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数理中医2：生命理论篇
物理学是描述宇宙普遍规律的学科，指出宇宙的本原是能量，即宇宙是由不同密度的能量构成的。生命是宇宙的一部分，应当服从物理原理。此外，本篇进一步指出，生命还受信息论等原理支配，并揭示出：生命=信息+能量。
一、生命的宏观含义
研究表明，宇宙诞生于138亿年前,地球是目前宇宙中唯一发现了生命的星球。生命最早是以细菌的形式出现在太古时期(35-38亿年)。
何为生命？事实上迄今为止也没有一个通用或标准的定义。宏观上，生命可视为一个四维时空过程，包含初始、存续及消亡三个时间阶段，并且不同的时间阶段呈现出不同的三维空间结构。中观或微观上，不同的学科领域（如生物学、生理学、生物化学等）对生命有不同的描述，这里不赘述。
接下来我们从物理学的角度来探讨生命的本质。
二、生命的物理属性
生命的物理定义
生命是一类具有特定结构的物质系统，且具备维持自身结构稳定的能力。
据此定义，物质是生命的基本属性。
天才的物理学家爱因斯坦揭示出：物质的本质是能量。物质的质量m与能量E之间存在 E=mc^2 的关系，其中c为光速。正是由于物质与能量在物理上的这种等价性，在后文中，我们不刻意区分物质与能量这两个概念。
也可以说，能量是生命的基本属性。
三、生命的核心要素－元能量
物理学证实，自然界中所有的物质都满足物理熵增定律。
所谓熵，是一个标量，用于描述某种物理量在空间中分布的均匀度。物理量的分布越均匀，其熵越大；当分布为平均分布时，熵达到最大。
从能量的角度，物理熵增定律可表述如下。
能量熵增定律（又称能量最大熵定律）
任何封闭的物质系统，其能量熵必定随时间不断增加，直至趋于最大。换言之，封闭系统内部的能量分布必定趋于平均分布。
由熵的定义可知，所谓能量最大熵，就是能量在空间中的分布处处均匀，或物质如同“一盘散沙”般地均匀分布在空间中，不再具有任何特定的结构。也就是说，对于生命而言，最大熵就意味着死亡。
换言之，要维持生存，生命就必须避免进入到能量最大熵的状态。由算术常识可知，“阻止”能量熵的“增加”，只有靠“负熵能量”。而物理熵增定律已经指明，对于一个封闭系统而言，能量熵一定是增加的，故封闭系统是不存在“负熵能量”的。
由此可见，生命必定不是封闭系统，而是开放系统，且可以不断地从外部获取“负熵能量”，以“阻止”能量熵的“增加”、维持生存。
从另一个角度看，能量虽是生命的基本属性，但还不是最核心的要素，“负熵能量”才是生命最核心的要素。这意味着，对于生命体而言，不同的能量存在形式，对其生存有不同的影响。因此，有必要从生命的角度对能量进行分类。
元能量--负熵能量的等价表述
生命体从外部提取的、能阻止内部能量熵增加的能量，称为元能量。
散能量--零熵能量的等价表述
生命体内既不能阻止也不能促进内部能量熵增加的能量，称为散能量。
无用能量--正熵能量的等价表述
生命体内导致能量熵增加的能量，称为无用能量。
由于能量和物质的等价性，在生命体内，不同性质的能量是以不同结构的物质形式来体现的。从微观的角度看，“负熵能量”就是生命体内部缺乏的、对生命体维持自身结构稳定有用的各种物质，如蛋白质、糖类、脂类等大小分子；“正熵能量”就是对生命体有害、破坏生命体结构稳定的各种物质，如病毒分子等；“零熵能量”则是生命体内虽不能用于维持、但也不至于破坏自身结构稳定的物质，如超过人体生命所需的蛋白质、糖类、脂类等。
由此可见，能量的属性（元能量、散能量或无用能量）是一个相对的概念，与生命的参照物有关，即一种生命体的无用能量可能是另一种生命体的元能量。很显然，一个稳定的生态系统，必定是对元能量有不同需求的生命共生系统。
我们也可以从元能量的角度等价表述生命如下。
生命物理定义的等价表述
生命是可从自身系统外部提取元能量的物质系统。
基于上述分析可知，生命必定是通过如下方式实现生存的。
生命的负熵生存
①消耗元能量来阻止能量熵的增加，以维持自身物质结构的稳定；
②吸收外部能量并从中提取出元能量，以补充消耗掉的元能量。
事实上，关于生命的负熵生存观点，早在上世纪四十年代，著名的奥地利物理学家薛定谔（1887－1961，量子物理创始人之一，诺贝尔物理奖获得者）就已提出来了。
