机械论

所有的生物都是从某种超自然的物质或是主体那里获得了生命力，这一古老的想法确实为生物与非生物之间令人惊异的差异提供了某种解释：生命之所以不同，是因为灵魂而非其他平凡的机械力量在驱使其行动。但这终归不是令人满意的解释，就好像说太阳、月亮和恒星的运动是因为有天使推着它们在动一样。事实上，这个问题还没有什么真正的解释，灵魂（和天使）的性质依然是个十足的谜题。

17世纪时，法国哲学家勒内·笛卡儿提出了一种全新的视角。他有感于当时用来取悦欧洲宫廷的机械钟表、玩具和自动人偶，受其机械原理的启发，革命性地宣称植物和动物的身体，包括人类在内，都不过是由传统材料制成的精密机械，由泵、齿轮、活塞和凸轮等机械装置提供动力，而这些机械装置的动力与支配非生命体运动的力量相同。笛卡儿将人类的心智排除在他的机械论之外，认为心智是一个不朽的灵魂。笛卡儿的哲学至少尝试着用支配非生命体的物理定律为解释生命提供了一种科学框架。

牛顿的力学体系让机械生物路径传统在近现代一直延续：物理学家威廉·哈维（William Harvey）发现，心脏不过是一个机械泵。一个世纪之后，法国化学家安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）证明，呼吸的天竺鼠消耗氧气，呼出二氧化碳，正如燃烧燃料为新发明的蒸汽引擎提供动力一样。拉瓦锡据此总结道：“因此，与煤的燃烧很类似，呼吸是一种非常缓慢的燃烧现象。”笛卡儿可能曾经也预言过，动物与燃煤驱动的火车头没有看起来那样不同。而后者很快让工业革命席卷了欧洲。

但是，驱动蒸汽火车的力量也能让生命运动吗？要回答这个问题，我们先要理解蒸汽火车是怎样翻山越岭的。

|分子台球桌|

研究热量与物质相互作用的科学被称为热力学。该学科的核心观点由19世纪奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）提出，他大胆地将组成物质的粒子看成了一大堆遵循牛顿力学定律的随机碰撞的台球。

试想用一根可移动的短杆将台球桌[12]的表面分成两侧。包括母球在内的所有球都在短杆的左手边，整组台球整齐地摆成三角形。现在，用母球用力击打球组，让台球向各个方向快速运动，互相撞击，在球桌库边及可移动短杆上反弹。想想短杆会发生什么：球都在左侧，因此它会受到来自左侧的多次撞击，而不会受到来自空空如也的右侧的撞击。即使所有的台球都是完全随机地运动，在所有随机运动的台球的推动下，短杆也会受到一个将其向右推动的平均力，使左侧的区域扩大，右侧的区域压缩。我们可以进一步想象，利用这个台球桌做一些功。比如，通过建造一个由杠杆和滑轮组成的奇巧的装置，用短杆向右的运动来推动一列玩具火车爬上一个山坡的模型。

玻尔兹曼意识到，从本质上讲，这正是热力引擎将真实火车头推上真实山坡的原理。别忘了，当时正处于蒸汽时代。蒸汽机汽缸里的水分子与被母球击散的台球表现得极为相似：炉内的热量使它们的随机运动加速，使分子互相撞击，推动活塞更为有力地向外驱动蒸汽机车的转轴、齿轮、链条和轮子，并由此产生定向的运动。在玻尔兹曼之后又过了一个多世纪，现在我们自己使用的汽油机车与蒸汽机车的工作原理依然完全相同，只不过是用汽油燃烧的产物取代蒸汽罢了。

