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生命过程与熵变：从热力学悖论到耗散结构

中国负熵生命科学研究院首席研究员：任天泥

鳳凰新聞社訊

摘要

生命现象与热力学第二定律之间的关系，构成了物理学与生物学交叉领域的核心议题。热力学第二定律指出孤立系统的熵永不减少，一切自发过程皆朝向无序演化；而生命现象却呈现出从低级到高级、从无序到有序的发育与进化图景。这一表面矛盾曾长期困扰学界。本文追溯了诺奖获得者，物理学家薛定谔“负熵”概念的提出及其内在张力，阐述了诺奖获得者，物理化学家普里高津耗散结构理论对这一悖论的解释路径，并引入近年关于生命系统热力学第二定律推广研究的最新进展。文章认为，生命体并非孤立系统，而是通过持续摄入低熵物质、向环境排放熵来维持自身的低熵有序状态；生命的本质在于以“耗散”为代价实现“结构”，在熵产生的洪流中建造暂时的秩序绿洲。这一认识不仅消解了生命与物理定律的表面冲突，更揭示了生命过程深刻的物理学基础。

关键词：熵；负熵；耗散结构；热力学第二定律；生命过程

一、引言：生命与熵的相遇

1943年，奥地利物理学家，量子力学奠基人之一的薛定谔在都柏林三一学院发表了一系列演讲，这些演讲后来结集为《生命是什么？》一书，成为20世纪最具影响力的科学著作之一。在这本书中，薛定谔提出了一个影响深远的命题：生命有机体“要摆脱死亡”，其核心策略是“从环境中不断汲取负熵”。这一论断首次将热力学概念引入生命科学的中心议题，开启了一个崭新的问题域。

然而，薛定谔的“负熵”概念从一开始就蕴含着深刻的理论张力。一方面，他以直观的方式描述了生命体通过新陈代谢维持有序的现象；另一方面，他又试图给出负熵的数学表达式，而这一表达式在严格的热力学框架下却存在内在矛盾。这一矛盾并非薛定谔个人的理论失误，而是反映了生命现象与经典热力学之间更为根本的紧张关系。

事实上，热力学第二定律所描述的世界图景与生命现象所呈现的面貌之间，存在着一种近乎对立的张力。第二定律指出，在孤立系统中，一切自发过程都朝着熵增加的方向进行，即从有序走向无序。按照这一规律，宇宙万物终将趋向热力学平衡——一种均匀、无序、再无任何变化可能的状态。然而，生命现象却展现出截然相反的趋势：从单细胞到多细胞，从简单到复杂，从原始到高等，生命似乎始终在逆着熵增的方向行进。

正是这一悖论，构成了本文所要探讨的核心问题：生命过程与熵变之间究竟呈现何种关系？生命的“逆熵”特征是否与热力学第二定律相冲突？如果并非如此，二者之间的理论桥梁又当如何搭建？

二、熵：理解生命过程的关键概念

2.1 熵的物理学内涵

熵作为热力学态函数，其核心意义在于刻画系统的无序程度。热力学第二定律以熵增加原理表述：一个孤立系统的自发过程总是朝着熵增加的方向进行，即 ds ≥ 0。这意味着，在没有外部干预的情况下，系统内部的能量分布将趋向均匀，有序结构将逐渐瓦解。

这一规律具有统计物理学的深层基础：从微观状态数的角度看，无序排列的宏观状态数远多于有序排列，因此系统自发走向无序是概率意义上的必然。换而言之，热力学第二定律本质上是一条关于“可能性”的定律——系统更可能处于那些实现方式更多的状态。

2.2 生命的“反常”：有序何以可能创建？

如果将热力学第二定律直接应用于生命体，似乎会得出一个悲观的结论：生命作为高度有序的系统，其存在本身就是一个概率极低的事件，并且注定要滑向无序——这一推论在经验层面并非没有道理，生物体的衰老与死亡确实伴随着结构和功能的退化。

