第29章 光与生命

第29章
光与生命

意大利天文学家乔瓦尼·斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli）会作为“火星运河”的发现者在历史上留名。在1887年，斯基亚帕雷利在通过望远镜观察我们的行星邻居之后，报告了火星的表面纵横交错着又长又直的线条，他用意大利语将其称为canali。这个想法激发了世界各地人们的想象力，其中包括美国天文学家珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell），他在亚利桑那的新天文台中观览了这些构造，并且对火星进行了无数的观察。基于对他观察结果的想法——一个由运河连接起来的互相关联的绿洲系统，似乎还会随着时间的脚步变化——洛厄尔发展出了一套关于这个红色行星上存在生命的精巧想法，其中包括一个在水分稀少珍贵的环境中挣扎求存的高等文明。他在后来影响巨大的一系列著作中普及了这个想法，它们成为了H.G.威尔斯（H.G.Wells）的《世界之战》（TheWaroftheWorlds）的灵感。

但这有两个问题。第一个是，即使斯基亚帕雷利也对火星生命的可能性很感兴趣，他从未宣称那里有什么“运河”。意大利语中的canali翻译成英语应该是channels（沟渠），而不是canals（运河）。沟渠是自然产生的，但运河却是人工开凿的。第二个问题是斯基亚帕雷利其实也没有观察到什么沟渠。他描述的特征是一种伪影，源于利用相对原始的设备观察远处行星时产生的困难。

今天，我们已经对火星进行过相当仔细的勘查，其中包括由美国、苏联、欧洲和印度发射的数个轨道飞行器和着陆器（在撰写本书时，火星是唯一已知仅由机器人居住的行星）。我们没有发现任何废弃城市或者古代建筑地标，但对生命的搜索仍在继续。也许形态不会是洛厄尔想象的垂暮文明或者威尔斯想象的邪恶三足机械，但我们当然有可能最终会在太阳系别的地方找到微观的生命形态——如果不是在火星上的话，那么有可能在木星的卫星木卫二的海洋里（它包含的液态水比地球上所有海洋加起来都多），也有可能是在土星的卫星土卫二或者土卫六上。

问题在于，当我们碰见它的时候，我们会不会知道它是生命？“生命”到底又是什么？

没有人知道。并不存在一个达成共识的单一定义可以将“活着”的东西与其他东西明确区分开来。人们曾经尝试过。美国国家航空航天局（简称NASA）对于地外生命的搜寻有着相当大的投入，他们在工作中对生物体采取了如下定义：一个能进行达尔文式演化的能够自我维持的化学系统。

我们可以对“达尔文式演化”这一点吹毛求疵。这是地球上的生物实际形成过程的一个特点，而并不是对每一个生物个体是什么的刻画。当你碰到一只受伤的松鼠然后问：“它还活着吗？”没有人会回答：“我不知道，先看看它能不能进行达尔文式的演化吧。”定义的用处在于帮助我们判定那些困难的情况，比如说科学家有可能在某一天创造出来的人工生命形态。在这个标准下，这样的造物不经过深思熟虑就会自动被判定为非生命，这种情况对我们没什么帮助。但对于我们当前的目的来说，这的确是在吹毛求疵；当谈及我们所知所爱的真实生命时，演化扮演了中心角色。

生命的“正确”定义，也就是我们尝试通过仔细的研究去发现的那种定义，其实并不存在。我们熟悉的生命形态共同拥有一系列性质，其中每一个都饶有趣味，而许多性质也很令人瞩目。我们所知的生命会运动（如果不是在外部就是在内部）、会新陈代谢、会互动、会繁衍、还会演化，所有这些都以层级递次而相互关联的形式发生。这显然是宏大图景中独特而重要的一部分。

我们可以从一般原则开始，慢慢向地球这里生命的特定起源推进；在那里我们可以再次拓展我们的视野，看看生物是如何演化以及相互作用的。

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生命的多个推测中的定义之一正是由帮助阐述了量子力学基本原则的埃尔温·薛定谔提出的，在他的著作《生命是什么》（What Is Life）中，薛定谔从物理学家的观点审视了这个问题。对他来说，最基础的问题与平衡有关。一方面来说，生物总是处于不断的变化与运动之中。不管是猎豹在追逐瞪羚，还是缓缓流淌在红杉枝条中的树液，在生物中总有一些事情正在发生。从另一方面来说，生物同样会维持它们的结构；在变化之中它们仍保持着某种基本的完整性。他寻思着，什么样的物理过程才能设法一直游走在分割稳态和变化的细线上呢？

这个问题促使薛定谔提出一个生命的定义，它看似与NASA的定义相当不同：

什么时候能说一件物质是有生命的？当它一直在“做某种事情”，与外界环境交换物质，如此等等，而它这样做的时间要远远长于我们对于无生命的物体在类似的情景下“维持运转”时间的预计。

薛定谔关注的是NASA定义中“自我维持”的那一部分，而我们绝大部分人都会一扫而过。毕竟有很多东西似乎都能自我维持：瀑布、海洋，说来还有威廉·佩利脚趾踢到的那块一动不动的石头。

