时间的尽头？生命存在对熵的增长有
转--生命与熵 2007-02-27 22:40:27
长久以来，一直想表达一下我对熵的困惑。也许这实际上和熵并没有什么关系，只是我自己的困惑罢了。
我的物理基础很薄弱，关于熵只是学无机化学和物理化学时了解了一点。 只能用几个公式做简单的计算，而对于熵的意义，其实并不理解。
熵最初的登场似乎和能量有关，事物有从低熵状态向高熵转变的趋势，让人觉得高熵似乎就意味着低能。
其次就是不可逆。孤立体系中的变化都伴随着熵增,而不能倒过来。 因此我想到不可逆时常常会想到熵。
热力学定律真是普遍的人生哲理。热力学第一定律告诉我们没有付出就不会有得到；而热力学第二定律又告诉我们付出了也不一定会得...全部
转--生命与熵 2007-02-27 22:40:27
长久以来，一直想表达一下我对熵的困惑。也许这实际上和熵并没有什么关系，只是我自己的困惑罢了。
我的物理基础很薄弱，关于熵只是学无机化学和物理化学时了解了一点。
只能用几个公式做简单的计算，而对于熵的意义，其实并不理解。
熵最初的登场似乎和能量有关，事物有从低熵状态向高熵转变的趋势，让人觉得高熵似乎就意味着低能。
其次就是不可逆。孤立体系中的变化都伴随着熵增,而不能倒过来。
因此我想到不可逆时常常会想到熵。
热力学定律真是普遍的人生哲理。热力学第一定律告诉我们没有付出就不会有得到；而热力学第二定律又告诉我们付出了也不一定会得到，而且你得到的一定不会比付出的多。
于是有人给出了一个通俗而幽默的表达－－热力学第一定律就是你不会赢，热力学第二定律就是你一定输掉。
看来这个世界真是一个堕落的世界，一切似乎都在朝着不好的方向发展。热力学第二定律的另一个通俗解释就是墨非定律。
比如新衣服被弄脏的几率总是大于旧衣服；你想上楼时电梯总是在往下走；早晨路上堵车的方向一定是你上班的方向等等。
人总是不可避免的一天天地老去。于是总有人热衷于慨叹世风日下，今不如昔，一代不如一代。
整个世界似乎都在不可逆转地混乱下去，直至极端的混乱又极端的均一，到处都是耀眼的白光却又漆黑一片，到处都是纷乱的噪音却又无声无息－－这就是传说中可怕的热寂。
然而这又是一个生机勃勃，蒸蒸日上的世界,到处都是日新月异的变化。
至少我从来没有觉得热寂真的会到来。书上对热寂的否定多是从逻辑上或哲学上的，好像也看到过数学上的推理----当然，我看不懂。
事物总有向坏的方向发展的趋势，又总有从简单到复杂从低等到高等发展的趋势。
生物总是不可避免地衰老却又总是繁衍出顽强的新生命。
再也没有什么东西比热力学第二定律更加理所当然而又令人困惑不已了。
万事万物都有发生发展灭亡的过程，宇宙大概也不能幸免。或许我们生活在一个年轻的宇宙中，而宇宙的寿命对于我们而言又太长了。
那么在以后漫长的岁月中宇宙会不会由于能量垃圾－－熵的积累越来越多而逐渐衰败，终至灭亡。而那个尽头会不会就是传说中的热寂呢？
那么现在的每一时刻是不是都是宇宙有史以来熵值最大的时刻呢？
也许这并不是我该问的问题，也一定是我回答不了的问题。
我在这里要说的是生命衰老的问题，然而熵的困惑却总使我游离出来。。。
在我们的有生之年不可能看到宇宙的死亡，但我们几乎每天都在目睹生物体的衰老和死亡。
100多年前，德国的魏斯曼曾经提出过种质不死而体制会衰老死亡的观点。