然而，问题在于：生命体并非孤立系统。生命体与外界环境之间不断进行着物质和能量的交换。从能量转化的角度看，人体作为开放系统，其内部生化反应所伴随的熵变，与从环境摄入的低熵物质和向环境排放的高熵产物密切相关。利用吉布斯自由能原理来解释人体的能量转化，其结论与熵增理论是一致的：人的生命过程是不可逆过程，也是熵产生的过程，当熵达到最大值时，则会出现热力学平衡态，即物理意义上的死亡。

这意味着，生命体内部秩序的维持，是以向环境排放熵为代价的。生命并不“违反”热力学第二定律，而是通过将自己置于开放系统的框架内，以环境的熵增换取自身的熵减。

三、“负熵”概念的理论贡献与内在张力

3.1 薛定谔的洞见

薛定谔提出“负熵”概念的初衷，是要回答一个根本性问题：生命以何为食？他注意到，生物体并非简单地“消耗能量”——能量的守恒并不能解释生命活动维持有序的本质。他写道，生命有机体“要摆脱死亡”，就需要“从环境中不断汲取负熵”。所谓“负熵”，就是“负的熵”，即有序性的来源或有效能量与有序信息。

这一见解的深刻之处在于，它将生命的新陈代谢从单纯的“能量交换”提升到“秩序交换”的层面。生物体摄入的不仅仅是化学能，更是低熵的物质——有序的大分子被分解后，生物体获取其中的有序性，同时将高熵的废物排放到环境中。以此方式，生命体得以在自身内部维持较低水平的熵。

3.2 负熵概念的内在矛盾

然而，薛定谔的负熵概念在严格的物理学框架下存在严重问题。学者朱广忠曾尖锐地指出，薛定谔对负熵所作的定性描述与定量描述之间存在着尖锐矛盾：在定性层面，“负熵”作为有序性的来源是一个富有启发性的比喻；但在定量层面，试图将负熵纳入经典热力学的数学体系时，却遭遇了根本性的困难。

这一困难的根源在于：熵是系统的广延量，其定义依赖于系统的热力学平衡状态；而生命体本质上处于非平衡状态，将平衡态热力学的概念直接移植到生命系统中，必然产生理论上的裂隙。换言之，“负熵”虽然在直觉上有吸引力，但它并不是一个严格的热力学变量。

四、耗散结构理论：通向生命的理论桥梁

4.1 普里高津的突破

比利时物理化学家，诺奖获得者普里高津提出的耗散结构理论，为理解生命现象提供了更为坚实的物理学基础。普里高津指出，在远离平衡态的开放系统中，通过与环境交换物质和能量，有可能形成稳定的有序结构——这就是所谓的“耗散结构”。

“耗散结构”这一名称本身就蕴含着深刻的辩证关系：“耗散”意味着能量的消耗和熵的产生，“结构”则意味着有序的组织形态。二者的结合表明，在某些条件下，熵的产生恰恰可以成为有序结构得以维持和演化的驱动力。生命体正是典型的耗散结构——它通过不断地“耗散”来维持自身的“结构”。

4.2 耗散结构如何消解悖论

耗散结构理论消解了生命与热力学第二定律之间的表面冲突。关键在于两点：

其一，生命体是开放系统。热力学第二定律适用于孤立系统，而生命体并非孤立系统。将生命体与环境视为一个更大的孤立系统时，整个系统的熵仍然是增加的——生命体内部的熵减少，环境中的熵增加，且后者大于前者。

其二，远离平衡态的条件。在接近平衡态的区域，系统倾向于回归平衡，难以形成有序结构；但在远离平衡态的区域，系统可能出现分岔，自组织形成新的有序结构。生命现象正是这种“非平衡有序”的典型表现。

从耗散结构的视角来看，生命过程呈现出独特的双重性：一方面，生命体内部时刻进行着不可逆过程，产生熵；另一方面，这些不可逆过程与环境的物质能量交换耦合，使生命体得以在整体上维持低熵状态。生命的本质在于“在熵产生的洪流中建造秩序的绿洲”——这是一种动态的、需要持续能量输入才能维持的平衡，而非静止的、一劳永逸的状态。