作为一门科学，上文中的原理正是热力学的不凡之处。已造好的每一台热力引擎，其规则运动都是利用了数以兆计的分子与原子的随机运动所产生的平均运动。不仅如此，这门科学的应用极其普遍，不仅可以用在热力引擎上，还发生于几乎所有的标准化学反应中：煤炭燃烧、铁钉生锈、做饭、炼钢、盐在水中溶解、烧水或将火箭送上月球。所有这些化学过程都有热量交换，而且在分子层面上，都是基于随机运动，都遵循热力学原理。事实上，几乎所有能使世界发生变化的非生物过程（物理的和化学的）都遵循热力学原理，“混乱”拥有不可阻挡的力量。它不仅是热力学的基石，也操控着洋流、风暴、岩石风化、森林大火、金属腐蚀等现象。每一个复杂的过程在我们看来可能是结构严谨、秩序井然的，但究其核心，所有现象的驱动力都是分子的随机运动。

|生命是团乱麻吗|(www.daowen.com)

那么生命也是如此吗？让我们重新回到那张台球桌上，在游戏开始时重新把球摆成整齐的三角形。这次，我们还要增加大量多余的球（假设球桌非常大），并让这些球在摆成三角形的球组周围受到猛烈的撞击。我们也会利用由随机碰撞推动的短杆来做一些有用的功，只不过不是用它来驱动玩具火车爬上小山坡，而是设计一个更加巧妙的装置。这一次，由所有这些球碰撞所推动的机器将做一些特别的事情：它将在混乱中使原先那组球保持整齐的三角形阵列。每当三角形阵列中的一个球被一个随机移动的球撞离其原来的位置时，某种感应装置会探测到这一事件，并引导机械手臂从随机碰撞的其他球中选择一个相同的球，去取代三角阵列中缺失的球，来填补三角形中的一个空缺。

熵

entropy

在热力学中，“熵”用来描述一种缺乏秩序的状态，因此，高度有序的状态被描述为拥有较低的熵。

我们希望你已经注意到，这个系统正在用由分子随机碰撞产生的能量来使自身的一部分保持高度有序的状态。在热力学中，“熵”（entropy）用来描述一种缺乏秩序的状态，因此，高度有序的状态被描述为拥有较低的熵。因此，我们的台球桌也可以说是利用高熵（混乱的）碰撞的能量，来使自身的一部分，即中间摆成三角形阵列的球组，保持低熵（有序的）的状态。

现在，我们先不关心如何建造这样一种巧妙的装置，此处的重点是，这个由熵驱动的台球桌正在做一件有趣的事情：仅仅靠着混乱的台球运动，这个由台球、球桌、短杆、感应器和机械手臂组成的新系统就能够使它的一个子系统保持有序的状态。

让我们想象另一层面的复杂性：移动短杆的能量（我们可以将其称为该系统的自由能[13]）可以用来建造和维持感应器和机械手臂，甚至可以用来制作最开始用作系统原材料的台球。现在，整个系统可以自我维持，而且在理论上，只要能够持续地提供大量随机移动的台球，而且有足够的空间让短杆继续移动，该系统就可以无限地运作下去。

最后，除了能够保持自身运转外，这个拓展系统还能完成一项令人惊异的成就：它能使用自由能来探测、捕捉和摆放台球，并完成一份完整的自身拷贝：球桌、短杆、感应器、机械手臂，还有摆成三角形的台球组。这些拷贝又可以利用它们的台球及碰撞产生的自由能来制造更多这样能够自我运转的装置，然后“子子孙孙无穷匮也”……

好了，你可能已经猜到我们要说什么了。我们假想的这个DIY项目创造了一个由台球驱动的生命等价物。就像一只鸟、一条鱼或是一个人，这个想象出来的装置能够通过利用随机分子碰撞产生的自由能来维持并复制自己。虽然这是一项复杂而困难的任务，但通常认为，其驱动力与推动蒸汽火车上山的动力别无二致。在生命体中，从食物中获得的分子相当于台球，虽然过程比我们所举的这个简单例子要复杂得多，原理却相同：分子随机碰撞（及其化学反应）产生的自由能被用来维持生命体并复制生命体。

那么，难道生命科学不过是热力学的一个分支吗？当我们外出远足时，我们爬上山丘的过程与推动蒸汽机车头的过程是完全一样的吗？知更鸟的飞行与一发炮弹的飞行没有区别吗？若要追根问底，难道生命的火种仅仅是随机的分子运动吗？要回答这些问题，我们需要近距离观察生命体的精密结构。