衰老是熵增吗？

每台机器都会随着时间的流逝而老化，再坚硬的岩石也会因风吹雨打最终化为齑粉。这些现象在19世纪被总结和量化为一个著名的原理，热力学第二定律：一个封闭系统的熵永远有增无减。或者通俗地说，孤立系统总是趋向更加混乱。

当我们看到生命的衰老与死亡，很容易认为这也是热力学第二定律在发挥作用。有许多人认为，衰老是物理学熵增定律的必然结果。很多聪明的科学家也因此误入歧途，将热力学第二定律看作是衰老的基础，并在此之上建立了许多复杂的模型。

然而，热力学和生物进化领域的先驱者们早在19世纪就已达成一个共识——衰老研究属于进化科学，而非物理学。

生命的衰老和汽车的腐朽遵循了同一种物理规律吗？

刀刃会变钝，我们的牙齿不也这样吗？转动的车轮会锈蚀和松动，我们的关节不正如此吗？家里的水管会被经年累月的沉淀物所堵塞，正如我们的动脉会出现粥样硬化一样。刀刃、车轮和水管的老化与损坏很容易与热力学第二定律联系起来。因此，用同样的原理来解释生物的衰老和死亡似乎是直观且符合常理的。

但是仔细想想，这个推理好像有点不太对劲。第一个线索是，物理学定律应该是放诸四海而皆准的，不可能存在例外情况。然而事实却是，有些动物根本不会衰老。比如，蛤蜊和龙虾只要没被天敌吃掉，就会越长越大，繁殖力也会越来越强，且不会因衰老而死亡；水螅是一种生活在池塘中的微小动物，能不停地脱落触手，用干细胞不断更新自己的躯体，被认为有着不死之身；一些鲨鱼和鲸的寿命长达几百年，以至于我们根本不知道它们是否会变老；灯塔水母和一些甲虫在食物短缺时能够倒回过去的发育阶段，如果重获食物，就从幼虫阶段开始重新发育，假如再次遇到饥荒，就又返老还童，如此一遍遍地重复生命周期。

在动物界，不衰老是一个相对罕见的现象，但在植物界却并不少见。很多植物都不会衰老。比如说，树木通常会越长越大，繁殖力也越发强盛，能够存活长达几百年的时间。迄今发现最古老的单株树木已经几千岁了；更为古老的是有数万年历史的树林，这片树林是从一粒种子生长出来的，并由地下根系连接在一起，在某种意义上可以看作是一个延续上万年的个体。问题来了，如果衰老是物理学的基本定律，为什么这些动植物看上去能逃脱物理法则的魔咒呢？

第二个线索是生长和发育。所有生物都能够从一颗小而简单的“种子”开始，成长为一个大而复杂的成年个体，并生产出自己的“种子”。生物发育包含着秩序的增加，而这正是熵的反面。看来，所有生物都会在生长过程中对抗熵增。

第三个线索来自进化。对我们这代人来说，你很清楚你比你的父母聪明，他们也显然比你的祖父母聪明很多。亿万年来，生物系统变得越来越复杂精巧。而这个趋势是不可能出现在非生物上的。在非生物的世界里，你通常只能看到磨损、衰退和秩序降低。

第四个线索则是毒物兴奋效应（hormesis）。这个名字描述的是生物在艰难的环境中寿命反而延长的一种现象。汽车开得越多，磨损得就越快。但如果你的身体总是积极运动，反而会活得更久。人们曾经把抗氧化剂看作对抗衰老的万灵药，后来却发现，保护身体不受自由基伤害，反而会缩短寿命。事实是，我们的身体完全有自我修复损伤的能力，甚至可以重建撕裂的肌肉和骨头上的微裂缝，并由此让它们“历久弥新”，甚至变得更强。相反，如果身体长期不受挑战，就会走下坡路。

如果仔细研读热力学第二定律就会发现，它确定的是“在任何一个封闭且隔离”的系统中，熵一定会增加。换句话说，假设存在一个完全与外界隔离的盒子，任何物质都无法通过，热量、光线或任何其他形式的能量也无法穿越。那么，盒子内总是会降低秩序、失去信息。例如，清洁会变得肮脏，冷热不均的部分相融倾向于一个折衷的温度，任何富集的化学能都会耗散成一个均匀的中间状态。

但是，生命并不是封闭的盒子。它们会与周遭的环境发生相互作用。它们从外界收集信息与秩序，并向外部倾泻熵和混乱，以此为代价在内部累积秩序。生物似乎发现了一门表面上可以逃避一般规律的技艺。

那么，为什么非生物不能利用热力学第二定律的这个“漏洞”来降低自身的熵呢？为什么刀总是越来越钝、机器总是越用越磨损呢？对非生物来说，与外界的相互作用似乎反而更容易带来损害。但生物却可以利用与外界的交互作用来生长发育并提升复杂程度。