五、生命系统热力学的新进展

近年来，关于生命系统的热力学研究取得了新的突破。2024年底，以色列特拉维夫大学的研究团队在《物理学评论简报》上发表了一项重要研究，提出了“无爱因斯坦关系的热力学第二定律”。

这一研究的核心贡献在于：传统的热力学第二定律及其相关关系——如爱因斯坦关系所描述的布朗粒子波动与耗散的平衡——适用于普通经典流体，但在活性物质系统中并不成立。活性物质系统——如迁移细胞、成群鸟类、移动人群等——的运动表现出与布朗粒子被动动力学完全不同的特征。在这些系统中，爱因斯坦关系通常被打破，常规的波动-耗散关系失效。

该研究通过应用随机热力学，从所谓的“过度封装朗格文方程”出发，推导出了一个称为“广义非平衡温度”的方程，并在此基础上重新推导了热力学第一和第二定律。新理论不依赖于爱因斯坦关系及其相应的热力学温度假设，因此能够更好地描述远离平衡态的生命系统。

这一进展的重要意义在于：它标志着热力学理论正在从“平衡态热力学”和“近平衡态热力学”向“远平衡态生命系统热力学”拓展。新的理论框架可能为我们理解生物体的能量转换、熵生产以及自组织行为提供更加精确的工具。雷纳·克拉格斯对此评价道，这一理论“将随机热力学与活性物质领域联系起来，为研究生物动力学提供了新的思路”。

六、生命过程熵变的意义与启示

6.1 生命的本质：秩序的绿洲

综合以上讨论，我们可以对生命过程与熵变的关系做出如下概括：生命体并非违背热力学第二定律，而是在更广阔的物理框架内——即以环境为代价的开放系统中——实现了局部的熵减。生命的本质，是以“耗散”求“结构”，以环境的熵增换取自身的秩序维持。

从熵的视角理解生命，至少揭示了三个层次的洞见：

在物理层面，生命是开放系统中远离平衡态的自组织现象。生命体通过持续的能量和物质代谢，维持着一种动态稳定的非平衡状态——一旦这种代谢停止，生命体便迅速回归热力学平衡，即物理意义上的死亡。

在信息层面，熵的减少意味着信息的获得。生命体通过感知、选择、利用环境中的信息，来指导自身的行为和代谢过程，从而维持有序。

在哲学层面，生命的熵变历程——从诞生时的低熵有序，到成熟期的维持，再到衰老死亡时的熵增——构成了一个完整的“有序—秩序维持—秩序瓦解”的循环。这一循环并非热力学第二定律的例外，而是它在开放系统中的具体实现形式。

6.2 问题

当然，生命过程与熵变之间的关系远未穷尽。当前理论的局限在于：我们仍然缺乏能够精确描述生命系统熵产的完整理论框架。传统的熵概念植根于平衡态热力学，而生命系统本质上是非平衡系统。尽管耗散结构理论和近年来的随机热力学进展提供了重要工具，但一个能够统一描述生命现象的热力学理论体系仍有待完善。

七、结论

本文从热力学第二定律与生命现象的悖论出发，考察了负熵概念的贡献与局限，阐述了耗散结构理论对生命本质的解释，并介绍了生命系统热力学研究的最新进展。研究表明，生命过程并不违反热力学第二定律，而是以开放系统为前提，通过持续摄入低熵物质并向环境排放熵来维持自身的有序状态。生命的本质在于以“耗散”为代价实现“结构”，以环境的熵增换取自身的局部熵减。

从更广阔的视角来看，生命与熵的关系为我们理解宇宙演化提供了一个独特的切入点：在热力学第二定律所描述的普遍熵增背景下，生命作为一种局部的、暂时的有序现象，展现了自然界中秩序与无序的深刻辩证关系。正是在这种熵的涨落中，生命过程获得了其最本质的物理意义。

参考文献

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责任编辑 孙德禄