为什么树不会倒着生长？
那种通常认为生命超越了热力学定律的观点是完全错误的，真相几乎完全相反。
作者：杰里米·英格兰（Jeremy England）
译者: 王培
本文来源：AEON，2017年11月1日
一
生命让人印象如此深刻，以至于它在自然科学中为自己赢得了一席之地，那就是生物科学。尽管从物理学家的角度来看，生命物与非生命物没有本质区别。岩石、树木、城市和丛林都不过是一堆物质，能够随着时间的推移，在与环境交换能量时发生运动或者改变形状。那么，这是否意味着物理学无法告诉我们生命是什么，以及它是何时出现的？或者，我们是否应该期待有一天某个数学公式最终会像一个数学领域的弗兰肯斯坦怪兽从纸上跃然而出，一劳永逸地告诉我们，这就是让事物有了生气和呼吸的公式？
作为一名物理学家，我喜欢在还原论与还原论经常受到如下想法挫败的事实之间开辟新路，即，物质有可能逐渐形成生命。我的研究是从如下起点开始的：我们可以看到有很多独立的行为能够将生命与非生命区分开来。比如，生命从它们所在的环境中获取能量，然后将能量用作燃料进行繁殖。它们还能感知环境，甚至能对它们所在世界中的事物做出预测。的确，这些行为中的每一种都是独特的，但这种独特性也是有限的，因为我们可以设想非生命物也能完成同样的任务。尽管火焰不是生命物，但它也许可以被称为一种原始的自我复制者，因为它可以通过蔓延“复制”自己。现在问题就变成了：物理学家能够增进我们对这些类生命物(life-like)行为的理解吗?
我们逐渐发现，我们有理由期待答案是yes。通过从热力学角度来思考生命，我与同事从事的理论研究试图理解生命演化的一个新面向。当我们把生物体设想为由一群分子构成的事物，而能量可以流进、流经、流出这些分子，我们就能利用这一信息构建生物行为的概率模型。从这一角度来讲，生物的非凡能力其实也许就是一种极为广泛的过程的极端结果，而这种过程的发生是持续的、无处不在的，从动荡的液体到震动的晶体，莫不如此。通过这一过程，动态的、能量消耗的结构能够逐渐微调，或者说能够逐渐适应自身环境。在我们居住的地球，找到与演化出来的生命形态类似的事物绝不是一件不可思议的事情，而是极有可能的，尤其是如果我们知道如何寻找这样的事物的话。
作者: [英] 保罗·戴维斯（Paul Davies）
出品方: 中信出版·鹦鹉螺
译者: 王培
出版年: 2019-8-15
二
人们很早就知道，生命和热是交织在一起的。比如，摩西第一次觐见造物主的时候，被包围在熊熊燃烧的荆棘中，但大火却让摩西毫发无损（译者注：这是《旧约》中的故事，作者在这里意指这个故事违背了物理规律，是个神迹）。
在物理学中，热是一种能量，由纳米尺度的分子彼此弹射造成的随机运动和碰撞所产生。地球上的很多能量都与热有关。尽管听上去热只是让分子在我们不可见的背景中四处晃动，其他可见的行为则占据了中心位置，但实际上热扮演着重要角色，让某些最有趣的行为的发生成为可能。尤其，我们将发现，热与时间是联系在一起的，共跳着复杂之舞，并且正是因为热的释放阻止了时间倒流。
这个世界的有些事件似乎是不可逆的。我把球往上踢，球就会升起来；或者我从高处抛一个球，球就会掉下去。这些现象似乎是常识，但实际上这种成对的动态轨迹——一种运动轨迹看上去像是另一种运动轨迹的倒序电影——代表了对称性，而这种对称性被写进了牛顿力学定律的基本数学结构之中。如果你能让某个东西沿着其运动轨迹反方向运动，那么这个东西的运动方向就是双向的。结果，物理世界中最“常见”的现象就是事物能够在事件中做反向运动，就像球可以升起来，也可以掉下去。
我们很难直接理解时间倒流这一对称性的重大意义，因为我们可以看到大量事物似乎没有这种对称性。绿色小嫩芽沐浴在阳光中，长成了参天大树，但我们绝不会看到一棵成熟的松树倒着生长（ungrow），回到球果状态，被埋在土里。沙堡会在波浪冲击下解体，但我们绝不会看到当波浪退去，沙堡会自动恢复原样。如果我们周围无数的日常事件可以被逆转，我们就会觉得相当怪异。“时间之矢”似乎指向了单一方向，但原则上没有明显的理由认为情况必定如此。那么，为什么我们会对“时间之矢”抱有这种看法呢？
