生命與能量定律

熱力學第二定律帶來的福音

想想地球上得天獨厚的自然環境吧。我們這顆環繞太陽運行的行星和太陽之間的距離使它能夠享受陽光帶來的穩定、無盡的能量且免于燒灼之災。太陽的光和熱灑向地球，然后繼續發散到沉寂寒冷的外太空，那里的溫度接近零下273攝氏度，科學家們稱之為“絕對零度”。這源源不斷的太陽能，遵循熱力學第二定律，讓我們的星球保持著一種舒服又有活力的狀態¹——伴隨著化學鍵不斷地產生、斷裂，能量不停地流動。這世界千變萬化，永不停歇，都是因為能量總趨向于更加彌散的狀態。一旦能量分散到達最大程度而不再傳遞，這世界將陷于死寂：所有東西都靜止不動，所有的事物都迷失方向，連時間都停止了。

我們可以通過進一步了解化學鍵的形成過程來理解這個動態的世界究竟如何運作。每當兩個原子之間形成化學鍵，一部分能量儲存在化學鍵里，另一部分則以熱量的形式擴散到周圍。換句話說，化學鍵形成時消耗的能量要比鍵內儲存的能量多，多余的那部分擴散到周圍了。這種看起來十分浪費熱能的行為，即遵循熱力學第二定律，卻也有積極作用。合理的解釋應該是這樣：如果那多余的能量不以熱的形式擴散出去，那么它將滯留在附近，隨時可能回流反攻，把化學鍵破壞掉。熱量的擴散確保已經制造完畢的化學鍵保持完好，至少能保存一段時間，且生成化學鍵的反應是單方向進行的。原子之間化學鍵的形成能夠編寫生命的遺傳信息；這種信息反過來又組建了分子排列秩序。這樣一來，能量雖然遞減，生命的信息卻不斷積累，生命的復雜程度如滾雪球一般增加。

因此，熱力學第二定律并不對生命造成威脅，相反它維持了生命的存在：（1）來源恒定的，可被利用的太陽能，（2）利用能量構建結構穩定的生命分子，（3）信息鏈分子的組合（見下一章）。生命在能量的洪流中逆勢而上，靠的不是什么特殊伎倆，而是在分子水平上堅韌不拔，持之以恒地再造與修復（就像右圖中螃蟹搶修城堡那樣）。

能量傳遞與平衡態

生命好像一個裝滿化學反應的大袋子。

把自己想象成一個細胞，這樣可以身臨其境地觀察微觀世界的化學反應是怎么進行的。細胞正準備用幾個小分子制造出一個大分子。我們把反應剛開始時的分子（或原子）叫作反應物，把由反應物生成的分子叫作產物。請記住，我們討論化學反應的時候，實際上我們在討論數百萬個分子在一個有限的空間里高速運動，互相碰撞。分子越多，“中央車站”的旅客越擁擠，碰撞就越頻繁，因此發生化學反應的可能性就越大。

在化學反應的起始階段，反應物很多，產物尚不存在。反應開始后幾秒鐘內，上百萬反應物分子都被轉化成產物，導致產物不斷堆積，生成速度也隨之減緩。在某一時刻，當反應物和產物中蓄積的能量相等時，產物的數量便不再增加。但是這不意味著分子之間的反應已經停止，事實上反應物之間仍然相互碰撞生成產物，只是與此同時等量的產物又因頻繁地碰撞而被打回原形，變成反應物。此時能量向著反應物和產物兩個相反方向的流通量相等，總體來說系統已經不再發生變化。這時的狀態就被稱為穩態。（右圖中兩條狗被跳蚤咬可以做一個類比）。

穩態并不是生命意欲達到的狀態，對細胞來說穩態意味著消極和死亡。活躍的細胞總是不停地給自己增添反應物或是消耗產物，離穩態越遠越好。