原版约翰吉智俱乐部
介绍
人们一直相信达尔文的“自然选择”进化论原理。但一些物理学家认为，达尔文的进化论并不是唯一能够创造秩序的理论。对进化和生命本身的看法应该基于热力学以及这些物理定律对能量和物质流动的解释。因为，虽然生物属于一整类复杂有序的系统，但这些系统是基于热力学第二定律而存在的。
这篇发表于2007年的经典论文，系统阐述了热力学定律对自然选择和生命现象的解释。集知社热力学与进化组于2009年在读书会研究了这篇文章。2019年4月，集知社第谷读书会回顾了这部经典，并对这篇文章进行了在线解读和分析。视频位于文章末尾。 。
约翰 |作者
SB |翻译者
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林夏、邓一雪 |编辑
用热力学定律解释自然选择和生命本身
进化论和热力学似乎是相互矛盾的。最明显的是，热力学第二定律指出，随着时间的推移，任何系统都将趋于达到熵的最大值，这意味着秩序和可用能量的最低水平。例如，如果你在封闭的房间里打开一瓶香水，香气最终会扩散，生物体通常会试图避免这种平衡状态，这称为死亡。
反进化论者的一个常见论点是，宇宙趋于无序，这意味着自然选择不能使有机体变得更加复杂。当然，有些人认为生物体通过输出熵来维持内部秩序并建立复杂性，以一种形式吸收能量并以另一种更高水平的熵排出能量。辐射能量。欧文·施罗 (Erwin Schrö) 是最早思考这些问题的物理学家之一，他将食物描述为负熵，并认为“新陈代谢的关键在于有机体成功地将其生命从无益的熵的产生中解放出来的能力。 “[1]
查尔斯·罗伯特·达尔文，英国博物学家和生物学家
达尔文的进化论并不是唯一能够创造秩序的理论。
最近，有物理学家指出，虽然生物属于一类复杂有序的系统，但这些系统并不违反热力学第二定律，而是基于它而存在。他们认为，我们对进化和生命本身的看法也应该同样基于热力学，以及这些物理定律如何描述能量和物质的流动。达尔文进化论并不是唯一能够创造秩序的东西。在整个宇宙中，能量和物质的相互作用创造了规则的结构，无论是在恒星、晶体、流体漩涡还是天气系统中。生物体是迄今为止已知的最复杂、最有序的系统，那么它们可能是同一现象的一部分吗？生物之间的竞争带来的自然选择过程最终能否用热力学的语言来解释呢？
圣达菲研究所的理论物理学家埃里克·史密斯（Eric Smith）在去年发表的一篇论文中说：“达尔文的自然选择进化论并不是独特的过程，而是更基本的化学竞争排斥的复杂版本。”同事们认为，自然选择是一种称为“自组织”的物理过程的高度复杂版本，其中能量和物质结合起来产生秩序，但自组织仍然知之甚少。 。
埃里克·史密斯（Eric Smith），圣达菲研究所理论物理学家
这种有序的自组织系统就像专门为平衡能量梯度而设计的发动机——当自组织系统持续存在时，它们会比无序分子的混合物更快地产生更多的熵。例如，天气系统将热量从热带转移到两极的速度比均匀的静态大气要快得多。生活亦如此。事实上，史密斯认为，这可能就是生命起源的原因——在早期地球的条件下，生命是释放地热能积累的最好方式，也是地热能释放的必然结果。能源[3]。一旦这个生化过程能够继续进行，随后的化学和达尔文选择将有利于那些能够最好地消散地球上积累的能量的系统，无论是地热能还是光合作用出现后的能量。太阳能。
长期以来，人们一直认为自组织系统不仅比无序系统更快地平衡能量梯度，而且尽可能快地做到这一点。一些模型使用最大化熵产生原理（MEP）来很好地预测地球[4]、土星卫星土卫六[5]以及溶液中晶体的生长[6]的气候系统。但直到最近，MEP 还只是一个假设——没有任何机制或理论可以解释为什么系统倾向于这种方式。经典热力学对此无能为力，因为它只解释了封闭系统中的熵，而封闭系统中没有能量的输入或输出。经典热力学并没有说明像生物体这样的开放非平衡系统应该产生多少熵。
