DNA 「違反」熱力學第二定律了嗎？

01-09

DNA抵抗熵增的目的是什麼？宇宙的終極趨勢為什麼在生命這裡產生了阻力？這個特徵是不是區分生命與非生命體的最本質區別？

並不違反。。

生命系統是一個開放系統，跟外界環境有著持續不斷的能量交換和熵交換，是系統處在遠離平衡態的自組織現象，依靠外界環境不斷地注入能量和負熵來維持近穩態。。

最後說句【人話】，因為每天都在吃東西所以才能活著。。

我們都是負熵的搬運工。。

補充一下，地球上的負熵的來源。。

我們都知道太陽是地球最重要的能量供給者，同時，太陽也是地球的負熵供應者。。

假定單位時間太陽向地球輸出熱量 $Delta Q$ ，由於地球同時還要向宇宙輻射等量的熱量， $T_{日}=6000K$ ， $T_{地}=300K$ ，那麼最終地球將進賬的熵為

$Delta S=frac{Delta Q}{T_{日}}-frac{Delta Q}{T_{地}}<0$

1，生命體和其中的DNA都不是孤立系統。故需要考慮對外的熵流。

2，用熵來度量結構的有序程度是非常糟糕的想法。通常，結構的複雜觀感和熵的高低之間沒有必然關係。

不過，複雜性科學中確實存在能成功度量結構有序程度的概念：統計複雜度（[nlin/0409024] Quantifying Self-Organization with Optimal Predictors），NATURE PHYSICS上也有一篇James P. Crutchfield的綜述，名字好像是Between order and chaos

我不知道做bioinformatics的人有沒有具體算過DNA的統計複雜度，不過最近有人算過天體的（[1611.09348v1] On the complexity and the information content of cosmic structures）

3，普利高津已過時。

用Philip W. Anderson（順帶一提，普利高津獲諾貝爾化學獎的同年，他獲得了諾貝爾物理學獎）的話來說：耗散結構理論？不存在的。

Is there a theory of dissipative structures comparable to that of equilibrium structures, explaining the existence of new, stable properties and entities in such systems?" Contrary to statements in a number of books and articles in this field, we believe that there is no such theory,and it even may be that there are no such structures as they are implied to exist by Prigogine, Haken, and their collaborators... Prigogine and his school have made a series of attempts to build an analogy between these dissipative far-from-equilibrium systems which form patterns and the Landau free energy and its dependence on the order parameter, which leads to the important properties of equilibrium broken symmetry systems. The attempt is to generalize the principle of maximum entropy production, which holds near equilibrium in steady-state dissipative systems, and to find some kind of dissipation function whose extremum determines the state. As far as we can see, in the few cases in which this idea can be given concrete meaning, it is simply incorrect. In any case, it is clearly out of context in relation to the observed chaotic behvaior of real dissipative systems.

又不是不吃不喝.....

你合成DNA不消耗能量嗎？

請參見普利高津的耗散系統理論

你的問題在於讀書太少而想得太多。

建議題主百度搜索熱力學第二定律。

DNA只是類分子，它沒有目的

熱力學第二定律有很多種表現方式，最直白的一種就是「對於一個孤立系統，混亂度不會減小」，簡稱『熵永遠增加』。

今年保研面試的時候，讓老師們面試的時候對我看好的學生溫柔一點，保他過...

結果面試完就發生慘案了...

學生哭訴：面試老師太變態了，第一題就太難了，我徹底就慌了，估計過不了了...

我：啥題目啊，難?

學生：面試的老師問，植物在生長過程中，對植物而言熵是變大了還是變小了

我：這是送分題啊，這就是考熱力學第二定律換一個表達方式啊，一句熵永遠增加懟回去不就好了...

旁白君：喂喂，總體是增加了，環境是增加更多的，對植物而言變的更有序了，熵是減小的啊喂...

