互动科普

现在，你正在读这篇文章，这也意味着你“活着”。所谓的“活着”到底意味着什么，又是指怎样的一种状态呢？怎样才能维持“活着”的状态？用什么物理定律能很好地阐释“活着”这一状态呢？我们将从薛定谔所关注的“熵”与生命的关系等物理学的视角，进一步探索“生命究竟是什么”。

与活着的时候相比，生物死亡后，体重和元素都不变

目前已知自然界中存在着90种元素。其中，只有一小部分是生物所必需的。例如，人体的98%是由氧、碳、氢、氮、钙、磷等6种元素组成的。

地球上所有生物的组成元素的比例都大致相同。也就是说，所有的生物都具有与非生物体不同的特有的元素成分。

那么，当一个生物体死亡后，它的组成元素与活着的时候有所不同吗？虽然生物死亡后，蛋白质会分解，元素的组合方式（化合物的种类）会发生变化，但是，组成生物体的元素本身不会变化。此外，生物死亡的瞬间，体重并没有变化，与活着时的体重相同。

生物的组成元素和体重在死亡前和死亡后相同，没有变化。也就是说，如果把生物分解到元素层面的话，就没有“生”与“死”的区别。因此，所谓的“活着”并不是指元素的使用量，而是指元素的“组合方法”和“使用方法”。

那么，生物在“活着”时，元素的组合方法和使用方法究竟又是怎样的呢？它们对生物有什么影响呢？

看上去好像生物违反了自然法则

乍一看，刚刚死亡的生物与活着时并无什么区别。但是，随着时间的推移，死亡后的生物就会发生变化，逐渐变得与活着时截然不同。

这是因为死亡后的生物再也不能从“外界摄取营养（新陈代谢）”。如果生物不能从外界摄取营养的话，就无法合成维持生命活动所需的能量，也不能生成新的自身物质。最终，死亡后的生物将无法保留自己的身体结构。随着时间的推移，一直维持至今的身体结构将失去原形，最终将消亡。

其实，世上万物都将随着时间的推移而逐渐崩塌解体，这在物理学上称为“熵增定律”。熵是指体系的混乱程度。例如，在沙滩上用沙子堆建的城堡（有序的结构）放任不管的话，过一段时间后，就会慢慢坍塌（变得无序）。在物理定律的作用下，随着时间的推移，就像沙堡的坍塌一样，死亡的生物原本有序的身体结构，也将逐渐失去原形。

另一方面，即使时光流逝，活着的生物体也会一直维持有序的身体结构和生命活动。如果用物理学的语言来描述的话，就是随着时间的推移，死亡生物的熵值有增大趋势，活着的生物的熵值则没有增大趋势（或者说有减小趋势）。

乍一看，好像活着的生物违反了自然法则（熵增定律）。这是怎么回事儿呢？为什么生物能做到这一点呢？

随着时间的推移，死亡生物与活着的生物的差异越来越明显

随着时间的推移（从左到右），物体的结构会崩塌解体。例如沙滩上用沙子堆建的城堡会逐渐坍塌（1）。死亡的生物也是一种物体，也会像沙堡那样，随着时间的推移而逐渐失去原形（2）。相反，即便时光流逝，活着的生物也能一直维持其结构（3）。

生物体内的“细胞生死循环”

为了维持身体结构，任何活着的生物体都必须不断地做一件事，这就是细胞的循环。每天，生物体内都有许多细胞诞生，同时又有许多细胞死亡，细胞的生生死死总是处于一种动态平衡。细胞的诞生和死亡是一种生理现象，是一个必然的过程，这个过程称为“新陈代谢”。

细胞通过分裂产生新细胞。但是，如果细胞只是一味地增多，该死亡的细胞没有死亡，就会破坏生物体内的平衡，导致健康问题。其实，癌细胞就是因为疯狂地恶性增长，才形成了癌症，损害了人体健康。

最重要的是，细胞的诞生和死亡要处于一种动态平衡。为了保持这种平衡，生物体具有让体内的部分细胞“主动地有序地”死亡的机制，这种机制称为“细胞凋亡”（apoptosis）。坦白地说，细胞凋亡就是细胞的一种主动性的“自觉自杀行为”。

细胞坏死（necrosis）则是另外一种死亡方式，是细胞的被动死亡。烧伤、缺氧或病原体造成的损害等均会导致细胞坏死。

总体来说，如果新诞生的细胞多，死亡的细胞少，则生物体就会生长发育。反之，如果死亡的细胞多，诞生的细胞少，生物体就会逐渐萎缩变小。人类在年幼时，身体会慢慢长大长高，而等年迈衰老后，身体就变矮变小，这就是细胞的诞生和死亡平衡所导致的结果。

伤口的修复就有效地利用了细胞的诞生和死亡机制。例如，当切破手指时，伤口部位的细胞分裂旺盛，以便能更快更好地修复伤口。这时，首先会产生许多新细胞，多余的细胞随后将会凋亡。

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）