让系统越来越快地产生熵，即最大化熵产生原理
在物理学中，谈论自然选择就是问自然选择在所有可能的状态中选择哪一个。
杜瓦是一位在法国农业研究机构波尔多中心工作的理论物理学家和生态系统建模师，他相信自己已经克服了这一障碍。信息论是数学的一个分支，可以重新表述热力学定律。杜瓦运用信息论证明，对于由许多相互作用的要素组成的开放的、非平衡的系统，只要系统能够自由地“选择”其状态，并且不受外力的强大干扰，那么MEP就是最可能的行为模式[7]。不管系统的微观部分在做什么，MEP 的大规模状态描述了系统微观部分的无数可能排列中的最大比例。
生物学中的自然选择也可以以同样的方式进行，杜瓦认为：在物理学中，谈论自然选择就是问自然选择在所有可能的状态中属于哪种状态。这是一个概率问题。 “自然选择的状态比任何其他状态都可以通过更多的方式实现。尽管生物学家不这么认为，但我想假设生物学中的自然选择以同样的方式发挥作用，看看会发生什么。在哪里带我们去。”
为物理系统添加生命自然会增加熵的产生。一个充满浮游生物的池塘或一片草吸收了更多的太阳能，因此比无菌水池或裸露的岩石产生更多的熵。地球比火星或金星更有效地将阳光转化为微波辐射，使其更接近与宇宙背景辐射的平衡。自然演替（例如草原变成森林）等生态过程也会增加熵的产生。
在进化过程中，生物体往往更善于吸收能量——想想我们的物种，今天它消耗了大约 40% 的阳光能量，同时不断从化石燃料中释放能量，并将其转化为熵。但这些过程是否可以解释为欧洲议会趋势的一部分，而不是达尔文式的复制竞争？关键问题是生物体是否真正可以自由地到达 MEP 状态，或者自然选择是否确实是压倒这一过程的力量。
熵和生物多样性在数学上是等价的，使得热带森林成为地球上熵最大的环境。 |图片来源：约翰
“自然选择也许不是适者生存，而是制度最有可能的结果。” ——虽然这个观点看起来很奇怪，但这就是杜瓦的想法。最近，他和同事利用MEP理论[8]证明了ATP合成酶的结构和工作原理是可预测的，即作为细胞燃料的高效生成器与作为能量梯度的有效平衡器是同一回事。
总体而言，杜瓦想要证明，最大限度地捕获能量或将化学物质从一点转移到另一点的生物过程可以用统计力学来解释。统计力学是物理学的一个领域，它解释了如何从大量不可预测的元素中产生可预测的行为。 “统计理论会说，分子选择最大通量的状态，因为这是系统中分子最有可能排列自身的方式，也许它们选择这种状态只是因为它是最有可能的状态，”杜瓦说。与进化论的观点不同，这种方法允许人们对生物体如何发挥作用做出定量预测。 “达尔文的自然选择理论是一个非常难以量化的假设，而且它并没有真正给出一个数字，”杜瓦说。
如今，一些生物学家也开始使用 MEP。加州大学伯克利分校的生态学家约翰·哈特说：“杜瓦瓶的演示非常出色，对许多科学领域都具有潜在的巨大影响。”他补充说，生态学是可能受到影响的领域之一。对理解食物网、生物体内物质和能量的分布以及气候-生态系统相互作用的影响的一些初步探索令人鼓舞。”
什么是熵？
熵是一个强大但难以捉摸的概念。原因之一是物理学的几个不同分支已经能够独立地制定热力学第二定律。这意味着其他领域，例如计量经济学和生态学，也可以使用熵的概念，使得熵在不同的系统中可以采取不同的形式。
在热力学中，熵是对能量梯度（例如温差）的无用测量，可用于做功。但随着梯度逐渐减小，能量会转化为无用的热量，与周围环境保持平衡。在统计力学中，系统的熵是产生任何特定宏观状态的所有微观状态的可能排列数。最大熵是最可能、最无序的状态。例如，如果你扔 1000 个硬币，最可能的熵状态是 500 个正面和 500 个反面。这种形式的熵也被称为“可混合性”：一杯白咖啡的分子排列比一杯加了一层牛奶的黑咖啡要多得多。
