将复杂的生命行为还原到根基的物理学理解层面，即便不是生物学尽力的偏向，也是一部门物理学家（此中不乏薛定谔、布拉格这样的人物）一向关切的一个本家儿题。大师津津乐道于物理学家为生物学研究供给了如何的思惟熟悉和尝试东西，藉此鞭策了生物学的极大成长。生命系统的复杂性也给物理学冲破其思惟惯性供给了不竭的源泉。如何从热力学的视角熟悉生命及其演进过程将会是一个持久的话题。
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撰文丨Sean M. Carroll（美国加州理工学院理论物理学家）
当我们起头考虑热力学与生命之间的关系时，将熵和信息联系关系起来的这些思惟会起到很高文用，这层见迭出。并不是说这种关系很是简单了然；尽管确实有慎密联系，但科学家甚至都还未能就“生命”事实是什么意思告竣一致，更不消说理解生命的全数运作机制了。这是个日新月异的研究范畴，近期获得了极大存眷，未来自生物学、物理学、化学、数学、计较机科学以及复杂性研究的的深刻看法荟萃一堂。
尚未解决“生命”该如何界说的问题之前，我们也可以问问听起来像是随之而来的一个问题：生命从热力学来讲合乎情理吗？您先别太冲动，谜底是必定的。可是其背面也有人本家儿张——这些人不是什么正派的科学家，而是想毁谤达尔文天然选择学说的缔造论者，认为天然选择学说不是地球上生命演化的准确诠释。他们的论据之一依靠于对第二定律的曲解。他们将第二定律解读为“熵老是增添”，随后将其理解为所有天然历程城市阑珊、掉序的遍及趋向。无论生命是什么，生命复杂而有序是很清晰的——那么，生命跟天然的掉序倾标的目的如何息事宁人？
当然，没有任何矛盾。缔造论者的论据同样也会推出冰箱不成能存在的结论，所以必定是不合错误的。第二定律并没有说熵老是增添，它说的是封锁系统（与外界没有较着彼此感化的系统）的熵老是增添（或连结不变）。很较着生命不是这样的，生物体与外界有很是强烈的彼此感化，这是开放系统的典型典范。这个问题也就这样了，我们可以放在一边，继续我们的糊口。
可是缔造论者的论点还有一个更复杂的版本，却是没有前面那个那么愚蠢——虽说也没对到哪里去——而看看这种说法到底怎么掉败的也很有开导。这个更复杂的版本跟数目有关：诚然生命是开放系统，所以原则上生命可以使熵降低，只要熵在此外什么处所在增添就行。但您怎么知道外界增添的熵足以诠释生射中的低熵呢？
我在第二章提到过，地球及其生物圈是远离热均衡态的系统。均衡态系统中温度处处不异，然而我们如果昂首，就会看到炽热的太阳高悬在除此之外都冷冰冰的天空中。熵有极大的增加空间，正在发生的也恰是如斯。但我们来算算数老是有益处的。
图1：我们以高密度、低熵的形式从太阳那边接收能量，并以低密度、高熵的形式将能量辐射回宇宙中。我们每接收1个高能量光子，地球就会辐射20个摆布的低能量光子。
将地球作为单一系统考虑，则其能量出入很是简单。我们以辐射形式从太阳那边获得能量，也经由过程辐射标的目的太空中损失同样大小的能量。（并非完全一样。诸如核衰变之类的过程也会使地球升温，并标的目的太空渗漏能量，而能量辐射的速度也并非严酷恒定。不外，这仍然长短常好的近似。）但尽管能量大小不异，我们获得的和给出的能量性质却有很大的区别。还记得吧，玻尔兹曼以前的时代，熵被理解为必然量能量有效水平的怀抱；低熵形式的能量可以用来做有效功，好比驱动策动机或是磨面；但高熵形式的能量就一无可取了。
我们从太阳那边获得的能量是低熵、有效的，而地球辐射回太空的能量熵要高得多。太阳的温度约为地球平均温度的20倍。对辐射来说，温度就是辐射出来的光子的平均能量，是以地球每接收一个高能量（短波，可见光）光子，就需要辐射20个低能量（长波，红外）光子。稍微算一下就可以证实，20倍的光子直接转化当作了20倍的熵。地球披发出去的能量跟它接收到的一样多，但熵酿成了20倍。
