生命远离平衡：热力学角度解析生命特性

先前我们讨论过，生命这种有序复杂性状态的产生为何成了热力学上的谜题。生命本质的另一个方面也与这种复杂性相关，并且从热力学第二定律的角度来说也十分令人困惑，那便是生命远离平衡态的状态。请想象一只悬浮在空中的小鸟，它通过不断拍打翅膀来维持其几乎静止的位置。很明显，这只小鸟处于一个不稳定的状态。如果小鸟停止拍打翅膀，那么它便会坠落到地上。不过小鸟可以通过不断消耗能量来维持其不稳定的状态。小鸟通过不断扇动翅膀将空气向下推，因此可以抵抗地球的引力作用。

空中悬浮的小鸟和它不稳定的能量状态看上去是一个转瞬即逝的过程，仿佛不具备任何重要性。但是从能量角度而言，空中的小鸟和它不稳定的状态就像是所有生命体的一个隐喻。想想最简单的生命形式细菌细胞的能量状态。从热力学的角度来说，细胞也处于一个不稳定的状态，并且它也通过不断地消耗能量来维持其远离平衡态的状态。这远离平衡态的状态体现在许多方面上，但为了说明我们的观点，我们不妨先关注其中一点——活细胞中离子浓度梯度的维持。让我们先来看看这是什么意思。将一些食盐，也就是化学式写作NaCl的氯化钠溶解在水中，接下来盐晶体会离解成两个组成它的离子，也就是钠离子Na+和氯离子Cl-。食盐刚开始溶解时，溶液中两种离子的浓度并不是均匀的。但是，过了一段时间之后，那些离子通过扩散作用，会均匀地分布于溶液中。这一现象再次体现了热力学第二定律的作用。当溶液中一部分的离子浓度较高，而另一部分的离子浓度较低时，这种状态与离子浓度均匀的状态相比更不稳定，所以根据热力学第二定律，这种不一致的离子分布状态立刻就会改变。

但是对活细胞而言，本质上处于不稳定状态的离子浓度梯度对许多生理功能而言是必不可少的。比如，细胞内部与外部之间存在不一致的离子分布，又称为浓度梯度，尽管有热力学第二定律的作用，这种浓度梯度依然可以维持下去。为什么会这样呢？细胞为了一直维持这个本质上不稳定的浓度梯度，必须要通过离子泵将离子逆浓度梯度传递，这一过程就像小鸟不断挥动着翅膀来维持悬空的状态一样。当然，细胞必须要使用能量才能保证这些离子泵的运行，而细胞也必须通过我们之前提到的那些方式来获得能量的供应。(www.xing528.com)

换句话说，细胞可以维持远离平衡态的状态，这从热力学角度而言并不是什么神秘的问题，细胞通过不断消耗从环境中获得的能量来维持这个状态。虽然这种能量消耗的模式能够被小心翼翼地维持，但是我们这种模式背后隐藏着一个重大的谜题——这种远离平衡态的化学系统一开始是如何产生的？如果像我们认为的那样，是化学过程导致了地球上生命的产生，那么生物产生前地球上的化学过程，怎么会从一个低能量的平衡态系统朝着一个复杂的、高能量的，并且远离平衡态的系统发展呢？回想一下热力学第二定律的内容，即所有系统都朝着更加稳定的状态发展，那么生命系统的出现必然是与该定律相悖的。如果从热力学第二定律的角度来看待这个不稳定且远离平衡态的系统的出现，结论就是：一个系统理论上不能从这种稳定的状态变成那种不稳定的状态。但是这事实上却发生了！所以，这一过程到底是怎么发生的，才是真正令人困惑的问题。