简而言之，我们对这个问题了解得还不够深入。当一块木头燃烧时，大量的热和化学生成物会与环境中的空气发生交换。要想将该事件倒转，从木灰和阻燃物中恢复木头原来的样子，我们就不得不在某种程度上为木灰和环境中的每个小分子施以反作用力，让这些分子沿着“原路”返回。然而，这种情况是不可能发生的。
很多科学观察家已经注意到了热与“时间之矢”的关系。然而，只是在过去20年左右，物理学家们才对这一关系提出了新的全面的阐述。其中最重要的一项贡献来自于现就职于美国劳伦斯伯克利国家实验室、名叫加文·克鲁克斯（Gavin Crooks）的物理学家。他提出了如下问题：如果我手里有一部影片（比如说，画面是木头烧成灰，或者某种植物正在生长），并且还有这部电影的倒序版本，我怎么知道哪一部电影中的场景更有可能真实发生呢？
通过应用某些基本假设，他可以在数学上证明这个问题。如果你有一个系统（比如，一块木头或者一株植物），被随机移动的粒子“浴室”（比如，大气）包围，该系统释放到“浴室”中的热越多，它能做逆向运动的可能性就越低。从严格的量化层面来讲，热的耗散是我们支付给“时间之矢”的代价。
为什么这么说呢？我们可以用另一种说法来表达这一观点：一个系统在其所在环境中增加的熵越多，它就越是不可逆。如今，我们必须得承认，如果非要在物理学史上找出一个最受误解的概念，熵很有可能会胜出。即便那些通常对自然科学感到厌恶的人也会脱口而出：熵——也可以说是：混乱、失调、混沌、失序，等等——必定总在增加。显然，这就是热力学第二定律。然而，这幅简单的图景不可能是正确的。比如，生物体似乎就否证了我们对热力学第二定律的误解。生命拾掇起无序的物质碎片，然后将它们以极其复杂和精妙的方式组合在一起。
好在整个故事如今可以得到更详尽的描述了。科学家们在技术和微观意义上使用熵这一概念，将其作为一种统计测量方法，用以解释同样的物质构件可以采用不同的方式形成同一类物质结构。比如，对于一屋子的空气而言，分子均匀地四处分散的方式要比把它们压缩成一团的方式多得多。这就是为什么均匀的空气密度通常会在关于熵的游戏中获胜，以及为什么大自然厌恶真空的原因。粒子之所以会均匀扩散，是因为随着时间推移这是最有可能发生的事情。
熵与热之间的关系则更加微妙。记住，热是物质中的粒子随机扩散产生的能量。能量越大，与周围环境分享能量的方式就越多；与周围环境分享能量的方式越多，熵就越大。回到克鲁克斯提到的处于“浴室”中的系统的例子。一个系统释放的热越多，它在其环境中增加的熵就越多，并且正如克鲁克斯所表明的，这些事件的顺序被倒转的可能性也越小。
这就是热力学第二定律的含义：一部关于热产生的电影更有可能比一部关于热倒吸的电影真实，因为这与热在环境中扩散的方式的多少有关。你往“浴室”中释放的热越多，你让热从随机振动中恢复到原样的可能性就越低，并且一旦电影开始往前放，你拥有能够让你回溯已经发生的步骤的能量的可能性也越低。这就好比你放出一袋子的羽毛到风中，却又希望能把它们全部收进袋子。如果你只是释放一片羽毛，大风有可能把它吹回给你；但如果你放出成千上万片羽毛，要全部捕获它们的可能性几乎为零。
三
现在我们可以将生命纳入这幅图景了。显然，生物体拥有可以消耗的能量，并且它们是通过被做功来获取能量的。与热类似，热力学中的“功”涉及能量单位。但与测量分子的随机运动不同，测量生物体就是要测量有多少能量以及能量以多快的速度从环境中被转移到系统中，而这一过程会导致变化的产生。变化的形式各种各样，比如，移动、体积改变和化学转化。能量从外部环境中被逼迫、推压或驱动进一个系统，从而将各种能量转移过程统一了起来，并改变了系统的形状或位置。当你的车撞上另一辆车，后者有可能被撞开，也有可能被撞凹，或者两者情况兼有。无论是哪种情况，你的车都对那辆车做了功。
生命极为擅长通过做功获取能量。栽种一株植物意味着需要对它做功，这种功的量级并不比我们齐心协力将一辆货车推上山更少。在这些情况下，牛顿定律所指涉的能量交换意味着如下两种情况必定有一种会发生：要么所有能量作为有效功被存储在系统中，就像玩偶盒中的压缩弹簧；要么能量作为热被释放到环境中。再回想一下我们之前提到过的热的释放与时间倒流之间的对称性，事实上，事物做了多少功以及何时做功，这一问题对于我们有多大可能性在电影中看到哪一类事件而言至关重要。