难点在于弄清晰，我们说地球上的生命形式“熵很低”的时辰，事实是什么意思。切当地讲我们是怎么粗粒化的？对这个问题仍是有可能给出合情合理的谜底的，但真的挺复杂。好在有一条超等捷径可以走。考虑地球上整个的生物量——在所有形式的生射中能找到的所有分子。很轻易就能算出这个分子的调集若是处于热均衡态，那么能拥有的最高熵是几多。代入数字（生物量约为10^15千克，地球温度取255开尔文），就能求出熵的最大值为10^44。还可以将这个数字跟生物量的熵可能拥有的最小值比力一下——若是生物量正益处于一个并世无双的状况，熵就应该正好是零。
所以能想到的熵的最大转变，就是将我们生物量这个数目的完全无序的分子调集，转换为绝对有序的某个结构——包罗我们此刻这个生态系统的状况——是10^44。若是生命演化与第二定律一致，那就必需是地球在生命演化过程中经由过程将高能量光子酿成低能量光子发生的熵，比因为缔造生命而削减的熵要多。10^44这个数必定是估得太大手大脚了——我们不消发生那么多熵，但若是能发生那么多，第二定律就会平安无事。
要经由过程将有效的太阳能改变为无用的辐射热量，多久才能发生这么多熵？谜底又一次用到了太阳温度等数据，结论则是：一年摆布。也就是说若是我们真的很有用率，那每年都能将跟整个生物圈一样大的质量摆列当作我们能想到的熵最小的结构。现实上生命已经演化了几十亿年，而“太阳+地球（包罗生命）+逃逸辐射”系统总的熵只是增添了一点点。是以，第二定律与我们知道的生命完全吻合——不是您曾经思疑的那种环境。
生命在于活动
知道生命没有违反第二定律挺让人欢快。可是若是能充实理解“生命”事实是什么意思也会很让人愉悦。科学家到此刻仍然没有一致赞成的界说，可是有很多特征凡是与生物体有关：复杂性、组织、新陈代谢、信息处置、滋生、响应刺激、衰老。很难拟定一套尺度，将生物——藻类、蚯蚓、家猫——与复杂的无生命物体——丛林大火、星系、小我电脑——明白区分隔。同时，就算没有对生命特征在生命和非生命情况下的表示做出明白区分，我们也可以或许阐发生命的一些本家儿要特征。
从物理学家的视角理解生命的概念，有一次闻名的测验考试就是小书《生命是什么》，作者不是别人，恰是埃尔温·薛定谔。薛定谔是量子力学的创立者之一，在我们从经典力学移师到量子力学时，是他的方程代替了牛顿的活动定律，当作为宿世界的动力学描述。他还发现了思惟尝试“薛定谔的猫”，凸起了我们对宿世界的直接熟悉与量子理论的正规布局之间的差别。
纳粹上台之后，薛定谔分开了德国。但尽管在1933年获得了诺贝尔奖，他仍是很难在此外处所找到一个永远职位，本家儿要原因是他的私糊口太桃色了。（他老婆安妮玛丽（Annemarie）知道他有过相好，同时她本身也有情夫；那时薛定谔正跟本身助手的老婆希尔德·马奇（Hilde March）有染，后来她给他生了个孩子。）他最后在爱尔兰安靖下来，在那边帮忙成立了都柏林高档研究院。
在爱尔兰，薛定谔做了一系列公开讲座，后来结集为《生命是什么》出书。他喜好从物理学家的视角，尤其是量子力学和统计力学专家的视角审阅生命现象。也许全书最惹人注目标处所是薛定谔的一个推论，即认为遗传信息在时候中的不变机能由假设存在某种“非周期性晶体”获得最佳诠释，这种晶体将信息储存在自身的化学布局中。这种看法开导了弗朗西斯·克里克（Francis Crick）从物理学转标的目的分子生物学，并最终指导他与詹姆斯·沃森（James Watson）一路发现了DNA的双螺旋布局。
但薛定谔也在思虑如何界说“生命”。他在这个偏向提了一个具体建议，给人的印象是有点儿不以为意，也许并没有像应有的立场那样当真看待：
生命的特征是什么？什么时辰一团物质可以称其为在世？就是它在“做什么工作”的时辰，与四周情况互换材料，等等，时长也要比我们预期无生命物质在近似环境下“继续”做这件工作的时候要长得多。
诚然，这个界说有点儿恍惚。“继续”事实是什么意思，我们该“预期”这个工作发生多长时候，而什么才算是“近似环境”？此外，这个界说也完全没有提到组织、复杂性、信息处置等等任何特征。
