第五节“多”是耗散结构赖以生存的能量源
经验告诉我们,一方面,物质无论是内部还是外部,一旦失去了平衡就将产生运动或变化;另一方面,物质的运动和变化需要消耗一定的能量,或者说需要有一定的物质来转换。人类要真正揭开物质的生命奥秘也许还有很长一段路要走,但生命的基本特征——消耗能量,保持某种结构(关系)的稳定性——却是与普利高津教授及其团队所揭示出的耗散结构有着相同的特征。
试想一下,作为生物体,一棵树需要不断消耗由泥土中吸收来的水分、微量元素以及由枝叶获取的阳光,并通过枝叶成长、脱落、表面湿度挥发、枝干随风摇曳等将某些能量散发到周围环境中去。在这一过程中,除了整体上越长越大外,地表、树根、树干、树枝、树叶等之间的关系并没有发生太大的变化;更确切地说,它们之间结构(关系)的变化远小于能量消耗的变化。又比如,一个人不断进食、吸气、皮表吸收阳光等取得能量,并通过排泄、呼气、运动、思维、体温等等消耗并散发部分能量到周围的环境中去。在人之能量交换的生命过程中,外部的四肢、躯干、头颈和内部的五脏六腑,甚至皮表的胎记、眉毛的走向等等,所有人体的部件之间,都保持着相对稳定的结构(关系)。足见,生命现象与耗散结构之间确有相似性。
然而,耗散结构(或者说是生命现象)的存在前提,是必须有足够的能源供其消耗。那么,什么是能源呢?人呼吸的氧气并不是一个特殊的单一体,而是很多相同的氧分子!我们不难想像,如果这个世界上只有一个或几个氧分子,人类是根本不可能活下去的,甚至连一秒种都坚持不到。因此,当同样的氧分子多到足以构成人的生存环境时,它们便具有了能源的性质。从这个意义上来说,能源的一个很重要特征就是“多”。例如,柴油机要保持运转,就必须有很多的柴油不断地供其消耗;风力发电机要持续发电,就必须有许多流动的分子(气流)不断从风叶间通过……
如果我们再深入地思考一下就应该意识到:并不是因为某种事物需要消耗另一种物质,从而使另一种物质具有了能源的性质;而是因为另一种物质自身的发展不断增多,从而使某种物质的产生成为可能,甚至是成为必然。
试想,如果这个地球上没有水,又怎么可能产生以水为必需的生物呢?
不过,虽然同样结构的物质多了之后便有可能在其基础上诞生新的物质,但能构成为能源之“多”的标准又是怎样的呢?我们很清楚,不是什么物质都能充斥宇宙,成为其他物质生存的必然能源的。比如动物机体所需要的血液就不可能像海水或者河水那样多。那么,现实中有限的“多”又是怎样成为耗散结构随时可取的能量源呢?我们还是来考察一下客观世界是怎样的吧。
就地球而言,其自身的引力作用,使原子和分子紧密地围绕在它的周围。从而形成了一个大气层。正是这个大气层,凝聚了足以供地球生命生存的氧气或二氧化碳气体,从而在地球这一局部空间里(相对于宇宙),有了绝对多的氧气和二氧化碳,以致其中的生物可以将之作为自己生存的能源。又如,就细胞内的细胞核而言,由于细胞壁将有限的细胞质留在了自己的内部,从而使其中的细胞核能够赖以生存。
由此,我们可以看到,能够作为能源的“多”,其实只要在一个局部范围内实现了就足矣,而并非是多到充斥整个宇宙。至于怎样实现局部绝对的多,方式是多种多样的。可以这么说,任何能够使物质得到聚集的方式,都是造成某种局部绝对多的原因。
