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生命，就是在山脊上行走！
前情提要
我之前的一篇文章： ，我圍繞著熵這個概念，聊了聊它大概的歷史變革，從卡諾定理中對熱力學過程方向性的暗示，到克勞修斯明確定義熵的概念，再到玻爾茲曼用統計物理學方法揭示了熵的微觀實質，人們按照從表象到本質的經典探索模式完成了對熵的基本認知。但是，熵，對於我們的意義遠不止用於衡量一個體系的混亂度，因為它的對立面是“有序”，而正是人類對無序和有序這個問題所作的思考，又成就了後續許多精彩絕倫而影響深遠的理論和思想！今天，咱們從玻爾茲曼熵理論的餘波開始，跟我踏上一段天馬行空的胡思亂想之旅。【預警：文章原本總共11171字，現在拆成了上下兩部分仍然很長，請耐心】
信息即負熵
玻爾茲曼熵理論的第一個直接影響，非香農的“信息論”莫屬，這個理論的基石就是認為“信息，即負熵！”，但這部分內容並非今天的重點，為了不喧賓奪主，我還是推薦大家去看我之前的製作的 這個視頻，在裡面我通過一個“你說我猜”的遊戲，詳細的說明了信息是負熵的原理，感興趣的朋友一定記得觀看，相信我，比看文章更輕鬆愉快！但如果您對信息和熵這事比較感興趣，可以閱讀下面這段擴展內容。
擴展閱讀1：麥克斯韋妖的故事
人們對信息本質的認識，也幫助澄清了一個近百年前的物理學難題，那就是被譽為物理學四大神獸之一的“麥克斯韋妖”問題。當時麥克斯韋正研究處在熱平衡態的氣體分子，在不同速度區間內的數量分佈的問題。於是他便思考了這樣一種情況，有一個絕熱的密閉容器內，密封了一定量的氣體，中間有個隔板，隔板上有個小門，若存在有一個聰明的小怪物，能夠識別氣體分子速度的快慢並控制這個小門的開閉，而且這個小門如此之小，開閉過程並不消耗能量，那麼他就可以有選擇的開啟和關閉小門，從而把運動速度快的分子和速度慢的分子給區分開來，分別集中到兩個區域。
麥克斯韋妖的假想圖，右側藍色分子速度低，左側紅色速度高
因為微觀粒子的運動速度就代表了宏觀的溫度，那麼最初這個容器中熱平衡的狀態（溫度一致），就會因為小妖精的存在，“自動”分成兩個溫度不一致的區域（上圖中紅色溫度高，平均速度高；藍色溫度低，平均速度低），從熵的角度來講，這個絕熱系統的熵“自發”的從高變低了，也就是熵減少了！這顯然與熱力學第二定律相牴觸！
後來，人們才知道，信息意味著負熵，雖然這個小妖精並沒有像容器注入額外的能量，但是他能夠區分每一個分子的速度的快慢，其實就相當於他掌握了分子速度的信息！它通過這個信息來有目的的操縱小門開啟和關閉，其實就是在向這個絕熱系統注入負熵！這才是讓容器內氣體熵自發減少的原因！
上面這段內容，恰好適合用來說明熵的微觀定義，因此我臨時決定補充在這兒，希望能幫助大家更好的思考熵。下面咱回到本文主線，即熵的思想到底對生命從零到一這個過程有什麼啟發呢？
薛定諤的生命觀
最早把生命這事和熵扯上關係，差不多還就是薛定諤老先生。在二戰爆發後，他的家鄉奧地利被德國佔領了，於是就被迫轉移到愛爾蘭的都柏林避難，在都柏林高級研究員任職，這段時間裡他曾經舉辦過一個系列講座，向公眾講解他從物理學的角度對生命起源和生命特性的思考。這些內容後來被集結成冊，編成了我們熟知的那本《生命是什麼》。
筆者手裡的那本《生命是什麼》
這部書裡講了不少內容，20世紀很多生物學大發現最初都是受這本書的啟發，咱這裡之說與主題有關的，那就是薛定諤認為，生命是一個複雜而有序的系統，這個系統本身的熵值並不高，換句話說就是有序度高。但是周圍環境的熵值高啊，那麼生命體如何保持自身的熵不被大環境所同化呢？他認為：生命必須是一個開放系統，與外界持續進行能量和物質的交換！就是說生命必須要不斷地從外界攝取負熵流，從而抵消自身的熵增，從而讓身體整體的熵值維持在一個較低的狀態。
劃重點：開放系統，複雜但有序（低熵），攝取能量與物質
現在你仔細想想，他的描述是不是還真挺有道理的？你看，我們身體結構超級複雜，但是數以萬億計的細胞卻一種難以想象的精確程度，嚴密的配合工作著，很多地方差一點點都會要人命，所以生命複雜卻不混亂；我們活著就要吃喝拉撒，就要呼吸，這都是在與外界進行能量和物質交換；當我們死去，身體的所有代謝都停止了，人就不再和外界進行任何交換，因此“屍體”就會迅速的腐壞、分解，然後變得和自然界裡一塊土地、一塊石頭沒有什麼區別了，這就相當於達到了一種混亂度高的高熵值狀態（與外界熵值趨於一致）。
