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生命的躯体，时时刻刻都处在崩坏瓦解的过程中。
不过我们没有因此而死掉，因为我们也在不停地重建。
——胡霁
授课老师 | 胡霁上海科技大学生命科学学院研究员
生物的产生，从简单无序的非生命状态，进入到了复杂有序的生命状态。不过，任何孤立的系统都受热力学第二定律的约束，最终又会从有序走向无序。
那么，生命结构是如何抵抗熵增，维持秩序的呢?
我们先来考虑日常生活中修车的情况。比方说你的车受到一些损害，如果刹车坏了，往往就换一个新刹车;轮胎磨花了，就换一个新轮胎。这是一种添添补补，用新的元件替换掉旧的元件，从而维护秩序的方法。
而100年前，生物学家也是这么去思考生命如何维护秩序的。
他们猜测，生物里也有这么一套添添补补的方法。食物里的碳水化合物，就会补充我们身体里的碳水化合物;肉里面的蛋白质，会直接补充体内的生物大分子。这样的想法非常简单，就是“吃啥补啥”。
似乎，我们可以把低熵的物质拿过来，像零件一样直接补充到我们的身体里，去换掉那些已经熵增、坏掉的地方。靠着不断把熵增的零件换成低熵的零件，以新换旧，我们就能够降低自身的熵增，保持秩序。
物理学家薛定谔在《生命是什么》这本书里面就很直接地说：生命，以负熵为生。
吃哪补哪?
不存在的
那么，真是吃啥补啥吗?
到了1935年，科学家舍恩海默设计了一个实验，去验证这个猜想。
他对食物的蛋白质做了一个小小的修改，在里面替换了一个具有放射性的同位素氮。这个蛋白质就像是被荧光笔打上了标记，我们就能知道它们如果被小鼠吃掉后，会出现在小鼠的哪个器官里。
舍恩海默假设，如果小鼠身体里哪个地方坏掉了，需要补充蛋白质，那么放射性氮就会出现在那里。如果小鼠很健康，那么放射性氮应该都出现在小鼠的排泄物里，因为它们在小鼠体内没有什么用武之地。
但结果却出乎意料，不管这个小鼠是健康的(不需要蛋白质修复)，还是受伤(需要很多蛋白质来进行修复)，排泄物中的放射性氮总是非常少。
这就意味着，大部分放射性氮还留在小鼠体内。
当把小鼠做了解剖，仔细检查后发现，小鼠的全身都显示出一些放射性的氮。放射性的氮出现在其他类型的蛋白质里，甚至出现在含有氮元素的其他生物大分子里!
面对这样的结果，舍恩海默不得不提出一个颠覆性的假设：放射性的蛋白质应该是在小鼠的体内，被拆解到了几乎是原子的大小，然后又在全身各处被重新利用组装起来。而且这个过程，是持续自发地进行的。
因为有这种不断拆了重建的过程，所以小鼠吃下放射性的营养物质会被身体分解，然后分散到全身各处去进行重组。而小鼠的排泄物里，主要是那些从身体上替换下来的没有什么放射性的物质。
用主动破坏
对冲被动破坏
经过进一步的观察和测量，舍恩海默又发现，小鼠体内的物质，不管有没有受到损伤，每隔几个月，就会被食物中的原子全部重新换一遍!
后来在其他的动物，包括人身上，我们也发现了一模一样的物质的快速更替的现象，这被称为新陈代谢。
因此，舍恩海默的这个发现，实际上是在告诉我们，生命的躯体，时时刻刻都处在崩坏瓦解的过程中。不过我们并没有因此而死掉，这是因为我们的身体也在时时刻刻不停地重建。
如果从物质成份的角度来看，你现在看到的我，和三个月前的我，已经不是同一个人了。
所以，生命的这个代谢过程，实际上是一个主动去破坏，然后主动去重生的循环过程。
生物体主动地全面更新，用可控的、有计划的破坏和重构的循环，来对冲、消解环境施加的破坏，从而逃避热力学第二定律的威胁，对抗熵增，维持自己的这个结构或秩序，常在常新。
更深入的研究告诉我们，当我们还是小孩的时候，重建的速度大于崩坏的速度，我们就会发育长大。成年后，重建的速度和崩坏的速度差不多，我们就会保持相对的稳定。老了之后，重建的速度有点跟不上崩坏的速度，直到某一天失控而死亡。
发现了这个真相以后，舍恩海默在一次演讲里发出了这样的感慨：“生物只要活着，生物体高分子和低分子代谢物质都会不断变化，这与营养学的要求无关。生命就是代谢的持续性变化，而这种变化，正是生命的本源。”
要加速
也要控制
破坏秩序和重构秩序，在现实的生命活动中到底是一个什么样的过程呢?