在信息论中，熵是不确定性的度量。熵最大的系统是人们最不确定接下来会发生什么的系统。在非常有序的信息中，例如一串相同的字母，下一个字母是可预测的，并且这样的系统没有熵。一串随机字母非常杂乱，不携带任何信息，并且具有最大熵。这个熵公式是由数学家克劳德·香农（ ）提出的，他也以自己的名字命名了一个衡量生物多样性的指标——香农指数（index）。该指数表明个体在许多类别中分布的均匀程度。物种越多，个体数量越均等，生物多样性就越大；这在数学上相当于熵的度量。在最多样化的生态系统中，博物学家几乎不知道她接下来会发现什么物种。
动物运动模式是动物沿着地球表面移动的最有效方式
另一位试图利用热力学预测生物结构细节的物理学家是杜克大学工程师贝扬。 Bejan 没有考虑系统的微观元素，而是设计了一套所谓的“定律”[9]，这些定律描述了能量和物质在河流流域等物理网络和血管等生物网络中的行为方式。它如何流动。贝让的构造定律指出，流体系统要持续存在，就必须提供更容易随时间循环的通道，换句话说网校头条，它必须用更少的资源做更多的事情。事情。在此过程中，它最大限度地减少了燃料的使用，并最大限度地提高了每单位燃料燃烧产生的熵。
Bejan，杜克大学机械工程系教授
贝扬认为，进化是结构自我转变的过程，导致能量和物质尽可能快速有效地流动[10]。无论是动物互动还是河流纵横交错，更好的水流结构都会取代较差的结构。贝扬说，这是第二个时间箭头，呼应了热力学第二定律趋于混沌的趋势。他相信动物的运动模式，特别是动物的步长或翅膀拍动频率随着身体尺寸的变化而变化，将使动物尽可能轻松地穿过地球表面[11]。 “考虑到形式的自由，流动系统将自我优化，构建更容易的流动结构，”贝扬说。 “地球表面动物群的运动模式遵循与陆地上亚马逊河水流相同的原理。”
杜瓦并不这么认为。他认为构造法则处理的是现象，而不是原因。他说：“贝扬并没有解释为什么系统应该采取最佳行为，而是提出他们应该这样做，然后表明这是现实。目前还不清楚到底什么被最大化——这似乎是他能想到的任何东西。”贝让认为，杜瓦对系统最小元素的关注是不必要的：“不需要深入微观来解释宏观。”
动物运动的模式旨在使动物尽可能轻松地在表面上移动。
不仅物理学家对此提出异议，而且毫不奇怪的是，许多生物学家也抵制这些殖民他们学科的企图。已故的恩斯特·迈尔认为，繁殖、自然选择和遗传等过程在物理学中没有等价物，不能简化为物理定律。生物学应被视为一门独立、平等的科学[12]。尽管并非所有生物学圣人都这么认为：克里克写道，生物学的“最终目标”应该是用化学和物理学来解释自身[13]。
哈佛大学的数学生物学家劳埃德并不排斥物理学。他采用了一种基于统计力学的方法，将生物体视为气体中的分子，并引入了一个他称之为“进化熵”的量[14]。这在数学上相当于热力学熵物理学家讲人类进化，但它描述的是有机体繁殖的年龄跨度，而不是身体疾病。人们认为，在漫长的进化过程中，自然选择增加了这一数量，因为能够在较长时间内繁殖的生物体更善于应对有限的资源和不可预测的环境。
但在模型中，进化熵并没有最大化，也不会随着时间的推移而不可避免地增加。他说，热力学过程和自然选择之间存在根本区别，只有在分子水平上，生物选择和物理选择才是一体的。任何更复杂的生命系统都会受到不在纯粹物理系统中运作的力量的影响。说道：“在进化的过程中，也有类似物理定律的东西，但机制却完全不同。从分子到细胞再到高等生物，自然选择都会包括自我复制，而物理学中不存在自我复制的情况。这就是生物和非生物的区别。”
也许一百年后没有人会认为我们需要一种生物学理论和另一种物理学理论。