种质在某些方面类似后来的遗传物质染色体或DNA，但同时也被赋予了一些神奇的色彩。让人觉得似乎我们只有一点种质，只能传给我们的生殖细胞。如果我们有足够的种质，那么我们的机体也将长生不老。魏斯曼那个时代不可能找到这种种质，因为我们现在也找不到。
然而，另有一种观点认为，细胞是不死的。比如单细胞生物或肿瘤细胞都能够无限的分裂，衰老只是环境造成的。这给了一些人这样的一个希望，如果尽量避免环境带来的损伤就可以避免衰老。至今，还常常看到据说是俄国人说的“衰老是一种疾病”
而实际上，这种论点早已被否定了。
这就是著名的Hayflick界限。
*细胞死亡和机体死亡是两个不同的概念，以上在不必要时并没有做清晰的区分。
hayflick发现培养中的人体细胞都有一个最高分裂次数，而不能够无限分裂。而且源于衰老个体的细胞比年轻个体的细胞分裂能力差。
hayflick认为细胞衰老参与了生物体衰老的整体过程。
后来人们又陆续发现，寿命长的物种，其细胞的分裂次数上限也较寿命短的物种为高。
这些似乎提示衰老的决定因素在生物体或细胞的内部，环境只是影响而已。
这一理论在哲学上也显得更完美
体细胞的每一次分裂都伴随着端粒的削减。。。
端粒是真核细胞染色体的基本结构之一，位于染色体的末端。对于染色体的末端复制是必须的。当端粒短到一定程度，染色体将无法再复制，细胞也将停止分裂。
生殖细胞有着很长的端粒，癌细胞的端粒不会随分裂而削减，原核细胞的DNA是环状的，不需要端粒。
于是人们不禁会想端粒的消减会不会就是细胞衰老的原因，而端粒就是细胞寿命的生物钟？再进一步如果设法维持端粒的长度（比如提高细胞内端粒酶的活性），那么是不是就能够避免衰老的发生呢？
细胞的分裂能力总是随着细胞分化程度的增加而降低。
单细胞生物和多细胞生物的生殖细胞都是没有分化的细胞，而癌细胞则是分化异常的细胞。它们都有无限分裂的能力。但高等动物的体细胞的分裂能力却在分化中总是不可避免的降低。如果人体的细胞都象单细胞生物那样各自为政，或者象癌细胞那样“不务正业”，人将不能成其为人。
即便如此，有人可能还是会说，这只是一个技术上的问题，如果将来科技发达了，那么能不能在细胞分化的同时又保持细胞的分裂能力呢？比如提高端粒酶的活性同时又防止细胞发生癌变。
答案是否定的。其实端粒的削减并不是衰老的原因，而只是衰老过程中的一个现象，或者衰老的“手段”，甚至是衰老的结果。
对衰老基因的研究也是同样，虽然是很有意义的研究，但永远不会带领我们走向长生不老。正如我们无法用敲除癌基因来预防癌症一样，我们也不能通过敲除“衰老基因”来预防衰老。
这显然不是一个令人满意的解释。
因为问题会接踵而来－－既然这不是衰老的原因，那么到底什么才是衰老的真正原因呢？
也许我们只能说，衰老死亡是自然界的普遍规律，生物体自然也不能幸免。可这只是一个哲学上的解释，而不是科学上的。
在物理学中，因为有热力学定律，我们可以在理论上否定永动机存在的可能性。而生物学至今仍只是实验科学而非理论科学，我们无法借助某一个定律来证明衰老的必然性。
尽管热力学第一第二定律已得到了大量事实的支持，仍然有人执著地相信永动机的存在。
那么有人相信衰老可以避免也就不足为奇了。
Hayflick界限并不适用于所有的细胞，至少对于单细胞生物和癌细胞是不适合的。书上对于这一现象的解释常常是说单细胞生物的分裂是不平均的，后代中只有一部分强壮的个体，而大多数的细胞还是走向了衰老。
