淡，不过是一些老生常谈，鸡毛蒜皮，什么谜都没有。
但我这个不同，确实是谜，而且非常有趣，只是稍有点深度，我尽量让文科生也能轻松看懂。
这个问题总的意思是，物理学有一条定律，跟生物进化规律似乎恰好是相反的，是矛盾的。这就是热力学第二定律，即“熵增大”。
我发现这些年媒体上，尤其一些文科学者，也动不动爱用“熵”这个字眼，以显示他们的理论深度。
据查，熵（Entropy)这一中文译名是意译而来的。1923年，德国物理学家普朗克来中国讲学，我国物理学家胡刚复做翻译，苦于无法将Entropy这一概念译成中文。他根据Entropy为热量与温度之商（相比相除的得数叫商），而且这个概念与火有关，就在商上另加火旁，构成一个新字——熵。
我自己是在大学二年级学到热力学第二定律时，才见到“熵”字，一开始很难理解。多年后才慢慢理解。

我不详谈物理学定义，因熵的含义极其宽泛，不好理解。只说说它的大致意思。简单说，熵就是混乱的程度，或者无序的程度。比如有两堆米，一黑一白，这时最有序，左边肯定黑，右边肯定白，最不混乱，或者说熵最小，只要我们把米一搀合，就乱了，开始无序了，熵（混乱的程序）增大，越搀得匀，熵越大。

生物进化与熵增大矛盾之谜

把有序的线团拆成无序很容易，但再想返回有序就很难了

我们可以看出这是一个很自然，很难逆转的过程，搀乱很容易，很省力，而再想重新分出黑白就很难了，得一粒一粒挑。就像水往下流自然而不费力，但要河水倒流就很难。也就是说，自然的本能趋向是越来越无序，熵越来越增大。
所以熵也可以说是均匀的程度，水面有高有低，这就不均匀，熵就小，水流平了就均匀，没差别，没变化，这时熵就最大。
总之，越混乱，越无序，越均匀，越没差别，没变化，熵就越大。
熵是从热力学第二定律来的，意思是热量总是自发从高温往低温那边跑，比如总是由炉子那儿往外辐射，而不是相反。要想反过来就得费劲，费电，比如你想把空调里的热量掏出来排入空气，而让空调变冷，能吹出冷风，那你就得耗电。
我们可以看出来，炉子和空调正好是反的，炉子是热源，是高温，我们不用费劲，它就自动往外散发热量。而空调是冷源，按照自然过程，外面的空气都比它热，都会把热量传给它。我们要想让空调保持低温，就得花费电力，才能空调里的热量掏出去，让它变冷。
炉子就好比是高山泉水，你不用管，按照自然方向，水就自动往下流，而空调好比山谷死水潭，如果你不管，周围的水就会流过来把它填满。为了让它保持低水平，我们就得用抽水机把潭水抽出去。

生物进化与熵增大矛盾之谜

水往低处流是自然趋势
发现这个原理的科学家克劳修斯甚至提出一个奇怪的结论，叫“热死说”，当然不是类似这几天新疆出现的极端天气那样要热死人，而是说，整个宇宙演变的方向就是熵增大，或者说自然地向着无序化，热量平均化的方向演化。
每个星球都往外散发热量，最后星球热量全都散光了，整个宇宙全都一样温度，互相不再传播交流，就不再有任何变化，宇宙也就要处于永远的寂静，死气沉沉，宇宙就死亡了，这就“热死”（因热量的不流动而死亡）了。所以翻译的时候也翻成“热寂说”。当然，这个说法遭到了批判。
以上是物理学概念。

生物进化与熵增大矛盾之谜

生物进化恰好跟这个过程是相反的，宇宙的原始自然状态是混沌，分子、原子到处乱跑，是无序的。而生物则是把这些乱跑的，无序的分子原子组织起来，集合成高度有序的机体。
诺贝尔获得者普里戈金教授与斯唐热博士合写的一本书《从混沌到有序》讲的就是这个思想。

生物进化与熵增大矛盾之谜

生物可以说是大自然所创造的最复杂最有序的东西，它的每个细胞，每个分子都排列得极有顺序，错一个原子都不行。DNA错一个原子就可能生出怪胎，人类的大脑，那里面的知识全靠蛋白质的排列结构来贮存，错一个就乱套。
而无机物，比如沙漠戈壁，哪颗沙石放在哪儿，随便乱排，完全是无序的。
而且生物进化的方向是从低级到高级，DNA链越来越长，功能结构越来越复杂，有序程度越来越高。
很明显，这个过程也是“熵”越来越小的过程，跟大自然所发生的“熵增大”是相反的。
所以，量子力学奠基人薛定谔在《生命是什么》一书中提出了负熵的概念，即“生物赖负熵而生”。大自然会由有序变为无序，与之相反，生物会把无序变得有序。例如不同的代谢过程，就是负熵的程序。