我：...忽略這些細節，回答問題正確與否，重要麼？重要的是你的霸氣，你的自信！你這麼萎，別人肯定不會選你了；牛逼的人，就算是錯的，也能把評委都說懵！

咳咳，回到這個問題，DNA是有序的，那是你把別的弄的更無序造成的，作為總體來說，熵永遠增加~

目錄&>&> 賤賤『分類』合集

專欄&>&>『研』『組』『文』

所以你知道自己為什麼要吃飯了吧？

宇宙里之所以演化出生命尤其是智慧生命，恰恰是宇宙為了加速熵增的速度而採取的策略。

生命體本身就是一個低熵體，為了維持生命體的運行，就需要額外消耗更多外界的負熵流。所以，宇宙里生命體數量越大，那麼這個宇宙里僅存的負熵流也會被消耗的越快。越是高等智慧生命，其文明發展程度越高，需要引入的負熵流也就越多。

打個不恰當的比方：如果宇宙里沒有生命出現，那麼宇宙里熵值增加到最大需要N億年，現在因為有生命這個幫手，導致只需要（N/10）億年，熵值就被折騰到最大了。

熵值總有自發加速增加的趨勢，這是宇宙里一切生命產生的動力與基礎。

部分的熵抵抗不會影響整體的熵增。

就像一片大海之中，每一滴水都會收到重力的影響向下流動，但是在液體流動的過程中總會遭到碰撞向上濺起。

如果不存在部分地區的熵抵抗那麼絕對的熵增現象就是無意義的。

有機物的出現也是無機物的複雜組合表現，本質上無機物和有機物並沒有根本性的差異，只是因為有機物的彈性更大，組合方式更多。

嗯，先問是不是，再問為什麼。

首先DNA是一種物質，糖，脂肪，蛋白質，都是一種物質，一種物質放在那，當然不違反熱力學第二定律。題主想問的應該是DNA發揮作用的過程，或者是生命體的各種物質相互協調保證生命活動的運轉，並能保持有序性。

先看一下熱力學第二定律，兩個經典描述：

開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變為有用功而不引起其它變化。

克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化。

重點是：不引起其他變化。

我們每天消耗掉的食物就屬於引起的其他變化。

強答一波，簡單說一句:

題主沒有理解熱二定律吧，熱二定律必須是孤立的系統，你的DNA怎麼孤立啊，他只能在細胞的大環境里啊

因為，熵增應該有一個約束的量，不能無限大吧。有些地方增的太多了，有些地方就少一點甚至負一點。

就像水流，越急的地方約容易出現漩渦，水不能往前通過就會往上甚至往後。

我建議題主可以看看薛定諤的著作---《生命是什麼》。

薛定諤通過物理學角度解釋了生命體的秘密。

其中提到了生命體負熵的問題。

希望題主可以找到自己想要的東西！

因為生命不是封閉系統

DNA的產生是外界負熵流輸入的結果，並沒有DNA「主動的」抵抗熵增的說法，所以也不存在目的之說，區分生命與非生命在於是否有負熵流，是否形成耗散結構。舉個例子，地球有太陽輻射的能量才能維持生態系統的活動，其中我們只考慮地球熵減，不考慮太陽熵增；而熱二定律考察的對象是整體，太陽給地球輻射能量，雖然地球熵減，但太陽熵增，並且太陽加地球整體來看是熵增的。熱二定律考察的對象是整體，一個整體，沒有外部能量和物質的輸入，就非常適合用熱二定律來考察，但是一個整體內部，局部是有負熵的情況出現的，有外部能量和物質的輸入，就形成了耗散結構，下面是個解釋生命進化典型的例子。

從生物進化現象，看進化論本質——上帝的造物之手(熱二定律與耗散結構)

作者：遠方的田野

鏈接：知乎專欄

來源：知乎

著作權歸作者所有。商業轉載請聯繫作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。

大家都應該看到過雪花的照片，是非常規則、非常美麗的幾何圖形，一個沒有生命的雪花，為什麼會長成如此美麗的六角形呢？冰箱里雪糕的表面為什麼不是六角形呢？是雪花活過來了？還是上帝之手變的魔術？