如果我们还原到物理、化学的层面的原理上来讲的话，新陈代谢其实就是破坏以及重构化学键的过程，都是一种化学反应。
生物体内的化学反应，需要能量驱动。
但光有能量，还是远远不足。
任何一个化学反应都必然先要翻过能量的山峰——活化能势垒。
跨越势垒最直接的方法，就是可以用远远超过这个反应实际所需要的能量，一下子就翻过。或者，只能小步快跑地尝试，一点一点慢慢磨过去，而这往往需要等非常非常长的时间。
所以，化学的反应就面临这样一个两难的局面：要么就提高能量，比如提高温度，提高压力，尽快地翻越势垒实现反应;要么就在温和的环境下，耗费特别多的反应时间，一点点去翻越势垒，甚至可能永远都翻不过去。
无论是哪个方案，都显得有点缺陷。
我们生命体是如何解决活化能的问题的呢?实际上，生物体内的新陈代谢反应，不但不需要高温高压，而且反应的速度特别快。而这背后的原理是因为我们有一种非常重要的生物大分子机器，叫做酶。
酶为什么就可以加快反应的速度呢?因为酶能够很好地和反应物形成中间产物，而中间产物所需要的活化能通常要比从反应物到产物的活化能低一点。而从中间产物又变到产物和酶的过程，这里的活化能同样也不算特别高。
简单比方，我们要跨越一座高山，要么费时、要么费力，但是，我们可以开一个隧道，就可以轻松穿过。
实际上，酶和反应物形成的中间产物就像是一个隧道一样。这样的话，反应就可以以极快的速度去进行了。
但是，只降低了活化能，就可以实现我们的需求了吗?我们应该知道，飙车太快也会飞出车道，车毁人亡的。
一般的化学反应如果剧烈一点还关系不大，但是生物的化学反应，互相之间都挨得很近，有些反应还是相互关联的，牵一发动全身，凡事必须要考虑到他周边的环境。所以我们不能有一个随便飙车的反应，这样可能导致传递到整个生物体的破坏性效果。
所以，生物新陈代谢反应，有一个很重要的需求，就是稳态。
如何实稳态呢?来看一个例子。比如冬天来了，供暖要保持一定的温度，怎么做到呢?可以在室内放一个温度检测器，设定一个目标温度，一旦室温低于这个温度的时候，供暖的线路就开始工作;一旦高于这个温度的时候，供暖就停止。
这在控制论里就是一个最基本的反馈循环的形式，通过这种负反馈的循环，就可以实现稳态调节。
这样的负反馈调节在生物的体内是非常常见的，尤其是体现在对新陈代谢的调控上。实际上，酶就参与了这样的功能，保证了生命体里的反应不失控。
小结
在热力学第二定律的驱动下，物体总是从有序向无序发展。不单单是生命，对于任何的有秩序的组织而言，都不可避免地会遭到熵增的破坏。
但是，生命会不断地破坏和重构，以自身动态的新陈代谢来对抗外界的熵增。
我们需要有酶来跨越活化能的反应势垒，让反应能够快速地进行，而且是在温和的状况下进行。生命会用反馈的调控网络，来调控酶的过程，在整个生物内部实现稳态。
而这种高速的反应与环境的稳态并行不悖的状态，正是我们能够对抗熵增的关键要素。(完)
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