尽管如斯，薛定谔的设法确实抓住了生命与非生命的区别中的一些重点。在他思惟深处，他必定想到了第二定律的克劳修斯版：热接触的物体味标的目的配合温度演化（热均衡）。若是把冰块放到一杯温水里，冰块很快就会化失落。就算两个物体是用很是分歧的物质做当作的——好比说，把塑料“冰块”放进一杯水里——二者仍是会酿成同样的温度。更一般地，无生命的物理实体往往会逐渐停下来，酿成静止。山崩的时辰一块石头会滚下山坡，但要不了多久就会滚到底，经由过程发生噪音和热量来耗损能量，最后完全停下来。
薛定谔的不雅点就这么简单。对生物体来说，这个停下来的过程花的时候会长良多，甚至可以无限推迟。假设我们放进水里的不是冰块而是一条金鱼，那么跟冰块纷歧样（不管是水的仍是塑料的），金鱼不会简单地跟水告竣均衡态——至少不会是在几分钟甚至几小时之内。这条金鱼会一向在世，做点什么工作，游来游去，跟四周的情况互换材料。若是是被放进了能找到食物的湖里或鱼缸里，这条鱼会“继续”半斤八两长时候。
薛定谔指出，这就是生命的素质：推迟与四周情况告竣均衡态的天然倾标的目的。乍一看，我们凡是跟生命联系在一路的那些特征在这个界说里大部门都看不到。但若是我们起头思虑，为什么生物体在无生命的事物逐渐消停之后好久都还能继续做着什么工作——为什么冰块化失落好久之后，金鱼还在游来游去——我们顿时就会被导标的目的生物体的复杂性，以及生物体处置信息的能力。生命的外在标记是生物体继续很长时候的能力，但这项能力背后的机制是条理布局的多个层级之间巧妙的彼此感化。
我们也许会但愿更具体一点。“生物体就是继续的时候比我们预期非生物体能继续的时候更长的事物，而生物体可以或许继续的原因是它们很复杂”，这样说是挺不错，但必定还有更多可以说道的。不幸的是，这不是个简单的故事，科学家也还没有理解透辟。熵在生命的素质中必定有主要感化，但也有些主要方面没有表现出来。熵描述了单个时点的单个状况，但生命的本家儿要特征涉及在时候中会发生演变的过程。就其自己而言，熵的概念对时候中的演化只有很粗略的暗示：熵往往会上升，或连结不变，但不会下降。第二定律没有讲过熵会增添得多快，或是以哪种特定体例增添——这条定律只关乎存在，不关乎演化。
然而，尽管没想回覆关于“生命”的意义所有可能的问题，仍是有一个概念无疑饰演了主要脚色：自由能。薛定谔在《生命是什么》的第一版对这个设法一带而过，但后来他加了个注释，对不曾更正视这个设法暗示悔怨。自由能的设法有助于将熵、第二定律、麦克斯韦妖以及生物体比非生物体继续更长时候的能力都连系在一路。
能量随便用，不是啤酒随便喝
近些年，生物物理学范畴的人气急剧增添。这当然是件功德——生物学很主要，物理学也很主要，这两个范畴的连系点也有大量有意思的问题。但同样也并不奇异，这个范畴相对荒凉了那么久。若是您挑一本物理学的入门教材，并拿来跟生物物理学教材比拟较，您会注重到词汇上的较着改变。传统的物理学入门图书充溢着像是感化力、动量、守恒等词语，而生物物理学册本里的特征词汇则是熵、信息和耗散之类。
术语的分歧反映了哲学上的底子分歧。自打伽利略头一个鼓动勉励我们在考虑物体如何在重力场中下落时忽略空气阻力起头，物理学就形当作了竭尽全力地将摩擦力、耗散、噪音以及任何有碍于直接揭示简单的微不雅活动定律的障碍都最小化的传统。但在生物物理学中我们不克不及这么干，您如果起头忽略摩擦力，您就忽略了生命自己。现实上，这是个值得思虑的替代界说：生命就是有组织的摩擦力。
可是您也会想，这听起来一点儿都不合错误啊。生命整个都跟布局与组织的维持有关，而摩擦力发生熵和无序。现实上，两种视角都捕获到了一些潜在的事实。生命所做的就是在某个处所发生熵，用来维持别的某个处所的布局和组织。这也是麦克斯韦妖的经验。
