第一編
系統：從細胞到生物圈

引言　生命是一個高度有序的系統

每個人頭腦中都會有一個關于生命體的概念，生命體有很多共同特征，如繁殖和適應，但在這一編中，主要強調生命是一個高度有序的系統，區別于周圍的環境。

什么是系統呢？系統由相對獨立又彼此聯系的元素構成。元素按照特定結構形成的系統是高度有序的。這種系統能夠完成的功能大于所有元素獨立功能的總和。打個比方，復仇者聯盟是一個系統，雖然每個超級英雄都很厲害，但是他們簡單組合的力量無法戰勝滅霸，但是通過團隊協作，每一位成員發揮自己的特長，相互配合，最終形成的聯盟總能完成無法想象的任務。為什么元素有序組合與混亂排布形成的集合有這么大的區別呢？下面以汽車為例說明這個問題。汽車可以被看成一個高度有序的系統，如果把汽車拆解開，可以得到一萬多個零件。這一萬多個零件所組成的集合與一輛汽車在物質上是完全相同的，但是所有零件在離開它本來的結構后都失去了原有的功能：發動機的氣缸失去封閉結構就無法產生動力，變速箱的一個齒輪也無法完成動力的傳送，火花塞沒有電源無法點火，方向盤不與輪胎連接就不能控制方向……在這個例子中，我們看到系統的結構保證每個元素之間相互關聯，關聯后每個元素的簡單功能就能相互配合。

生命體就像汽車一樣，是一個高度有序的系統，只是要比汽車復雜得多，組成一個細胞的分子就要以億來計算，更不要說一個個體。細胞是一個系統，拆開這個系統比拆開一輛汽車容易，如把一個橙子放進榨汁機，啟動榨汁程序，一會兒就可以把橙子分成橙汁和一些殘渣兩部分，這些物質加起來與組成橙子細胞的物質沒有差異，但是細胞結構被破壞后，原來細胞的功能就無法完成，其中的原因與汽車零件無法在公路上行駛一樣。個體是一個系統，以人為例，人體中不同器官具有特定的功能，這些器官只有相互配合才能維持人體正常的生命活動。比如呼吸，人體細胞進行呼吸作用，細胞內的葡萄糖被氧化分解，在宏觀上表現為細胞吸收O₂釋放CO₂，細胞需要的O₂來自于血液中的紅細胞，血液在流經肺泡時會與肺泡中的空氣進行氣體交換，完成肺泡中空氣的換氣過程還需要肋間肌幫助胸廓運動，肋間肌的非自主運動又受到延髓呼吸中樞的控制，血液中CO₂的濃度可以通過延髓呼吸中樞調整胸廓運動的強度……十幾個組織的精密配合完成的還只是我們幾乎意識不到的“小事”。一個區域所有的生命體也可以看作一個系統，其中的每種生命體就是組成系統的元素。與細胞和個體系統相比，這個系統的元素特別容易分離，而且似乎分離后并不會直接影響其他生命體，但事實并非如此，在一個穩定的生態系統中，沒有哪一個物種是可有可無的，在后面的例子里，大家會看到去除任何一個物種都會牽一發而動全身。

細胞、個體和生態系統都具有能夠聯系所有元素的結構，是高度有序的系統。系統的有序性常用熵這個概念衡量，有序性越大，熵值越小；相反，混亂程度越大，熵值越大。我們平時看到墨水在水中出現擴散的現象就是一種熵增。墨水分子在水中一直在做隨機熱運動，結果是墨水分子集中在一起的概率極小。用一個宏觀現象模擬上述過程，把一些灰球放在一個裝滿黑球的玻璃杯里，灰球代表墨水分子，黑球代表水分子。用力搖晃玻璃杯，灰球和黑球做類似于分子熱運動的隨機運動，最終結果是灰球仍然集中在一起的概率是有的，但是極低，如圖0-1所示。熵反映的就是粒子通過熱運動分布狀態的概率，混亂程度大的概率相對高，在一個系統中熵增過程會自發進行，所以我們會發現生命是一個低熵系統，而生命系統之外的環境卻是一個高熵系統。

圖0-1　熵增

在這一編中，我們將看到生命系統有序性的意義、生命系統有序性的形成條件、生命系統的演化規律以及系統最終潰散的規律。