【未来科学】人和机器有什么不同？耗散结构和渗透流机制

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精华笔记 

生命的出现可以说是大自然创造的奇迹。但是根据熵增原理，大自然有愈加混乱的趋势，那为什么会有生命这种秩序性极高的物质形式存在呢？

一、热力学第二定律

1. 构成人体的元素一点都不复杂，包括碳、氢、氧、氮以及各种金属元素和微量元素。其中氢和氧可以组成水，氮和氢可以组成氨基酸，而氨基酸是构成蛋白质的基本单元；

蛋白质中最常见的α-氨基酸

2. 但如果只是把这些元素简单的堆积在一起，是绝无可能自发的合成生命体的。因为生命是一种高度秩序性的存在，由于有热力学第二定律，在一个封闭系统中，根本不可能主动出现秩序；

3. 所以生命的诞生让很多科学家大惑不解，最后甚至转而相信神创论；

二、耗散结构

4. 耗散结构理论说的是：一个开放的、没有达到稳态的热力学系统，有可能通过与外界进行能量交换，从而在系统内部产生新秩序，减小熵值；

5. 一个平底锅，里面有一层水，锅底下加热，锅上方保持低温。当上下温差达到一定程度的时候，沸水表面会出现六边形的新秩序；

平底锅中产生新的秩序

6. 耗散结构的关键是远离平衡态，并且要保持外界的能量输入。地球本身就是一个耗散结构，有非稳态的气候变化，也有太阳的能量输入和热辐射的能量输出，所以在地球上产生秩序并不奇怪；

三、微观解释：渗透流

7. 耗散结构可以从宏观上解释为什么地球有生命，但是在微观上这种局部逆熵的过程是如何实现的呢？生命系统的特点看上去是可以进行自由能的转换，通过消耗自身内部的能量向外输出有用功，跟汽车靠燃烧汽油来获得动力差不多；

8. 但生命系统本质上消耗的不是能量，而是内部的秩序，是能量流过系统，使秩序增加，高秩序往低秩序变化，从而产生有用功。一个简单的渗透流实验可以解释生命系统的原理；

渗透流的实验装置

9. 随着糖分子的扩散，系统的熵增高，并且还有继续增高的趋势，左边的水就会通过薄膜渗透到右边，宏观上就表现为对外做功。这种渗透机制在细胞中大量存在，可以从微观上解释生命的秩序。