现在我们知道为什么参天大树不可能倒着生长了：因为生命会产生热。从物理学的角度来讲，一棵树会从它生长的环境中获取能量——树被做了功——并且在此过程中，树会将作为热的能量释放到周围的大气中。在这种情况下，事件是向前还是倒转，其概率差异是很大的。即便让一个靠光合作用生存的单细胞细菌倒着生长，其概率也是向前生长的大约105000亿分之一！可以说，一旦做了功（以及热开始扩散），我们通常就不用再谈论倒序电影了。
使用一些代数学技巧，你就能利用克鲁克斯的公式对如下两种情况进行比较：如果一个系统将有两个未来事件发生，哪一个发生的可能性更大呢？是被外力推动的可能性更大，还是被随机振动的分子“浴”包围的可能性更大？事实上，这一公式可以解释植物为何会在大气中生长以及任何生命物的存在。所以，如果我以电击方式点燃某种化学混合物，或者让充满粘稠液体的容器发生机械振动，再假设某些能量可以在系统中进出，那么，对功和热的思考可以帮助我预测这些事件最终是否有可能产生类生命物吗？也许可以，但情况也没那么简单。
四
为了探究功对于生命（以及演化）如何演化的意义，我们需要作一个更形象的类比。让我们想象有一辆可以在崎岖山脉行驶的电动车。从数学上讲，汽车所处的位置可以被设想为对由诸多不同粒子构成的系统的整个微观结构的响应。我们可以认为，汽车可能在山脉停留的任何地方都是在用一种独特而不同的方式安排所有的分子构件，而这些构件又组成了更大的物体。相应地，我们不得不认为汽车不仅有四个运动方向，而是有1025甚或更多的方向（译者注：由起伏的山脉地形所对应的诸多矢量）！在巨大山脉的某个地方，可能还会出现细菌、植物和猫。
在任一时刻，我们的汽车都会极速转动轮子，蜿蜒而缓慢地爬上狭窄的通道，或者快速地下降到另一个峡谷。时不时地，汽车会随机移动，并变换方向。这是一个很贴切的类比，说明一个系统可以因为能量而发生改变，但它又没有经历外部驱动力对其做功。有时，汽车会爬坡，；这种情况对应于我们的身体吸收热并存储能量，就像玩偶盒中的压缩弹簧。有时，汽车会溜坡，我们可以把这种情况类比为当弹簧被释放，玩偶从盒中蹦出来。
那么，这辆电动车最终将停在什么地方呢？直觉和更严谨的物理学定律告诉我们，有两种基本因素将发挥作用。首先，汽车更有可能回到接近出发点的位置，并且该出发点应该是相对平坦的区域。其次，汽车更倾向于走下坡，而不是爬上坡。在行驶了很长时间后，我们也许可以预见，汽车四处游荡了这么久，我们已经不知道它的出发点在哪里了。但无论如何，汽车还是会尽可能避免爬坡，而更倾向于往山谷走。
为了把功加入这幅图景，我们只需要给汽车装上一个太阳能板就行了。当太阳处于最明亮的位置时，就定位和角度而言，汽车轮子转动的方向会更精准。现在，经验告诉我们，汽车行驶的方向明显会变得更加复杂。除了之前提到的情况，比如，我们仍然可以预见，汽车会回到接近于出发点的位置，会倾向于走下坡，避免走崎岖的地形（至少在它陷入崎岖地形之前）；此外，我们现在不得不考虑汽车从头顶上方的太阳获得更多能量所造成的位置和时间上的变化。有些新的情况将会出现，比如，汽车更有可能穿过有光线照射的山丘，而不是穿过有树荫的平地，因为汽车从太阳获得的额外能量会让它呆在明亮的地方。
如果时间足够长，我们不会再自信地认为，我们可以在接近出发点的某个深谷中找到汽车；相反，如果汽车发现了太阳持续照射的路径，我们就不得不考虑它会走多远，走多快。如此看来，汽车的移动机制将受到诸多因素的影响，并且它驶向哪里将存在更多可能性。
太阳能山地车的比喻可以帮助我们思考各种类型的能够吸收功的系统的演化方式。当然，无论有多少种可能性，生命的产生初看起来似乎仍是无望之事。然而，一旦我们提出如下问题，即，是什么因素决定了哪些地方有光线，哪些地方没有？情况就会有所不同了。
五