我們先來看一些例子，沒有生命的事物，是怎麼在上帝之手活過來的。腌制好的松花蛋，蛋白中會生成漂亮的松花；激光發出的光線都是朝同一個方向；打開燈，燈的每條光線雜亂無章毫無規則的發射，因此充滿整個房間，而激光卻不一樣，所有的光線都集中朝著同一個方向發射，彷彿上帝之手把光線抓在一起，同樣是通電，為什麼有的光線雜亂無章，有的齊心協力呢？跟雪花的例子很相似，是上帝之手，還是光線活過來了？生命的基礎是有機物，有機物是由碳氫氧組成，為什麼有的碳氫氧變成石油、天然氣，有的變成細胞和生命呢？是上帝之手嗎？還是有一部分碳氫氧活過來了？同樣的靈長動物祖先，為什麼有的進化出了直立行走發展了語言，有的還在樹上靠吼叫？有的進化成了人類？有的還是猴子？是上帝的指引？還是還是猴子突然開竅，變得的會說話？

以達爾文為的《物種起源》為代表的進化論觀念指出，高級生命是由低級進化而來的，並且低級會有一種自發的向高級進化的趨勢，這種趨勢似乎是上帝的安排。不可思議的是,在非生命的領域，同樣存在結構和功能從低級到高級的現象，經濟由自然經濟到商品經濟，社會由原始社會到奴隸社會到封建社會到資本主義社會，水蒸汽自動凝結成六角形的雪花，激光自動把光線朝一個方向發射。

然而，現實中也有大量與進化觀念相反的事實和觀念存在，例如熱二定律。熱二定律：孤立系統總是自發的向混亂度（熵）增加的方向進行。這裡的自發就是自動發生的意思，例如鹽溶進水裡自動變成濃度均勻的鹽水，一杯熱水加入一杯冷水，熱水自動向冷水傳遞熱量，變得溫度均衡。在我們看來，鹽和水加一起變成鹽水，熱水加冷水變成溫水是天經地義的事情，但是科學家卻給出了如此變化的理由，同時也指出了自動變化的方向或說是趨勢，解釋了鹽水為什麼不會自動變成水和鹽，溫水為什麼不會自動變成熱水加冷水，原因就在於混亂度。舉個例子來說明熱二定律，把鹽放進水裡，鹽會自動的溶解在水中變成鹽水，混亂度增加，我們看看上面熱二定律是怎麼說的，孤立系統總是自發的向混亂度增加的方向進行，鹽水的混亂度比鹽加水的混亂度高，所以這個過程會自動的進行。反過來，鹽水裡的鹽和水，就不能自動的分開。但是我們知道，現實生活中鹽和水是能夠分開的，比如說從海水裡曬鹽，怎麼回事呢？我們再來看看熱二定律是怎麼說的，孤！立！系！統！總是自發的向混亂度增加的方向進行，孤立系統又是個什麼意思呢，說的就是我們考察的對象只有鹽、水和鹽水，不存在其他的條件，不給水加熱，不給水曬太陽，沒有其他任何額外的東西。而海水曬鹽的例子中，考察的對象變成了鹽水、鹽、水、太陽。

一杯熱水和一杯冰水混合會變成一杯溫水，不需要任何條件自動進行，但是想要把一杯溫水分成半杯熱水和半杯冰水就需要外界提供條件。如果把熱二定律推廣到整個宇宙，宇宙的總能量保持不變，宇宙的熵將趨於極大值，一切機械的、物理的、化學的、生命的等多種多樣的運動逐漸全部轉化為熱運動，最終達到處處溫度相等的熱平衡狀態，整個世界隨著時間的進程而走向死亡，這就是宇宙的熱寂論。宇宙的最終結局都是死亡，地球也不能倖免。熱二定律是一條讓人絕望的自然定律。