可見，生命的過程就是不斷與外界抗爭，保持自身這種低熵、高有序的狀態，這種狀態顯然是遠離熱平衡態的（因為在玻爾茲曼看來，熱平衡狀態的熵最大），所以，有人說，生命就是在山脊上行走！
生命，在山脊上行走
大家注意到了，在這咱們強調了一個說法，就是
遠離熱平衡態。因為熱平衡，意味著熵值高，也就意味著混亂無秩序。這雖然是最穩定的狀態，但是就如同一潭死水一樣，看不到一絲生氣。怪不得十九世紀熱力學把它叫做“熱寂”，熱寂就是一個全宇宙範圍的終極平衡態，太可怕了。下面這一部分，是我的一點小思考，內容上雖然和熵有密切關係，但是跳過也無大礙，是屬於用熵的觀點來討論人類社會結構的變遷，權當和大家交流了。字多圖少，不愛讀的話可以直接跳到下一節。
擴展閱讀2：人類社會的啟示
現在稍微輕鬆一下，咱們考慮一個看似與物理無關的問題，這也是我曾經一直在思考的一個問題，那就是幾乎所有發展的不錯的人類文明為什麼都早早的走出了絕對平均主義的原始社會，而幾乎沒有沒有例外的選擇進入極端不平等、充滿壓迫和剝削的奴隸社會，進而是等級制度更加複雜和森嚴的封建社會呢？難道人類喜歡被鞭子抽嗎？
對於這個問題，我不完全認同之前政治教科書的上的說法，就是什麼為了生產力的發展，必須有更加適合的生產關係出現，絕對平均的大鍋飯沒有效率云云，有道理，但不能完全說服我，因為它就像熱力學之於統計物理學一樣，這個解釋充其量算是個唯象理論，並不能告訴你這種對生產力的需求是如何作用到每個人身上的，以至於讓大部分人甘願放棄平均主義而當奴隸，還要讓少數人騎脖子上抽自己，我無論如何都想不出來為什麼。
之前對這個問題，我是從偶然性上去考慮的（用統計物理術語來說，類似漲落的概念）：某些人，偶然間獲得了比別人更多的獵物或者財富，比如三個人去打獵，其中一個死了，那倖存的倆人可能因為很餓或者家裡還有小孩就把死者那部分均分了，但是並不會回去告訴族人，這樣他倆就能比別人吃的飽一些，家人能過得稍微好一些，但是這種東西，會上癮的！以後他倆可能就無法拒絕這種不平等，因為它不僅讓他們吃的更飽了一點，也讓他們獲得了一種優越感，這哥倆想保持這種優越感的想法是毋庸置疑的，這是人性！人性的自私如果打開了，就如同決堤一樣，沒有外力幾乎是收不住的。所以他們會想盡辦法去保持和擴大這種不平等，然後就會破壞絕對平均狀態，進而產生階級和壓迫！
但是在這，我想和大家用熱力學或者統計物理的觀點去看待這個過程，你會如何分析呢？在我看來，絕對平均是一個熵最大的社會狀態，因為它沒有複雜結構，最無序；而有階級、有分工和有壓迫的社會是一個複雜的社會狀態，它更加複雜有序，熵值也更低。如果你覺得這些都是合理的，那麼人類社會的演變告訴我們，社會是會從一個高熵狀態自發的轉變為低熵狀態呀！那你馬上就會嗅出味道不對，這不可能，除非有負熵注入其中！那到底有沒有？
還真有！整個社會里的每個人從大自然獲取的食物、空氣和水都是可以利用的負熵，這些可以維持社會中的每個成員的生存，但這並不足以促成社會結構從絕對平均的原始社會轉變為更復雜的社會形態，因為原始人組成的平等社會也可以生存。
我認為，恰恰是那兩個貪婪的原始人私吞獵物而沒有告訴族人這件事，才是促成變革的關鍵信息，別忘了信息也是負熵啊。在這個負熵（信息不對等、貪婪、欺騙，我們俗稱人性的惡）的持續作用下，社會結構才產生了不平均，產生了階級，產生了複雜秩序，而這個秩序意味著什麼？是社會出現階層，出現了分工，分工又意味著生產率提高，意味著平均每個成員可以從大自然獲取更多的生存所需要的能量（負熵），同時這種階層不平等也同樣會影響著勞動成果分配的不平等，少數的人佔用了更多的勞動成果，雖然大部分底層奴隸分到的食物可能並不比原始社會時候多多少，但是從整個社會的總量來看，產出的勞動成果比原始社會時多出了很多。這些資源繼續被奴隸主佔有，可以自由分配，可以養更多不用勞動的閒人，這些閒人幹啥呢？當軍師唄，給奴隸主出謀劃策，如何想辦法立個法呀，編個宗教故事啦，總之就要讓奴隸們相信，自己生來就是當牛做馬的，從心裡接受並維護這種不平等和社會階層劃分！