然而这一解释极易使人产生误解，似乎又回到了魏斯曼的种质说－－细胞没有足够的种质传给所有的后代，只有获得了种质的细胞才能够继续繁殖。可是我们知道生物体中并没有自然界中找不到的化学元素。所谓种质是将生命神秘化了。
而且我们知道，生命的总量是可以改变的。一个细菌几天中分裂产生的后代就可以充满一个发酵罐。如果种质是不可再生的，那就无法分给如此众多的后代，如果可以合成，那又不可能成为关键的限制了。
难道是我们有意回避了这一棘手的问题吗？当我们不停的问下去的时候，问题的关键就不再是单细胞生物是否会衰老，而是逐渐转移到单细胞生物与多细胞生物在衰老方面最重要的差别在哪。
这似乎越来越凸显出一个关于‘信息容量’的问题。。。
如果换一种理解，我们大可以认为细胞是永生的。因为所有的细胞都来自细胞，而不能凭空创造。即使是高等多细胞动物，它们的生殖细胞发育成新个体，新个体又有生殖细胞，细胞的传代从来就没有停止过。
这样对于衰老和死亡的定义就显得很重要了，虽然乍看起来这比法医学上对人的死亡的定义更为无聊。
对于行有性生殖的高等动物，虽然我们也说孩子是父母生命的延续，但我们从不会因为一个哺乳动物有了后代就认为它是永远活着的。
后代与亲代的差别让我们很容易区分它们，而且更高级的东西，比如记忆更是无法“遗传”的。而对于能够无性生殖的多细胞生物，这样的死亡的感觉似乎变得不那么强烈了，比如把一个蒜瓣种下去，长出一头蒜，再把其中的一瓣种下去，又长出一头。
。。这样可以无限地传代。虽然每一次的蒜苗（叶子）和蒜薹（茎）都枯死了，但我们并没有强烈的感觉到蒜作为一个生命死掉了。我们可以把这些茎和叶看成是身体的一部分（实际上也是），如同我们的头发和指甲或者蝌蚪的尾巴，它们的消亡并不代表整个生物体的死亡。
更进一步对于单细胞生物，当一个细胞分裂成为两个子细胞时，原来的细胞已经不在了，我们于是认为是一个大细胞变成了两个更年轻的细胞，因此单细胞生物是永远不会衰老的了。
如此，我们可以看到，人们认为单细胞生物不会衰老是由于单细胞生物与高等生物之间给我们的巨大的感官差别造成的。
而就细胞本身而言在这方面是没有质的差别的。如果我们直接把人和细菌相比，会感觉到二者在衰老方面的差别是如此之大，但如果我们从细菌到酵母再到霉菌再到地衣、苔藓、高等植物、再生能力强低等动物，再到高等动物这么比过来，就会发现这个差别是逐渐过渡的，并没有突然的变化。
由此可以看出，在讨论生物衰老的问题时，如何界定衰老是非常重要的。
在我们的定义中，所有的细胞都是会衰老的。单细胞生物的永生并不代表它们不会衰老，它们只是不断产生新个体。如果抑制细胞的分裂，单细胞生物是不会永久存活下去的。
当然，颠三倒四地说了这么多并不只是想让人们相信一切生物都是要衰老的。这本身并没有多大的意义。我们只是需要有一个准确的定义以方便后面的讨论。
这里插一句话。我们研究衰老的科学家们并不像内含子这样崇尚空谈，他们都是在做具体的研究。
比如，研究某些基因的表达在衰老过程中的变化，或者某些细胞表面蛋白组成的变化，或者某些基因的产物在衰老相关的疾病中扮演的角色等等。这些研究将为我们揭开衰老的奥秘打下必要的基础。
也就是说细胞能够通过分裂产生更年轻的细胞，却不能将衰老的过程逆转回到年轻的状态。
有时人们常常把衰老的不可逆与熵增的不可逆混为一谈，以为衰老是不可逆熵增的结果。