然而自然界的許多現象又是與熱二定律相違背的，以達爾文的進化論為基礎的進化觀念體系指出，生命和社會進化的結果是種類不斷分化、演變而增多，結構不斷複雜而有序，功能不斷進化而強化，整個自然界和人類社會都是向著更為高級、更為有序的組織結構發展。進化論是在總結大量事實的基礎上提出來的，並且在非生命的領域，生物、心理、經濟、社會等方面同樣存在「進化」的現象，生物由從單細胞到多細胞，經濟由自然經濟到商品經濟，社會由原始社會到奴隸社會到封建社會到資本主義社會。物理學與生物學、社會學在發展觀上是根本對立的嗎？如果自然的規律是死亡和毀滅，如何解釋生命的起源和物種的進化？如何解釋生命和人類社會由低級向高級進化的事實呢？難道生命系統與非生命系統之間真的有著完全不同的運動規律嗎？

20世紀70年代，普利高津的耗散結構論給我們帶來了希望。耗散結構很好的解釋了物種的突變和進化、生物和人類社會自發的由低級向高級進化的原因。在解釋耗散結構之前要了解一個概念——自組織現象。自然界中自組織現象是大量存在的，典型實例如：由高空水汽凝結會形成非常有規則的六角形雪花，彷彿有上帝之手在控制，松花蛋中出現的漂亮的"松花"，激光器中的自激振蕩，貝納德流體的對流花紋，貝洛索夫－扎鮑廷斯基化學振蕩花紋與化學波等。

舉個例子，普通光源，比如電燈泡發出來的光子各不同，而且會四面八方發射，當外界向激光器輸入的功率小某個臨界值時，激光器就像普通燈泡一樣。當輸入功率大於臨界值時，就產生了一種全新地現象，各原子不再獨立地互不相關地發射光波了，它們集體一致地行動，激光器發射出單色形，方向性和相干性極好的受激光發射光，光線全部都朝一個方向射出，光束的發散度極小，接近平行，好像光子們「約定」好了，一起朝某個方向發射。激光的例子非常具有代表性，激光器通電發光（朝四面八方），這個現象是自發的，只要通電就能發光，就如同只要把鹽丟進水裡就能溶解一樣，但是如果激光通入大於臨界功率的電壓，光線就能自動的變成同一個顏色、朝同一個方向發射。

再舉個例子，B-Z 反應是體現時空有序的自組織現象，由蘇聯化學家別洛索夫(Belousov)和扎包廷斯基(Zhabotinsky)發現的，蘇聯化學家Belousov用硫酸鈰鹽（Ce3+和Ce4+）的溶液為催化劑，以溴酸鉀氧化檸檬酸。當把反應物和生成物的濃度控制在遠離平衡態的濃度時發現，溶液中四價鈰離子的黃色時而出現，時而消失。在兩種狀態之間振蕩，時間也極準確，周期為30秒，呈現出具有一定節奏的「化學鍾」現象。如果能夠不斷加入反應物和排出生成物，則「化學鍾」可長期保持。後來扎包廷斯基又發現在某些條件下容器中不同部位各種成分濃度不均勻，呈現出許多漂亮的花紋，並且在某些條件下花紋會成同心圓向外擴散或成螺旋狀向外擴散，像波一樣在介質中傳播。

如果專業的術語看不懂，這裡可以用一個通俗的例子解釋。想像一下三個工人要把磚從一樓搬到二樓，工人A站在地上往上遞磚，工人C在二樓窗戶接磚，工人A沒辦法直接把磚遞給工人C，於是想了一個辦法，由工人B站在桌子上，把工人A遞給他的磚轉交給工人C,假設從樓頂上特殊的角度看，工人B彎腰取磚的時候看到黃色，而直立起來遞磚給C的時候看不到顏色，那麼只要工人A不停的遞磚給B，而C不停的把B給的磚拿走，那就會出現上面例子中黃色時而出現，時而消失的現象，那麼就能夠很簡單的理解上面的例子。這種現象的周期出現似乎是經過「自動組織起來的」「準確計時」的，科學家管這種「自動組織起來的」現象叫自組織現象，管「準確計時」叫「有序」，時間上的有序，管「光子約定好了方向」的現象叫空間上的有序。但是為什麼沒有生命的物質也會出現的極其有規律的、違反常識的現象呢？