那麼，就形成了一個正反饋的機制，更加強了社會結構向不平均演化的趨勢，社會就會繼續趨向形成更加複雜的結構，更復雜結構帶來了更細緻的分工，產生了專門的研究人員，於是催生了更先進的技術，進一步提高生產力，然後週而復始迭代進行，社會的結構就變得像今天一樣複雜了。
逆天而行的生命演化過程
前面說完薛定諤對的生命的看法，又總結了人類社會從平均到不平均的自發演變這個事實，接下來我們繼續看一個更普遍的反熵增事實：生物的演化。
這裡需要區分一下，前面薛定諤的設想是關注生命個體本身，這一節咱討論的是生物這個大群體
現在我們普遍接受的是自然選擇理論，最初由達爾文（當然還有華萊士）建立，後來與現代遺傳學和分子生物學結合，成為了一個經得起推敲的科學假說，它或許並不是一個完美的理論，但卻是目前解釋生物演化最站得住腳的理論。
縱觀生物的演化歷程，雖然總是聽到“演化是沒有方向性的“說法，但是我們卻能明顯看到生物變得越來越複雜，而不是越來越簡單。為什麼？其實這是在說演化過程是沒有一個預期指導的，是探索性的，探索出什麼樣子什麼機構誰也不知道，是自然來完成選擇，但是這並不妨礙我們可以從中觀察並總結出它的趨勢。
生命演化時間軸
從30億年前就出現的藍藻這類簡單的單細胞生物，到約6.8億年前的所謂“前寒武紀”（確切說叫埃迪卡拉紀）出現一些簡單多細胞生物（但這些多細胞生物真的就是細胞比較多，並沒有什麼功能的分化，而是細胞的堆積和重複）；然後再到寒武紀的“生命大爆發”，生命的結構設計突然開啟了頭腦風暴，不僅湊齊了所有“門”一級生物，而且還出現了一些結構上匪夷所思且曇花一現的怪物，如怪誕蟲啊，奇蝦什麼的；再到奧陶紀之後，植物和動物完成了身體結構的一系列改造，陸續從海洋登上陸地，它們變得更復雜且強大；再到石炭紀，昆蟲第一次演化出翅膀，稱霸天空，整個生物系統在看似隨機的變異與自然選擇作用下，複雜性卻變得越來越高了。
通過以上的回顧，你能發現什麼？複雜度提高，有序程度提高，這似乎又和宇宙的大環境不一樣啊！為什麼生命的演化能夠逆天而行呢？我再說的直白一點，45億年前那個如地獄般的熔岩地球，還在遵守著宇宙的鐵律，熵增，但是為什麼在十幾億年後，會自發的產生一種逆著熵增而發展的生物系統呢？不奇怪嗎？
當然奇怪！但是進化論顯然無法從更深的層次上去解釋這個問題，它只能在生物這個領域內提供一個儘可能詳盡和多角度的演化圖譜讓我們越來越清晰的看到這個過程，但是第一個生命是怎麼來的，以及生命為什麼可以逆著熵增而發展，這顯然是進化論或者所有生物學理論都無法解釋的事情。
而且這種矛盾，也正是生物與物理這兩門學科，各自獨立發展了一個多世紀的癥結所在！生物學解釋生物，物理學解釋世界，井水不犯河水，兩個領域的研究者雖然心裡明白，但是都在小心翼翼的避開這個矛盾！與各自領域內的輝煌成就相比，探索物理與生物領域融合的成就少了許多，咱們在這裡僅和大家說說嘗試融合兩門學科過程中所做的嘗試和發現。
探索生命的起源
第一個要說的還是前面提到的薛定諤。除了宗教和神學家，他是第一位系統的、認真的論述這個問題的科學家，後面科學家其實或多或少都受到了他的思想的啟發。
接下來是米勒實驗 ，這是一個試圖解釋原始地球上的生命如何從0到1的實驗，但是最後只能解釋如何從0到0.01。
米勒和尤里首先推測並假設了原始大氣成分和大氣狀態（如雷鳴閃電），用幾種無機物混合物得到了20種有機化合物，產物中11種氨基酸中有4種是生物的蛋白質所含有的，因此據此推測，早期地球的條件，可以自發的生成組成蛋白質的原料，也就是說為以後合成蛋白質提供了可能。這個實驗至少能夠確信的是：自然界從無機物中產生有機物，並不是什麼難事，組成生命的基石看起來也並不需要神的參與，這些聽起來似乎很振奮是吧。
但是我要潑冷水了，米勒實驗以及之後進行的各種嘗試表明，不論怎麼折騰，並不能生成對於生命而言更為關鍵的遺傳物質，也就是DNA或者RNA都沒發現！我們都知道對於一幢摩天大樓來說，你有多少塊磚頭並不重要，重要的是要有一個完整的設計施工圖，而對於生命這座大廈來說，缺的恰恰是這份施工圖，而且目前來看，施工圖是無法從無到有自然產生的。（還是為神創論留了後門）
所以，我們還需要想別的辦法。這些辦法可能來自於實驗，當然也可能來自於理論……（待續）
本文下半部分在此：
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