然而，对于那些对自组织系统和生命系统之间的相似性感到震惊的物理学家来说物理学家讲人类进化，即使这种区别也不像看起来那么明显。但澳大利亚国立大学的一位天文学家和天体生物学家表示，“生命与非生命之间存在连续体，两者之间的差异必须最小化”。
提出了一类系统，他称之为“远离”（远离平衡的耗散系统），包括所有在维持自身处于有序、非平衡状态的过程中耗散能量的系统，例如星系、飓风和动物以及他认为所有这些系统都可以被描述为生命实体，并且生命应该用热力学术语来定义。 “作为一名物理学家，我正在寻找基于物理学的生命定义，而生物学家对此太短视了。”
还有人认为，自我繁殖问题实际上转移了我们的注意力。他说，认为生命必须在内部储存生殖指令的想法是武断的。他指出，恒星的形成依赖于先前恒星的引力来释放元素并改变其环境。一切都取决于环境中的能量和材料；信息存储在哪里并不重要。 “将生命的定义转化为热力学就像达尔文说的，‘嘿，我们是一种不同类型的动物，’”他说。 “它消除了生命的奥秘。”
如果生命背后的过程被解释为熵产生最大化的趋势，那么星系和飓风可能被描述为生命系统。 (A) 飓风戴安娜从 3 级风暴增强为 4 级风暴时的三维云顶图像。 (B) 类太阳恒星的多彩消亡。 |图片来源：（A）和（NOAA）出版，NOAA 中央图书馆（ID：NOAA in Space）。 (B) NASA/ESA 和 K. Noll (STScI)；图片来源：团队 (STScI/AURA)]
一百年前，生物学中最激烈的争论之一是关于“生命论”——生物是否由与无生命物质相同的化学物质构成，它们是否由生物系统特有的“生命力”驱动，或者主体是否具有生命力。遵循与无生命物体相同的物理定律。一个世纪后，我们知道有生命的物体和无生命的物体是由相同的材料制成的，并且受到相同的力的作用。也许再过一百年，没有人会认为我们需要一套生物学理论和另一套物理理论来解释生命和物质系统。
“我们应该寻找共同的原则，如果这些原则存在，我们应该能够将生物学中的自然选择与物理学中的自然选择结合起来，”杜瓦说。 “动物的竞争和死亡归根结底是对能量和资源的竞争。”在约束下发生的分子过程。”
参考
[1]Schrö E (1992) 生命是什么？ （ ）： 按。 194 页 2。
[2] GA、Smith E、JW (2006) 关于 和 。 《进化生物学杂志》19：1785–1794。
[3] H, Smith E (2006) 流动与生命。圣达菲纸 06-08-029。
[4] GW (1975) 和 -a. QJ 罗伊社会 101：475–484。
[5] RD, JI, PG, McKay CP (2001) 泰坦、火星和地球：通过热量。 Res Lett 28：415–418。
[6]Hill A (1990) 为规则。 348：426–428。
[7]杜瓦 RC (2005) 和 . J Phys A 38：L371–L381。
[8]Dewar RC, D, P (2006) ATP 的值为 。化学物理快报 430：177–182。
[9]Bejan A (2000) 形状 和 ，从 到 。 （ ）： 按。 324 页 10。
[10]Bejan A (2005) 法则：树流和体大小。实验生物学杂志 208：1677–1686。
[11]Bejan A, JH (2006) 对于 、 和 的尺度。实验生物学杂志 209：238–248。
[12]Mayr E (1996) The of：其中的。 Q Rev Biol 71：97-106。
[13]克里克·F (1966) 的和人。 ：新闻界。 120 页 14。
[14] L (2000) 和。理论生物学杂志 206：1-16。
编译：集知社翻译组