至少这个问题的部分答案来自于如下特性：一个系统的结构何以能让自身与其所在环境的能量源关联起来。小孩通常会注意到，酒杯被勺子敲打发出的不同声响取决于酒杯中的水量。但还有一种不同的情况：酒杯由同样的玻璃材质构成，也盛有同样多的水量，但由于酒杯形状不同，其发出的声响也会不同。
这表明，物质构成的方式会显著影响它运动和振动的倾向方式。不仅如此，这种构成方式的细节还会影响物质如何从其所在环境中吸收能量。试想一个歌剧演唱家用她极高的嗓音震碎一个高脚杯，这种现象被称为“共振”。由于玻璃倾向于与声音频率完全匹配的频率振动，因此声波所产生的能量可以让酒杯产生足以使其破碎的振动。
我们可以时常想到周围事物的构成方式如何影响功吸收的例子：比如，颜料分子能够吸收和散射光，从而使得我们可以感知到它们的颜色；我们更容易消化和吸收土豆中的淀粉，而不是一捆干草中的纤维素。从化学物理学的角度来讲，人类没有能力吃草仅仅与原子构成人类消化系统的方式有关。如果同样这些碳、氮气、氧气等化学物质按照一头牛的胃的方式被构造，那么存储在草中的化学能就能被人类消化。
当我们把这一想法应用到太阳能山地车时，情况就变得很有趣了。假设我们手里有一堆化学构件，它们被随意堆积在一起，没有明显的结构，这种情况相当于我们把山地车随机放在山脉的某个出发点。现在，假设我们让这些化学构件处于某种有压力的外部环境中——原则上可以接触到能量源——但只有当化学构件以罕见的、特殊的形状被构造时，它们才能真正接触到能量源，而这种形状正好可以解决如何吸收能量的问题。就我们已经提到过的有无数可能的行驶方向的山地车而言，有压力的环境就是指没有多少阳光的地方，在这种地方，山地车只有处于正确的方向、正确的位置和正确的时间才能行进。
当然，我们并不容易知道山地车必定会驶向何处。但我们还是可以知道在某些特定情景下山地车会如何行驶。比如，我们可以设想山地车从一个有阳光的地方出发，急速转动轮子，驶向一个有阴影的新地方，在那里轮子会停止转动。通过吸收和散发能量而不可逆地驶入新地方，山地车就陷入了无法吸收能量的困境，这种情况大约等同于歌剧演唱家用高音震碎了高脚杯。刚开始，高脚杯与歌声共振，并从歌声中吸收了很多能量。当高脚杯被震碎，成为一堆静止不动的玻璃碎片时，这些能量大部分以热的方式散发出来。一旦出现这种情况，玻璃碎片就不再与歌声发生共振，能量吸收效率也会显著降低。
我们还可以设想相反的场景。假设我们把一个单细胞细菌放进一大罐食物和氧气中，大约20分钟后，我们就应该能看到两个细菌，再过20分钟，我们看到又多了两个细菌。就短期而言，我们可以预见，细菌数量将呈几何级增长。单个细菌利用了所在环境的化学能，并为复制自身付出了热力学代价。由于细菌数量一直在增长，功吸收效率也会持续提升——至少在食物被耗尽以及整个繁殖过程结束之前。我们可以将这一过程与吸收阳光的山地车进行类比。正是阳光让山地车慢慢驶出了阴影，然后它的车轮才能加速，逐渐把它带进阳光更充足的地方。在这一例子中，系统展现了持续的、自我强化的过程，该过程可以通过从环境中吸收能量而增强自身能力。
需要注意的是，在对繁殖做出热力学解释的过程中，我们并非故意将离散的实体（比如，一个细菌）进行自我繁殖的案例单独挑出来作为证据。相反，自我繁殖只是某些更为一般的过程的特殊案例，这些过程呈现出了我们所谓的正向反馈的特征。一旦一个系统中事物数量的增长造成了自我增长速率的提升，正向反馈就会发生。在细胞自我繁殖的例子中，事物数量指的就是细胞本身的个数：更多数量的细胞可以更快复制更多的细胞。然而，人们也可以认为自我强化行为与整个系统的形状或结构有关；在这种情况下，山地车的例子仍然是有效的。以这种方式看待生命能让我们意识到存在着与生命类似的反馈信号，而这些反馈信号并不必然只出现在具有自我复制能力的生命中。
六
概述一下前面提到的要点。生物体设法不让自己一产生就分崩离析，这是因为它们会持续在周围环境中增加熵。而熵之所以会增加，是因为生物体的分子结构让它们吸收了作为功的能量，同时又将能量作为热释放。在某些条件下，这种吸收能量的能力使得生物体（以及其他系统）优化了自身结构，从而能够吸收更多的能量，同时在这一过程中释放更多的热。这一切都强化了正向反馈循环，而该循环使得人类感知到自己在时间中不断演化，同时又符合被扩展了的热力学第二定律。