我们来研究研究这个说法大要是什么意思。回到第二章我们第一次会商第二定律的处所，我们介绍了“有效的”能量和“没用的”能量之间的区别：有效的能量可以转化为某种形式的功，没用的能量就是没用。约西亚·威拉德·吉布斯的进献之一是经由过程引入“自由能”这一概念，将上述概念正规化了。薛定谔在本身的讲座中没有采用这个术语，因为他担忧此中的寄义会让人猜疑：自由能“自由”倒也而已，但并不会真的“免费”，不是说您什么价格都不需要就能获得这种能量；说它“自由”，意思是可以用于某些目标。（是“自由演讲”的free，不是“免费啤酒”的free，免费软件巨匠理查德·斯托曼（Richard Stallman）就喜好这么说。）吉布斯熟悉到他可以用熵的概念将总能量明白划分为有效的部门（他称之为“自由能”）和没用的部门：
总能量 = 自由能 + 无用（高熵）能
在总能量固定的系统中，若是有物理过程发生了熵，那么这个过程就在耗损自由能；一旦自由能全数用尽，我们就达到了均衡态。
这是思虑生物体在做什么的一种体例：生物体操纵自由能在自身的局部情况中（包罗它们本身的身体中）连结有序，并使自由能退化为无用能量。若是我们将一条金鱼放进此外空无一物的水中，它能维持本身的布局（远离与本身的情况均衡的状况）很长时候，远远比冰块要长；但最终它仍是会饿死。但若是我们给这条金鱼喂食，那它就能对峙比这还要长良多的时候。从物理学的不雅点来看，食物就是自由能的供给，生物体可以用来驱动本身的新陈代谢。
从这个视角来看，麦克斯韦妖（和他的气体盒子）可以算作是生命如何运转的有开导性的典范。考虑麦克斯韦妖的故事稍微复杂点的版本。我们把这个隔绝距离了的气体盒子浸到某个“情况”中，这个情况可模拟为恒温下无限大的物质调集——物理学家称之为“热浴”。（重点在于情况足够大，情况自身的温度不会因为与我们感乐趣的小系统的彼此感化而转变，在这里就是气体盒子。）尽管气体分子连结在盒子内部，热能仍是可以表里传递；是以，尽管这枚小妖精想要把气体有用分手为一半凉的一半热的，温度仍是会当即经由过程与四周情况的彼此感化而起头走标的目的平均。
我们假设这枚小妖精真的很想让本身这个特别的盒子远离均衡态——他想尽心尽力连结盒子左侧高温右侧低温。（请注重，我们此刻把这枚小妖精酿成了盖宿世英雄，不再是大魔王了。）是以，他必需按照分子的速度对分子进行传统的分拣，不外此刻要永远分拣下去，不然的话每一侧城市跟情况均衡。按照我们前面的会商，小妖精只要做分拣就必定会影响外界；擦除记实的过程不成避免会发生熵。是以，小妖精需要的是自由能的持续供给。他摄入自由能（“食物”），并操纵这些自由能擦除记实，在这过程中发生熵，并使能量退化为无用能量；这些无用能量就作为热量（或此外什么形式）被丢弃。小妖精有了方才擦清洁的小簿本，做好了筹办连结这盒气体珍爱生命远离均衡态，至少直到小簿本再次写满之前都能做到，如斯轮回来去。
图2：作为生命典范的麦克斯韦妖。小妖精在盒子里维持秩序——温度的分手，经由过程将自由能转化为高熵热量的信息处置过程来匹敌情况的影响。（图中文字：自由能“食物”（低熵）；废热（高熵）；情况（热浴））
这段迷人的花絮显然无法将我们对“生命”这个概念的一切理解都囊括进去，但也当作功捕获到了大图景里的一些主要内容。生命面临第二定律的要求竭力维持着有序，无论是生物体现实的躯体，仍是其精力宿世界，仍是拉美西斯二宿世的佳构。并且生命是以一种出格的体例做到的：经由过程让自由能在外界退化，来让自身连结远离热均衡。我们已经看到，这个操作与信息处置的思惟有慎密联系关系。小妖精晓过将自由能转化为盒子中关于分子的信息，再操纵这些信息避免盒子里的温度变得平均来执行本身的使命。在很是根基的层面上，生命的目标可以压缩为保存——生物体想连结自身复杂布局的平稳运行。自由能和信息是使之运行的关头。