普利高津給出了答案——因為這個實驗給出的條件形成了耗散結構，一旦形成耗散結構，沒有意識的物質也像有意識一般，「約定好」、「準確計時」、「自動組織起來」。耗散結構論可概括為：一個遠離平衡態的非線性的開放系統（不管是物理的、化學的、生物的乃至社會的、經濟的系統）通過不斷地與外界交換物質和能量，在系統內部某個參量的變化達到一定的閾值時，通過漲落，系統可能發生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態轉變為一種在時間上、空間上或功能上的有序狀態。這種在遠離平衡的非線性區形成的新的穩定的宏觀有序結構，由於需要不斷與外界交換物質或能量才能維持，因此稱之為「耗散結構」。

耗散結構有4個必要條件，1）開放體系（區別於孤立體系），系統和環境有物質、能量、信息的交換。就是說要不斷有磚提供給工人A（耗），也必須不斷把傳遞給工人C的磚拿走（散）；2）遠離平衡態（區別於平衡態和近平衡態），體系具有足夠的反應推動力，推進無序轉化為有序，形成耗散結構。就是說工人A或B或C的老婆生病住院非常缺錢，他們非常想快點賺錢，因此他們快速的幹活；3）非線性作用（區別線性作用）。就是說由於工人ABC知道自己的錢越來越多，所以他們的幹勁越來越大，活越干越快，類似於滾雪球；4）漲落作用。體系中局部區域的某個變數或行為與體系整體平均值出現偏離。就是說工人A或B或C中有一個人比其他人更缺錢，因此他幹得更賣力，不停的催其他人。滿足這四個條件，沒有生命的物質也會「自動組織起來」。

根據耗散結構理論，德國生物學家愛肯提出了超循環論，其中心思想是在生命起源和發展中，從化學階段到生物進化之間有一個分子的自組織過程。這個進化階段的結果是形成了人們今日所見的具有統一遺傳密碼的細胞結構。愛肯認為，「進化原理可理解為分子水平上的自組織」，以最終「從物質的已知性質來導出達爾文的原理」。這為生物的進化提供了初步的解釋。耗散結構理論不僅在物理學方面成立，在化學、生物、心理、經濟和社會發展等方面都成立。耗散結構理論對當代高科技的代表如混沌理論、量子論、相對論產生了巨大影響，極大的豐富了並影響了「老三論」，直接導致了「新三論」的產生。著名未來學家阿爾文·托夫勒在評價普利高津的耗散結構思想時，認為它可能代表了一次科學革命。

回到標題中生物進化的這一命題，從上面的自組織現象看來，只要滿足形成了耗散結構的條件，無生命的元素完全能夠自動的組成有機物，小分子有機物也能夠組成具有遺傳特性的DNA，以至於形成人類這種高等生物，生物的變化從現象來看是在不斷進化，而本質上不是生物自己在進化，而是環境的力量在推動！

最後，請原諒筆者的不嚴謹，生物演化(這裡不說是進化，因為進化是片面的)這一命題，不是進化論能夠全面概括的，這裡僅僅是拿生物演化方向的例子來說明萬事萬物能夠自動變化的原因——符合耗散結構這一論點。然而最新的越來越多的研究表明，生物演化，除開漸變進化以外，還有突變，澄江生物群就是一個非常典型的例子，詳細理論請百度「突變論」，澄江生物群不僅對進化論提出了挑戰，並且為從量變到質變提供了中間橋樑，即量變必須達到非線性狀態才能實現質變。

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作者：遠方的田野

鏈接：知乎專欄https://zhuanlan.zhihu.com/p/24705827

來源：知乎

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因為不是孤立系統呀

一個的角標是iso，另一個的角標是sys→_→

薛定諤早就總結過了，一句話：生命賴負熵為生。