生命所必需的环境条件

第六节　生命所必需的环境条件

根据生命测度的公式可以看出，环境能支持生命，必须有两个基本条件：第一，它们要经历熵生产（entropy production）过程，也就是有增熵过程；第二，它们能向生命机体提供所需要的物质流通量。

首先我们讨论熵生产。回顾不可逆过程的热力学第二定律可知：一个系统的减熵意味此系统有序化的程度增高；所减的熵为周围环境所吸收，此环境则增熵。因此，我们用某一瞬时的环境增熵量dS／dt，表示对生命有序化过程提供的势φ为

这个简单的公式不但可以测度生命存在的可靠性（假设其它必要条件除外），而且还能指出一个环境所能支持的生命的可能性。

环境能增熵对于支持生命是一个必要条件，但不是充分条件。在宇宙中，有许多环境，例如月球与水星表面每单位面积都有很大的熵产量，但无蛋白质生命，因为缺乏物质运输的机制。另外从物理学来看，势能是系统作功的必要条件，但不是充分条件。例如山顶有一块石头对于山脚来说，具有作功的势能。如果它不滚下来，虽有势能也不能作功。所以势能只能是作功的必要条件，而不是充分条件。

上面的理论可以联系到人脑系统，开发更深层的智能。外界环境可以有很多科学技术为人脑提供有关信息，但此脑还必须能起动自己的功能；只有这样，内外条件配合，才能展现功能。

把上述理论推广到太阳系来说，宇宙空间环境的增熵是由于行星大气层能生产熵。行星表面是一个开放的热力学系统，假设它的大气层吸收从太阳辐射来的热能为dQ，其高温为T大＝5800，行星大气层的熵流为dS小＝dQ／T大。实际上，行星表面的温度很低，设为T小；这是因为行星有大气层要把大熵流dS大＝dQ／T小的熵量反射一部份到宇宙空间去，所以地球的四季是有序的。因此，行星大气层在单位时间内的熵生产量或宇宙空间的熵增量为

根据这个式子可以算出行星大气层每单位面积的熵产量为

式中的A是行星大气层的反照率。

在上式中代进有关的数据可以算出太阳、水星、地球、月亮、火星上的熵产量分别为1．1×10⁷，6290，1450，1560，1050，单位为克／秒3摄氏度。由此看出：地球与火星表面的熵都很低，容易产生蛋白质类型的生命；水星上的熵量很高，没有这种生命；月球上的熵量虽然低于地球，但无物质流量，故无生命。

熵量的高低并非唯一地决定蛋白质类型生命的有无，行星表面上的物质运输的对流量也是很重要的，这是我们要讨论的第二个问题，假设靠近恒星表面的大气速度为V，被运输的物质密度为ρ，于是对流的动能K为

通过单位面积的物质流量为

设想对流量为Q，它应与动能K成正比；引进比例数为α，则αQ＝K，因此

由于地球上有人类、动植物等生命，故以地球为标准，对于（1）

式各量引进下标（0），因此我们有

（1）式与（2）式之比定义为无量纲的质量流J

根据上式，代进有关数据可知：对于地球来说J＝1，月亮则为0，水星也是0，火星为0．021。水星与月亮上的质量流既为0，故不可能有蛋白质类型的生命。