从天然选择的不雅点来看，为什么复杂的、持续存在的布局可能更适合受到青睐有良多原因：好比眼睛作为复杂布局，较着有助于生物体顺应情况。但越来越复杂的布局要求我们将越来越多的自由能转化为热量，这样才能连结这些布局无缺无损、功能健全。是以，经由过程熵和信息彼此感化的情景可以展望：生物体变得越复杂，将能量用于“做功”目标就越低效——像是跑和跳之类的简单机械动作，就跟连结机械处于杰出工作状况的“调养”目标判然不同。这个展望也确实是真的，对真实的生物来说，越复杂的有机体在运用能量时响应地就越低效。
复杂性与时候
在熵、信息、生命和时候之箭的交叉区域有大量令人着迷的话题我们还没有机遇进行会商：衰老、演化、灭亡、思虑、意识、社会布局，等等乃至无限。一一面临所有这些话题会让本书变得极为分歧，我们的本家儿要方针也就岔路亡羊了。但在回到传统的统计力学这个相对其实的范畴之前，我们可以用带着几分猜想的思虑来竣事本章，这类思虑很有但愿在不久的未来获得最新研究的开导。
跟着宇宙演化，熵增添了。这个关系很是简单：早期接近大爆炸的时辰，熵很是低，从那时辰起熵就一向在增添，将来也还会一向增加下去。但除开熵，我们也可以用宇宙的复杂度来（至少是粗略地）描述宇宙在肆意时刻的状况，或者说用复杂度的背面，即其简单水平。但复杂度跟着时候的演化并不是那么简单了然。
我们可以想出良多分歧的方式来量化一种物理景象的复杂水平，不外有一种测度已经应用得很普遍了，就是柯氏复杂性，也叫算法复杂度。我们会感觉简单景象轻易描述，复杂景象很难描述，这种测度方式将我们这种直觉正规化了。我们描述一种景象时，可以用一个计较机程序（在某种给定的编程说话下）来发生对该景象的描述，而这个程序可能的最短长度，可以用来量化描述这种景象的坚苦水平。柯氏复杂性就是这个可能的最短长度。
考虑两串数字，每一串都有一百万个数。第一串的每一位都是8，此外再没有此外数字；而另一串数字为某种特别序列，从序列中看不出来任何纪律：
8888888888888888888……
6046291123396078395……
第一串数字很简单——柯氏复杂性很低，因为这串数字可以由这样的程序生当作：“列印数字8一百万次。”但第二串很复杂。列印这串数字的任何程序，起码都得有一百万个字符，因为能描述它的独一体例就是把每一位都原样写下来。这种界说到我们考虑像是 π、2 的平方根等数字的时辰会变得很有帮忙——数字看起来超等复杂，但每种环境现实上都有很短的程序就能将该数字计较到肆意需要的精度，是以柯氏复杂性很低。
早期宇宙的复杂度很低，因为很是轻易描述。这是一种炎热、致密的粒子状况，大标准上十分平均，以必然的速度膨胀，密度在分歧处所有极细小的转变（要具体申明也半斤八两简单）。从粗粒化的角度来看，这就是早期宇宙的完整描述了，不需要再说什么此外。而遥远的将来，宇宙的复杂度也会很是低：将来宇宙只是真空的空间，是越来越稀薄的一团单个粒子。但在曩昔和将来之间——就像此刻——就似乎极为复杂。就算粗粒化之后，也没有简单的法子来表达由气体、尘埃、恒星、星系和星团描述的条理布局，更不消说在小得多的标准上发生的那些有意思的工作，好比我们地球上的生态系统。
是以跟着时候流逝，宇宙的熵直接从低到高增添着，而复杂度的转变更有有趣：从很低的复杂度起头，到相对较高，之后又回到很低的位置。问题就是：为什么？或者也可所以：这种演化体例的后果会是什么？可以想到连续串的问题要问。在什么样的一般前提下复杂度会倾标的目的于升上去然后再降下来？这种行为是不成避免地陪伴着熵从低到高的演化，仍是现实上是根本动力学所需的其它特征？呈现复杂度（或“生命”）是在有熵增添的环境下演化的一般特征吗？我们的早期宇宙又简单熵又低有什么主要意义？跟着宇宙放松为简单、高熵的将来，生命还能存活多久？
科学在于回覆难题，但也在于提出得当的问题。一旦需要理解生命，我们甚至都还没法必定什么是得当的问题。我们有一大堆有趣的概念，也半斤八两确定这些概念在某种最终理解中会起到一些感化——熵、自由能、复杂度、信息。但我们还不克不及把这些概念拼在一路，当作为一个同一的图景。不妨，科学是一段路程，毫无疑问，路程自己就已经乐趣良多。