正是由于局部绝对“多”这样的能量供给形式的存在,使得耗散结构这样的生命体变得越来越复杂。就我们现在所了解的耗散结构来看,其机能要比我们所认识的生命现象简单得多。我们姑且不谈某种细胞内各器官的生存方式,即便是从很宏观的人体来说,也有呼吸系统、消化系统、血液系统、神经系统、内分泌系统、骨骼组织、肌肉组织、皮肤组织等等诸多联合体。其中任何一个联合体,都可以视作一个耗散结构。比如,神经系统需要从血液、内分泌物那里获取能量、维持生存形态,并通过传导刺激信息散发能量;而血液循环系统要从呼吸、消化系统那里获取能量,甚至需要神经系统帮助调节,经心脏脉搏跳动,体温流失、血液输出等散发能量……
又比如,一个真核细胞除有表面的细胞膜外,其内部还有细胞质和细胞核。细胞质又包括内质网、高尔基器、线粒体、溶酶体、核糖体、微管和微丝等等;细胞核则包括核膜、核仁、核质和染色质等等。据生物学家说,生物体内的许多细胞差不多七天就要更新一遍。而在细胞存活的七天里,每个细胞内部的器官也同样是要消耗来自外界或内部环境提供的能量,以维持它们短暂的生命,实现自身特有的功能。单就细胞膜而言,细胞质给它提供了生存的能量环境,而它不仅分泌某种物质供其他器官生存,还具有交换细胞内外能量、阻止有害物质进入细胞、传递刺激信息、保证酶反应以及细胞间粘联等特定功能,从而成为细胞中其他器官获取能量保持生命的必要环境。
由此,我们可以看出,生物的基本生存现象也许是一种耗散结构,但生物的实际形态,可能是许多种耗散结构互为能量供给环境和能量消耗系统所形成的耗散结构联合体系。这种现象在宏观世界的生物连中具有相同的状况。
我们常见的小池塘里,通常有水、植物、鱼虾及各种微生物共存。其中水草类植物是以阳光、氧、氮、二氧化碳和水等作为自己能量获取的环境,并将通过吸收、成长、繁殖,使它们变成了淀粉、糖等碳水化合物,即有机类植物。那些小的浮游生物以植物、水、阳光等为能量获取的环境,并把它们演化成了浮游动物种群。鱼、虾之类则以浮游生物、阳光、水等为能量环境,并逐渐将它们演化成了鱼虾的种群。当鱼、虾等动物因种种缘故死亡后,微生物则将它们的尸体分解还原成有机物乃至无机物,从而成为植物的养料。
可见,不同种类的生物(或者说是耗散结构)都是以其他生物或物质为自己能量补给环境的。当某一物质种群化以后,便具有了源源不断供给另一种物质形态实现生存的可能。更确切地说:由于某种物质的个体不断增多,从而创造出了以消耗该物质为基础的新物种。同样,由于某些物质种群的不断壮大,于是造就了将这些物质种群作为能量源之新物种的产生。反之,如果某些物质种群因某种原因消失了,那么,毫无疑问,以这些物质种群为能量源的其他物种也必定会随之而灭绝。
当然,真实的情景绝对比上面我们所描述的要复杂得多。通常情况下,高级生物的能量源既包括了低级生物本身,也包括了低级生物的能量源。比如,鱼虾不仅食浮游生物,也需要浮游生物所需要的水、阳光乃至植物等等。又如,能够将动植物还原成简单有机物乃至无机物的并非只有微生物,一些动物也有这样的功能,如白蚁、蚯蚓等。这也说明,通常生物学界喜欢把生物互为能量的现象称为“生物链”,而这是不确切的。大多数生物都不是仅以一种生物为能量源,而是以几种、几十种甚至包括某些非生物为能量供给源。即如下图所展现给我们的状况,其中每一个圆都代表一个种群。箭头则代表能量吸收和消耗的方向。
可见,生物界互为能量供给环境的关系,不可能是线性的“链”关系,而是多项耗散结构有序互动的立体联合体。从这个意义上来讲,无论是一元性的哲学体系还是二元性的哲学体系,都不能对生命现象做较贴切的本质揭示,于是,与科学有关的系统论开始左右人们的思维方式。事实上,生物之间,生物与非生物之间的运作形态,更接近于中国古代的五行学说,各种生物之间是相生相克、错综复杂的中介关系。