一个答案是：许多机器的设计目的是完成一项工作，而不是降低熵。实际上，有一种专门设计来降低熵的机器，那就是冰箱。冰箱压缩机的作用是从内部向外部“泵出热量”，随着室温变暖，冰箱内部可以更冷。但这一“交易”依然被热力学第二定律“征了税”，它来自于进入马达的电流和从中释放的热量。从整体上看，房间与冰箱组成的系统是熵增的。房间的熵（和温度）增加了，其增加的程度大于冰箱内部（在变冷过程中）的熵减程度。“税”就是在流入的电流转变为热量的过程中被征收的。电是低熵的能量源。在能量大小相同的情况下，房间内的热量却包含多得多的熵。

这样，我们就得到了一个更完整的答案：熵增来自不同系统之间的相互作用。所以，刀在使用时会导致摩擦，从而让刀刃变钝。金属在与水和空气相互作用时会锈蚀。单独的一个物体很可能已经处在热力学平衡状态，也就是它可能达到熵的最高状态。但将两个相互影响的系统放在一起时，构成的组合的熵还会增加。

生物存在于这个世界上，与世界进行相互作用，同时增加总体的熵值，这是热力学第二定律的铁律。但生物和冰箱一样，会耍一个花招：它们可以通过增加外部熵来减少内部熵。每个生物都会从外部环境中吸取自由能，并把自己产生的熵增像垃圾一样排出体外。“自由能”是热力学中用来形容低熵能量的词。比如说，阳光和电流的熵值就特别低，一些形态的化学能也可能拥有相对较低的熵值，因此自由能很高。对植物来说，自由能的主要来源是阳光。它们动力十足、能量充沛，在将二氧化碳分解成氧和碳后，还余有能量来用于生长。对动物来说，自由能的主要来源是燃烧糖、产生二氧化碳的过程。二氧化碳就是我们呼吸时排出的高熵代谢物。

这种从环境中汲取秩序（正是熵的反面）并在自身内部累积秩序的能力正是生命的决定性特征。它可远不止“漏洞”这么简单。从热力学的角度看，可以说生命的核心便是在身体内部累积信息。

从热力学的角度来看，生命就好像一台电冰箱。但是，冰箱随着使用最终都会报废。那么马和冰箱在热力学上可以一视同仁吗？

冰箱将较冷的内部空间与较热的周遭环境隔离开来。从这个角度看，信息在内部，而熵在外部。但是，这里所说的内部是指冰箱内供储存的空间，而不是机器本身的内部。生命之所以与众不同，则是因为信息累积的场所正是起到隔离作用的装置本身。这就是生长和修复在热力学意义上的重要性之所在。来自外部世界的自由能被用来在生命体内创造出秩序。随着生命的生长，汲取自由能的机器自身内部累积的秩序就越来越多。久而久之，有序的程度越来越高，该过程也越来越有效。

生命在运转的过程中，必然会遇到损伤和衰退，但它可以由内到外地修复自身，用同样的外部自由能来保持内部的秩序。这就是保证生命得以持续下去的魔法。生物个体层面的再生（也就是繁殖）保证种族能延续至遥远的未来。同样的，分子和细胞层面的再生让每个生命都能长久地存活下去。

生命随时间的衰退并非由热力学第二定律的支配。有的生物会衰老，有的则永葆青春。诚然，生物体的某些部位会因衰老而受损。例如，大象的牙齿会磨损，之后它们又会一而再、再而三地长出新牙。但在第6次之后就停止了，不会第7次萌生新牙。在我们的一生中，我们体内精巧的生物分子都会遭受自由基损伤。年轻时，这些损伤会很快修复如新；随着年岁渐长，修复的速度会变慢，渐渐跟不上损伤的速度。

为了解释衰老，我们不应当也不可能寄希望于物理学，而应该转向进化论。进化生物学家已经意识到，解释衰老自始至终都应是他们的职责。在这个问题上，达尔文也曾被挑战，但他却没有答案。在达尔文之后，奥古斯特·魏斯曼（August Weismann）提出了一个解决办法，但晚年时却发现这个答案行不通。

现今，最广为接受的对衰老的进化解释是“一次性体细胞理论”（disposable soma theory），认为帮助繁殖的基因最终将毁灭生物本身，来源于皮特·梅达沃（Peter Medawar）和乔治·威廉姆斯（George Williams）在20世纪50年代产生的思想。在以“自私基因”为主流的进化理论中，这是我们可找到的最好理论了。然而，本文讲述的是一个完全不同的故事。这个故事来源于一个更有共识的进化概念——随着进化的历程，衰老逐渐变成了一个在好日子与艰苦时期之间平衡死亡率的工具，以此来缓和增长率，保证个体会“分批次”地一个个逐渐死去。假如没有衰老，种族就会因数量过剩而引发大危机，从而发生大规模的死亡，有可能灭绝整个种族。因此，生命进化出了衰老，通过在时间维度上分散死亡，从而减轻了灭绝的风险。

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