实际上，生物体都是开放系统，即与外界既有能量交换也有物质交换。开放系统的熵值是既可以变大也可以变小的。
只不过我们身体熵值的减小必然伴随着环境熵值的增加，也就是作为孤立体系的宇宙的熵值变大了。
且不说幼儿长大的过程中熵值如何变化，在疾病的恢复期人体的熵值基本上是减小的。可是从衰老的角度看，痊愈后的人并没有比生病时变得年轻。
显然，熵并不能作为衰老的一个量度。
也许我们太想找到一个可以度量衰老的量，以便把复杂的衰老问题简单化，所以我们想到了熵，但还是没有达到目的。即使大伤元气的人也还有恢复元气的可能，那么还有什么比元气更“元气”的东西在我们的体内只能减少不能增加呢？
也许只有时间，只有时间才是具备这样的性质。
这样问题虽然简化了，却简化到了无聊。用时间注解衰老，似乎就像用质量注解体重一样。这还是科学吗，还需要研究吗？
然而，也只有时间才能在这里胜任。
而且，时间本身也并非那么简单。我们都知道，时间已经不再是牛顿那个年代自顾自地均匀逝去的时间了，它理应有更多的内涵。
当然，这里并不想说太多玄虚的东西。毕竟目前的生物学与之还没有太多的牵连。我也极少会想起“为什么我们记住的是过去而不是将来的问题”）
物理学上指出，我们的世界上存在三个时间箭头。一是宇宙膨胀的箭头，一是宇宙熵增的箭头，还有就是人们心理的时间箭头。
目前，这三个箭头的方向是一致的，也都是鲜明的。而且我们的心理箭头实际上原于熵增的箭头。也就是说时间的不可逆是由于宇宙熵增的不可逆。试想如果我们日常所见的现象大多是可逆的，那么我们还能鲜明地感到时间的流逝吗？
宏观中发生的一切都是不可逆的。
设想在一个箱子里有黑白两个球，黑球在左，白球在右。晃动箱子，球的位置也跟着变化，有可能变成黑右白左，继续晃动，仍有可能回到黑左白右。如果宇宙象这个箱子一样简单，也许我们将无法判断时间的流逝。
但当我们把100个黑球放在左边，100个白球放在右边，再晃动箱子，黑球和白球将会均匀地混合，然后无论我们如何晃箱子，也没有办法使它们分开了。当然，我们可以用手把两色的球重新分拣出来，但这样是通过另一条路径回到了当初的状态，而不是原路退回来的。
一去一回两个过程的熵值都是增加的。正如我们开车去公司要耗汽油，而把车从公司开回家还是要消耗汽油，却不会吐出汽油。
所有的化学反应都是可逆的。氢分子和氧分子化合生成水分子与水分子分解成为氢分子和氧分子的反应速度是相同的。
然而氢气与氧气燃烧生成水的过程却是不可逆的。我们就如同在一个长满倒刺的管子里爬行，只能前进，无法后退。因此虽然衰老不能等同与熵增，但我们的确是被熵卡得无法回头。
不过，既然我们还可以通过回路回到当初低熵的状态，既然老细胞能够产生新细胞，既然相对“衰老”的成人还能够生出“年轻”的婴儿，那么宇宙的熵增与时间的指向似乎并不应该是我们非常关心的一个问题。
因为如果我们能够回到年轻的状态的话，我们又何必在意是通过回路还是原路返回的呢。
事实上，我们虽然不停地通过利用食物中的能量把熵排放到环境中而使自身重新回到低熵的状态，但我们还是挡不住衰老的步伐。
为什么我们不能通过前述的回路回到当初的状态，既然我们的基因组里保存着足够再造机体的全部信息。既然这些信息足够指导一个新生命的产生，为什么不能把现有的机体修复的完好如初呢？或者即使不能如初，也能完好如新呢？这在理论上似乎是可行的，但现实中却是一道无法跨越的门槛。