生物进化与熵增大矛盾之谜

正因为如此，有人就觉得奇怪，不理解，为什么生物跟自然是相反的呢？不都是客观规律吗？怎么能相互矛盾呢？这就是题目所说的“生物进化与熵增大矛盾之谜”。
新疆有一位气象学家，他经常发博文，就认为这不可理解，是个无法解开的谜。当时我曾想跟他讨论一下，但一忙就忘了，现在已不知那位先生在何方，但我讨论的愿望还未实现，只好现在自说自话地讨论一下。如果这位先生能看到，那再好没有了。
我觉得这位专家可能没注意到热力学第二定律的限制条件。
首先它说的是一个孤立系统，不与外界发生能量和物质交换的系统。比如水，按照自然过程，地面上所有的水最终都流进大海，它的自发趋势就是让水位差全都降为零，大家全都一样平，最平均，无差别，熵就最大了，但地球上还有另外一个相反的过程，那就是大海的水蒸气不断地上升，变成云，变成雨，再降落下来。这是一个负熵过程，即重新制造不平均，制造差别，制造有序化。
为什么呢？因为地球它不是一个孤立系统，它每天都得到太阳的大量能量，是太阳用能量来制造水的循环，使它从水平变得不水平，有高有低，从高再流向低。

生物进化与熵增大矛盾之谜

如果没有太阳，地球可以大致看成一个孤立系统，那么地面上的水真的会全部流入大海，最终全球的水一样平，整个地球就死了。这就是所谓“热死说”的状态，但实际上它不孤立，所以不可能出现。
其次，定律所说的“熵增大”是完全自然的过程，自发的过程，如果是不自然的过程，比如人工干预，也可以让熵减小，比如空调，它就可以致冷，在热空气中弄出一个冷源来，但需要耗费电力。
对比上面的限制条件我们就知道了，生物界是不是一个孤立系统？显然不是，它在地球上与周围环境发生频繁的物质交换，能量交换。
尤其它的进化更是太阳能量直接作用的结果。我们知道地球一开始是没有生命的，最早从无机物产生出有机物，正是在阳光和闪电的能量激发下才开始的。后来米勒在试管中重复了这个过程，在电火花（人工闪电）的激发下，试管的无机物中真的产生出了与生命相关的有机物。
生物的每一步都需要外界的能量，它吸收了外界的能量，于是把本来无序的分子原子，在自己体内一步步组合起来，成为高度有序的生命体。或者说，只要消耗能量，就能把无序变成有序。
比如植物吸收太阳光的能量就能生产制造出糖分、脂肪等有机物，这就是光合作用，即把太阳的能量贮存在体内了。
而动物吃植物，就得到了这些能量，同时也制造出自己所需要的蛋白质等。
人再吃植物，吃动物，还是这个过程，总之，生命过程整个都在消耗能量，最终消耗的是太阳能。从而形成自己，形成后代，并一步步进化。这全部的力量都来自外界的太阳能。
所以，生命与自然看起来是似乎相反的过程，其实并不矛盾。整个大自然包括两种相反方向的运动，无论大自然和生物都是这样。
一是耗散能量，比如炉子向外散热，高山的水流向大海，生物死亡，腐败分解，这些都是从有序走向无序，是熵增大的过程，是自发的过程。
二是吸收能量，比如空调往外散冷，海水蒸发，变云变雨，生物出生、成长、进化，这些都是从无序走向有序，是熵减少的过程，是外界能量干预的过程。

生物的这种进化过程，有序化过程，是自动的，好像是它内部有这种趋势和愿望似的，这种趋势最早就是“自组织现象”。
人们发现，在一些复杂的化学反应中，有一种奇妙的“自组织现象”，一些物质有一种能力，能把周围原料吸收进来，变成跟自己一样的东西，即复制自我，越复制越多，最终把周围所有原料都变成了自己的队伍。这实际上就是一种从无序到有序的过程，即负熵的过程，它肯定是要消耗能量的。所以这盘化学反应液得永远放在炉子上小火儿慢慢炖着，得到热能。

生物进化与熵增大矛盾之谜

化学反应液中的自组织现象

这就有点儿像生命了，其实最早的生命也正是从最复杂的化学反应中产生的，也是一种自组织现象。
不只化学反应，有时天上的云彩也会这样，把周围散乱的云气吸纳进来，变成跟自己一样的纹样，最后天上一大片云全都变成整整齐齐的同样纹样了。
甚至社会现象也是这样，八路军到处宣传，壮大，不断把周围老百姓吸收进来，也变成八路军。当然，你也得消耗能量和物质，甚至精神，比如给新兵吃饱肚子，发新衣，发枪弹，盖宿舍，发被褥，教学，训练，三忆三查，产生阶级感情，阶级仇恨……

生物进化与熵增大矛盾之谜

参加八路本质上也是一种自组织现象，自我复制壮大

可以说宇宙中很多东西都有这种趋势，依靠能量和物质自我复制，自我壮大。
或者说，宇宙中有两种趋向，除了上面这种，就是另一种自我消耗，自我消亡。
把这两种现象综合在一起，就是此消彼长，宇宙于是总在运动，在变化，在前进。

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