对于一个生命体而言，自然界外部的能量虽无穷无尽，但元能量显然只占极少数。那么，生命如何从外部能量中提取出元能量呢？这就引出了如下生命元信息的概念。
四、生命的核心要素－元信息
早在1871年，以创立电磁场理论而闻名于世的英国大科学家麦克斯韦（1831－1879）就研究过负熵能量的问题。麦克斯韦通过一个思想实验，提出了实现能量负熵的机制，即著名的“麦克斯韦妖”（Maxwell's demon）假说。
我们大致描述一下麦克斯韦的思想实验。
考虑一个封闭的气体容器。一块隔板将其分为两个温度不同的密封区域。当抽掉隔板时，依据熵增定律不难想象，原来两个温度不同的小区域会演变成一个温度均匀的大区域，即达到能量最大熵状态。如果存在“负熵”，就是可将温度均匀的大区域，又重新分隔成两个温度不同的密封区域。乍一看，这似乎是不可能完成的任务。麦克斯韦指出，只要能构造出麦克斯韦妖，就能进行上述分隔，即实现“负熵”。
从物理热力学的角度看，气体的温度高就是气体分子的运动速度快，而温度低就是气体分子的运动速度慢。麦克斯韦设想用一扇分隔门将温度均匀的大区域分成两部分，这扇门上有“快分子”和“慢分子”两个方向相反的“定向通道”，由“麦克斯韦妖”把守。“麦克斯韦妖”的职责是：见到“快分子”就打开“快分子定向通道”；见到“慢分子”就打开“慢分子定向通道”。不难想象，久而久之，“快分子”和“慢分子”就会分别集中在两个不同的区域，从而将一个温度均匀的大区域分割成两个温度不同的小区域。从熵的角度看，就是实现了“负熵”。
当然，由物理熵增原理可知，麦克斯韦妖必定是靠系统外部的能量来维持运行的。由上述分析可见，实现负熵有如下两个特殊要求。
定向分隔系统。
如上述的分隔门，实现两个相反的能量定向传输。
2）信息感知与控制系统。
如上述的麦克斯韦妖，实现对快分子、慢分子及分隔门的操控。
其中，“定向分隔系统”由特殊结构的物质组成，仍属于纯物质的范畴。而“信息感知与控制系统”具有对不同物质进行分类、识别及操控的能力，不再是普通的纯物质系统，而是具有信息感知与处理能力的特殊物质系统。
至此，我们引入了信息的概念。那么，何为信息？尽管现在人们天天都在接触、使用信息，但事实上，关于信息还没有一个统一、严格的定义。美国数学家、信息论创始人香农（1916－2001）给出了一个定义。
信息的香农定义
信息是用来消除随机不确定性的东西。
美国数学家、控制论创始人维纳（1894－1964）给出了另外一个定义。
信息的维纳定义
信息是指生命与外部世界进行相互交换的内容，交换的目的是使生命更好地适应外部世界，并反作用于外部世界。
正是因为拥有“信息感知与处理”能力，生命才能从外部能量中提取出元能量。生命是一个复杂的大系统，为便于分析，人们通常将生命系统按功能划分成多个不同的子系统，每个子系统又进一步划分成更小的单元。与生命系统的功能划分相适应，我们将生命生存所必须的信息也划分出元信息和散信息。
元信息
描述生命体中某个子功能系统状态的信息，称为元信息。
散信息
描述生命体功能子系统中的某个单元状态的信息，称为散信息。
也就是说，元信息是描述生命某种宏观功能的信息，如呼吸、消化功能系统的状态信息；而散信息是描述生命某个微观单元的信息，比如细胞、氨基酸等状态信息。
五、生命的生存模型与公式
基于上述关于生命能量与生命信息的讨论，我们可得出图2-1所示的生命生存模型。
图2-1 生命的生存模型
对比前述“麦克斯韦思想实验”，不难看出，图2-1描述的其实就是以生命为实验对象得麦克斯韦思想实验。图中，“元信息感知与控制系统”就是“麦克斯韦妖”；“分隔系统”就是“双向分隔门”；“元能量生成系统”和“元能量储运系统”是两个不同性质的系统；而“元能量”和“散能量”则是两种不同性质的能量，就像密封容器麦克斯韦思想实验中的“快分子”和“慢分子”。
进入元能量储运系统的元能量将用于阻止生命体能量熵的增加。在阻止熵增的过程中，元能量的负熵能力会逐渐被消耗，直至变为散能量，再也无法阻止能量熵的增加。此时，散能量需要返回元能量生成系统进行负熵增强，才有可能聚合为元能量。
概括地说，从物理与信息的角度看，生命的生存本质就是：生命体在元信息系统的指挥下，进行元能量的按需加工、储存及配送。
因此，也可将生命用如下生存公式表示：
生命 = 元信息 + 元能量。
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