基本概念（熵、环境）

熵（entropy）是热力学表示体系无序程度的物理量。系统越混乱、越无序，熵值就越大；越有规律、越有序熵值越小。按照热力学第二定律：在孤立热力学系统中，系统的熵不会自动减少。换句话说，在达到热平衡之前，孤立系统的无序程度会持续增加，是一个熵增的过程（图4.1）。从古人描述的破镜难圆，覆水难收，到我们在日常生活中观察到的墨水在清水中的分散、气味在周围环境中的四溢，无数自然现象验证了自发过程都是混乱度增高的不可逆过程，当混乱系统的熵增达到最大值时，系统状态不会再改变，达到热力学平衡。

图4.1　体系随着熵增从有序转为无序

尽管支持热力学第二定律熵增原理的例证不计其数，但生命体系似乎并不遵循熵增原理，而总是维持在低熵状态。生命系统中的各个细胞和组织器官，从诞生之时一直到死亡之前，总是处于井井有条的高度有序状态。生命体保持有序状态的根本原因是，它能够通过新陈代谢等活动，不断与外界进行物质能量的交换，不会很快达到类似热力学平衡的静止状态。只有死亡来临时，生命活动才会停止，成为一堆了无声息的无序物质。

热力学第二定律只适用于与外界没有任何物质能量交换的孤立系统或封闭系统，而生命是一个高度开放的体系。生命体终其一生都在时刻不停地与外界进行物质能量交换（新陈代谢），所以能够不遵守熵增原理，长期处于自身稳定的低熵有序状态。

奥地利物理学家、诺贝尔奖获得者薛定谔1944年在他的名著What is life 一书中指出，生命可对抗无序保持平衡［1］。换句话说，生命以负熵为食，即生命依靠从外部环境摄取负熵来维持和发展。因此，动物需要食用高度有序的低熵食物（有生命的东西）来维持生命。而植物则有所不同，它们的负熵来自阳光。生命从环境摄入高级形态的能量，利用其自由能维持和发展生命，作为交换，向环境排出低级形态的能量，本质上是从环境摄取负熵的能量转化器。生命之所以远离热力学平衡，是因为在维持生命的过程中，需要不断造成环境的熵增（趋向无序）和自身的熵减（趋向有序）。生命新陈代谢的实质，并非与环境交换物质和能量，而是通过不断从环境汲取负熵，来减少生命过程中的熵增，维系生命的低熵，避免死亡。简言之，生命通过与外环境的物质、能量和信息交换，从环境中获取负熵并以负熵为生。薛定谔有关生命本质的观点得到了耗散结构理论的支持。