【原创】从物理角度谈谈为什么生命体系于其他非生命体系的不同 26
首先，我们来谈谈熵。

我们知道
1。物理体系的状态可以由体系的内能以及熵与温度的乘积来共同描述。
2。在一个孤立系统内，系统的熵总是要增加。（热力学第二定律）

我们就从这两条出发，来看看生命体系与其他生命体系的不同之处。

生命体系的共同特点是，它宏观上具有遗传，变异，进化等特征，这些反应到微观上，就是组成生命体系的大分子(DNA,蛋白质)的自组装，折叠等等结构变化。研究发现，这些分子结构变化，仅仅需要很小的能量输入，但却可以导致很大的结构变化，而结构变化，简单理解就是体系发生突变，从无序走向有序。

那么我们来看，这种特点的物理机制可能在哪里呢？让我们回头来看上面的第一条。我们知道，生命体的结构发生大变化（变异，进化）的过程中，很多情况外界能量的输入是很小的，而环境温度的短期变化也是可以忽略不计的，但生命体的结构（物理体系的状态）仍然可以发生大的变化，因此我们可以断言，这种变化是因为体系熵的变化引起的。而这种“一个小的输入就能产生巨大而惊人效果”我们称其为“非线性作用”。即体系内各要素之间具有超出整体是局部线性叠加效果的非线性作用，是一种所得超所望的非线性因果关系。这样才可能使体系具有自我放大的变化机制，产生突变行为，以异乎寻常的方式重新组织自己，实现有序。相反，如果只是具有线性作用，要素间的作用只能是线性叠加即量的增长而不能产生质的飞跃和实现有序。

有意思的是这种熵的变化往往是朝熵减的方向进行，因此我们回头看看上面提到的第二条，就可以清楚知道，如果希望这种“熵减”情况发生，那么体系必须是开放体系。于是，“开放体系”成为生命体系的基本特征之一。这样生命体系才可能同外界交换物质与能量形成有序结构，也就是水风兄提到的耗散结构。至于为什么开放体系可以形成局部“熵减”的物理机制，可以参见这个帖子小议对生命进化的可能的物理解释 （和水风）。

但并不是所有开放体系都可以又“进化”成具有复杂微观结构的生命体系的。这就是水风兄提到的另两点。
1。远离平衡态

这点对于体系自发由无序到有序至关重要，是体系可以向熵减方向发展的推动力。打一个比方，如果你往咖啡里面加牛奶，如果达到平衡时你得到的只能是一碗混沌无序的灰色浑汤。但是在达到那个状态以前，你会看到白牛奶在黑咖啡里形成瞬息万变的漩涡花样和结构！可见，有序的生机（复杂结构）一定是在远离平衡态时萌动的。

2。涨落作用  

只有在体系中某个变量局部行为与其平均值发生偏差的作用。体系具有涨落或起伏的变化，才能启动非线性的相互作用，使体系离开原来的状态，发生质的变化，跃迁到一个新的稳定的有序态，形成“进化”。涨落主要是由于受到体系内部或外部的一些难以控制的复杂因素干扰引起的，带有随机的偶然性，然而却可以导致必然的有序。

而水风兄提到的能量阀门对是否涨落作用可以真正促发结构变异在这里发挥了重要作用。据个例子来说，我们考虑不同结构所具有的内能，你把他画成图就象是一座连绵起伏的光滑曲面，有高峰有低谷，每个低谷实际上就对应一种“稳定结构状态”，而这个高峰就是导致结构变化的能量阀门。你如果你放一个球在曲面的任何一点，那么球最终会滑到某一个低谷处“震荡”，这时候如果你敲这个球一下，那么这个球一定会增大震荡的振幅，很可能这个振幅会高过相应的高峰，那么这个球就会“宁愿”跳过这个高峰滑向下一个低谷，这也就导致体系的结构的剧烈变化。自然界环境的变化有时候就开启这个能量阀门，但是并不是那么容易的，因此自然进化的过程十分漫长，但如果人为的输入能量迫使能量阀门打开，比如说对生命体照射紫外线或其他高能射线，那么细胞变异就要容易多了，所以人工选择可以加快生物进化步伐，可惜这种人工选择的更多的时候导致生命死亡。

大家辨别何谓生命体系的时候，对照一下上面提到的生命几个物理本质特征，自行判断也就可以了。

其他的讨论，请见水风兄的下面几个帖子：
大反派跳出来了
是我没说明白
这就要说到体系了
关键词(Tags): 心爱科学
爱莲 选转。雪个 荐,最后于2006-04-28 09:43:09改,共4次;

沙发并送花！ 1
惭愧ing。。。都忘了。。。

（看见您的签名档。。。）

普里高津的观点吧 1
很不错的科普，花！

是，可参见《确定性的终结——时间、混沌与新自然法则》
[URL=http://www.hhfg.org/fjykx/f41.html]确定性的终结——时间、混沌与新自然法则
[/URL]

倒，我的签名档两年没换阿，你才看到？
可见以前没看过我的帖子。

倒，俺不是第一次因为你的签名档回帖了，你都忘了？
可见年纪大了。。。

忘了 1
我老了。。。

我有点糊涂了 1
化学平衡:我记得是指组分不再随时间变化了,宏观上不再继续反应.

封闭体系:能量交换,无物质交换.

物理平衡:概念是什么?他和化学平衡有何关系?是不是一个包含另一个?

体系的内能以及熵与温度的乘积来共同描述--------你的意思是gibbs自由能吧?这个是用来判断反应是否自发的;如果不是,则需要输入能量反应才能发生.

后面说到的"能垒"和势能曲面图,是否和化学动力学里面说的一个意思?就是说,不管两个坑谁高谁低,只要外围输入的能量能使他翻越中间的"山峰",高坑---低坑,或者低坑---高坑,都可以?

我以上对你的贴子的理解有问题吗?

海风不如写个化学方面的解释，
实际上我对化学方面如何解释的了解很少，甚至不知道你到底糊涂在哪里。
对，是否我说的有什么错误？

你是对的，这个我错了，热力学第二定律应该是对孤立体系，写帖子的时候没仔细想就写出来了，多谢。

我指的是化学平衡+热平衡。

可以考虑为物理体系的总量子态，或者全部分子运动状态总和，宏观上可以用状态函数来量度，就是你说的gibbs自由能。需要能量输入触发变化不假，但关键点在于小的能量输入带来大的变化，这个是熵变导致的。

是的。



最后于2006-04-27 13:16:18改,共3次;

妖僧不禁哼哼冷笑数声...任何能量形式无法形成稳定复杂结构?
给个定义先, 您所说的"能量形式"包括哪些? 不包括那些?

除了“灵魂”以外的任何已知能量
我怎么觉得有种要上当的感觉呢？开个玩笑。

如光能、热能、电能、机械能和化学能等。

最后于2006-04-27 17:10:02改,共2次;

佛能？

能

嗯,那由能量(如γ光子)产生的正负电子算不算您所说的能量?

我们只谈为主流科学界所认可的能量形态.

我想到你会跟我谈质能守恒了
幸亏我的帖子里有一句“...纯粹能量形式...”。。。

我不会一直外推到分子,只问你自由离子(可负载电磁能)算吗?

是“我们”不是“咱们“
要不您谈谈被主流佛学界所认可的科学能量形态？