这一过程在类似振动的玻璃杯的例子中具有特殊重要性。在该例子中，环境的能量源代表了一种特定的压力，以至于该系统（玻璃杯）只能在具有合适形状的前提下才能吸收能量。这相当于我们的山地车找到了微弱的光线，并设法驶往正确的方向，从而持续呆在光线充足的地方。如果系统结构中的某种东西能让系统在有压力的环境中使用被吸收的能量来提供反馈循环，你最终就会发现该系统随着时间推移能逐渐演化出精良的、特定的、可以吸收能量的形状。如果你将不同的玻璃杯在女高音歌唱家面前放足够长的时间，最终哪个玻璃杯会被震碎取决于歌唱家选择唱出哪个高音调。
在我的研究小组关于这个课题的第一篇理论论文中，我们提到了这种作为耗散适应（dissipative adaptation）的自组织机制。最近，我们用电脑模拟法对这一理论进行了两项测试。在第一项测试中，我们以漂浮在粘稠液体上的简单点状混合物作为模拟对象。为了让环境更有压力，我们设计了一个简单的规则：每一对点状物要由能够伸缩的弹簧连接起来，而当这一对点状物彼此靠近时，弹簧处于连接还是脱钩状态是随机的。然后，我们抽取了20对点状物，用单一频率对其施以振动力。
接下来我们就看到了有趣的事情。由于弹簧是随机连接或脱钩的，一个特定的纠缠联结网络就此形成了。这些联结倾向于以外力的频率振动，因此它们会吸收极大的能量。相反，当我们重新设计，让弹簧在伸缩时更容易脱钩，我们就看到了截然不同的情况，就像被歌剧演唱家的高音震碎的玻璃杯，所形成的网络做出了调整，不再按照外力的频率进行振动。也即是说，点状物调整了它们的结构，使得自身无法吸收能量。
在第二项测试中，我们得到了类似的结果。在该测试中，我们将从一开始就把随机运动的一堆原子放在丰富而又有压力的能量源中，而这些能量源只能被这些特定的原子堆获取。在让这些原子进行长时间化学反应后，得到的化学成分要么倾向于极为不擅长，要么倾向于极为擅长吸收能量。换句话说，该系统呈现出一种倾向，即，发现并停留于某种状态，而这种状态看上去很适应该系统所处的环境。
在这两项测试中，关键点并不在于所有物质都会试图一直吸收和散发更多能量，也不在于热力学第二定律奇迹般地造成了有序结构的形成，而这种结构更擅长于导致熵增。相反，当粒子在由能量源所产生的压力环境下互动时，它们倾向于根据能量源进行调整，并生成最终的形状——尽管这一过程缺少了自我复制和自然选择环节。
正如现实情况所示，生物体极为复杂，同时又极为擅长应对环境的挑战。我们知道，这是因为我们今天看到的生命已经遗传了很多结构和行为调整能力，而这种能力已经被证明对于我们的祖先是非常有用的。在生物学的语境下，“有用”是指具有生存和自我繁殖能力。然而，我们已经谈到的热力学思维所产生的初步成果——这也是我们这些科学家渴望用模拟和实验来探索的课题——是这样一种可能性，即，形成生物体的某些独特的生命特征，以及能让生物体进食、生存和繁殖的东西，也许可以在更广泛的物理系统中找到，而这些系统不会产生自我复制的“自我”（译者注：也即生命）。相反，它们会受到热力学定律的影响，在面对有压力的能量源时，通过正向反馈倾向于形成非常特殊的形状（译者注：比如，雪花的形状）。这一过程也许能够解释演化是如何在惰性物质中进行的。
我们尚不清楚这一理论最终能否或多或少帮助我们在微观层面理解生物体，毕竟，仍有大量的研究工作要做。但我们对于热力学的新洞见揭示出，有相当多未知的、似乎随机的形状和结构有出人意料的概率能够产生非常有趣的物体——也许我们已经占领了由这些物体所组成的巍峨群山的巅峰，并将一根小旗杆插在了上面，旗上写着“人类”二字。
关于作者：
杰里米·英格兰是麻省理工学院物理学助理教授。他的研究已经发表在Nature Nanotechnology和Proceedings to the National Academy of Sciences等顶级学术期刊。他对类生命行为形成机制的研究成果在Scientific American、Quanta Magazine、Nautilus等著名科普期刊中被广泛报道。学术界认为他很有可能成为“新时代的达尔文”。