如果一个体系足够简单，比如我们前述的100个黑球和100个白球组成的体系，我们不需要付出太多的能量就可以使其恢复到原来的状态。但设想如果一台电脑的被砸碎了，我们需要付出多少能量（或者钱）才能使它复原呢，或者虽然外观有些差别但功能并不逊色？这恐怕是太难了。
也许只能通过大量地更换配件使之几乎变成一台新机器。而目前最先进的电脑也还不如最简单的细胞复杂。况且，生物体是不能象机器那样更换配件的。它们的一切变化都是那样的潜移默化，无迹可循。
那么我们可以想见生物体如果要维持住年轻的状态需要消耗多么巨大的能量。
恐怕需要的食物的量会撑破我们的消化系统，需要的血液循环速度也会令我们的心脏不堪重负。因此，在我们生活的这个宇宙中不可能有长生不老的生物。
如果一辆旧车的维修费太高，我们会干脆去买一辆新车。所有的生物也都是用它们的遗传密码去打造新生命，旧生命也都在按部就班地消亡着。
这可能也是魏斯曼说“衰老是自然选择的结果”的原因。衰老的确看上去象是一种经济的生存方式，但对于生物而言其实则是别无选择。正如即使我们固执地愿意付高额的维修费，我们也不能无限地延长旧车的使用寿命。
魏斯曼的理论尽管看似有理，但毕竟与事实不符。
到此，我们似乎已经给衰老勾画出了一个粗略的轮廓。也许人们会问，为什么宇宙的熵值在不断增大，而生命却不断繁衍生息，不但没有消亡，而且还能够发展壮大，进化出越来越高等的生命形式；或者更广义地说，为什么事物总有从简单到复杂、从低等到高等的发展趋势，这与熵和无序度的增加不是恰好矛盾了吗？
这可能是因为我们生活在一个正在膨胀的宇宙中，宇宙的膨胀稀释了持续增加的熵值。
如果宇宙膨胀的速率超过了熵增的速率，那么单位空间中的熵值不但不会增大而且会减小。这给事物包括生命的发展提供了宝贵的契机。而生命的加速进化或许正是宇宙加速膨胀的结果。
现代物理认为，宇宙是从最初的一个无限小的点经过漫长的膨胀才有了今天如此浩瀚的空间，在遥远的未来，宇宙可能停止膨胀，进而转入收缩。
而不论在膨胀期还是收缩期宇宙的熵值都是在增加的。因此霍金说，在一个坍缩的宇宙中是不可能有智慧生命的存在的。那么，看来我们的运气不错，有幸生活在膨胀的宇宙中。
在宇宙的收缩过程中，总熵的增大加上空间的减小更加剧了单位空间中熵值的增加速率。
也许在宇宙坍缩的尽头恰好就是传说中的热寂，极端的无序正是极端的均一。当然这时还有极小的体积和极高的温度。也许正为下一次的大爆炸做好了准备。
生命是宇宙发展到一定程度时的产物，然后是漫长的进化。
当宇宙进入收缩期，生命也会不可避免地走向没落。产生最晚的高级生命可能将是较早消失的部分，最终所有的生命将不复存在。
也许这些都只是我的想像而已，不过我还是想说一下我们的地球作为宇宙中一个微小的局部，它的熵减速率应该是不均一的。
熵减速率的变化可能策动了生命进化史上许多重大的事件。这是一个大胆的想像，同时我也希望它是有意义的。
我们强调了宇宙膨胀带来的单位空间的熵减的重要性，是它克服了宇宙总熵的增加才使我们得以拥有这个异彩纷呈的世界。
但我们也切不可忽视了伴随着每一过程的熵增。它几乎是推动世间万物运转的原动力，没有它生命也是不可能存在的。宇宙总熵的增大和单位空间中熵值的减小这一对矛盾恰恰是生命得以存在的必要条件。正如在商品社会中，我们要能大把大把地挣钱又能大把大把地花钱日子才能过得超爽。
如果挣不到钱或者有钱花不出去日子都不会过得舒服。
。收起