这里关键的想法是生物会在“比我们的预计长得多的时间”内“继续运转”。这种说法有点模糊；薛定谔并没有打算提出关于某个精确概念的一个一劳永逸的定义；他尝试的是抓住我们对于生命是什么的某种直觉。石头也许可以在很长时间内维持它的形状，但它永远不能修复自己。比如说，如果山崩让它向下滚动的话，石头也不是不能移动；但一旦到达山脚它就会停止运动，就这样待在那里。它不会像动物那样，拍拍身上的灰尘然后爬回山上。

这就是生物机体看似——但不是真正——违反热力学第二定律的另一面。它们不仅作为有序结构而形成，之后还能在长时间维持这种秩序。

正如最初复杂性的形成一样，真相与我们最朴素的预期刚好相反。并不是说即使熵在增长，复杂结构也能形成；而是正因为熵在增长，复杂结构才能形成。生物机体能维持它们结构的完整性，这并不违反第二定律，而正是因为有第二定律。

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每个人都知道太阳为地球上的生命提供了一项很有用的服务，就是以可见光光子的形式存在的能量。但我们从太阳得到的真正重要的东西其实是熵非常低的能量——也被称为自由能。这些能量之后被生物体使用，然后以高度退化的形式回到宇宙中。“自由能”的英语是free energy，对于说英语的人来说是个令人迷惑的术语，它实际的意思是“有用的能量”——要将“free”看成“做某件事的自由”。它与“free”的另一个意义“免费”没有关系——能量的总量仍然不变。

热力学第二定律说明孤立体系的熵会不断上升，直到体系的熵达到最大值，之后它就这样停留在均衡之中。在孤立体系中，能量的总和维持定值，但能量的形式会由低熵变为高熵。想一下燃烧的蜡烛。如果我们跟踪所有蜡烛产生的光和热的话，能量总量随时间流逝会维持不变。但蜡烛不能永远燃烧下去；燃烧能维持一段时间，然后就会停止。固定在蜡烛内部的能量从一种低熵形态转变成了高熵形态，而不能变回原样。

自由能可以用来做物理学家所说的功。如果我们取某个宏观物体然后将它四处移动，我们就在对它做功。“功”的定义就是我们让物体运动所施的力乘以它移动的距离。要将山脚的石头托举到山顶需要做功。本质上，任何你用能量能做的有用的事情都是某种功，无论是将火箭送上轨道还是轻轻抬起眉毛以示怀疑。

自由能就是处于可以被使用的形态的那种能量。剩下的高熵部分就是“无序能量”，等于系统的温度乘以熵。热量从一个系统流到另一个系统会使无用的无序能量增加。确实，阐述第二定律的一种方式就是在孤立体系中自由能会随时间转变为无序能量。

薛定谔的想法就是，生物系统通过利用环境中的自由能来维持移动以及维护它们的基本结构。它们吸收自由能，用它来做需要做的任何功，然后以某种更无序的形式将能量返还给世界。（在他这本著作的第一版中，他花了很长的篇幅来避免使用“自由能”这个术语，因为他觉得这个概念可能比较难搞清楚。我对你的要求比薛定谔对他读者的要求要稍微高那么一点点。）

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某些能量到底是“自由的”还是“无序的”，这依赖于它身处的环境。如果我们有一个充满热气体的活塞，我们可以用它做功，只要让气体膨胀推动活塞就行了。但这假定了活塞不是身处拥有同样温度和密度的气体之中；否则，活塞受到的合外力为零，而我们不能用它做功。

我们从太阳得到的光相对于它的环境来说处于低熵态，所以包含自由能，可以用来做功。这个环境就是天空的其他部分，其中点缀着星光，充斥着宇宙微波背景辐射，它的温度只比绝对零度高几度。太阳发出的光子一般来说拥有比微波背景辐射的光子多一万倍的能量。

想象一下，如果没有太阳，整个天空会像现在的黑夜那样。在地球上，我们会很快达到平衡态，温度变得与夜空一样冰冷。不会有什么自由能量，生命也会逐渐停滞[起码是绝大多数生命。那些“无机化学自养”（chemilithoautotroph）的微生物消耗的是固定在矿物中的自由能。即使没有太阳，地球仍然不会处于完美的热平衡]。

但现在想象一下我们周围都是太阳——整个天空都在洒下如同现在的太阳那般耀眼的光子。地球会很快到达平衡，但温度也会变成太阳表面的高温。到达地球的能量比现在要多得多，但这些太阳温度的辐射都是没有用处的无序能量。在这些条件下，生命的存在就与没有太阳时同样不可能。

对生命来说，最重要的就是在地球这里的环境与平衡态相去甚远，而且这种情况会保持数十亿年不变。太阳是冰冷天空中的一个热点。因此，我们以太阳光子的形式接收到的能量几乎都是自由能，可以被转化为有用的功。

这就是我们所做的事情。我们从太阳接收光子，它们主要来自电磁波段的可见光部分。我们处理这些能量，然后将它们以低能态的红外光子形式返还给宇宙。一堆光子的熵大概就是这堆光子的总数。对于从太阳接受到的每个可见光光子，地球都会向太空辐射出大概二十个红外光子，每个拥有原来大概二十分之一的能量。地球放出的能量与吸收的基本相同，但我们在将太阳辐射返还宇宙之前将它的熵提高了二十倍。

当然，地球这里的总能量并非绝对不变。自从工业革命以来，我们一直用能够阻挡红外线的气体污染整个大气层，使能量更难逃离，从而加热了这个星球。但这又是另一个故事了。