生命之流(7)——流动与时间的赛跑

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2016年9月12日 (一) 18:42GrantT讨论 | 贡献的版本

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  • 时 间:2008-04

生命之流(7)——流动与时间的赛跑

很早以前,古希腊的哲学家们就开始认识到“万物皆流”是宇宙的本质。这种流变就对 应为一切生命系统甚至非生命系统(例如人类城市)都具备的新陈代谢属性。我们所讨论的 流动系统都具有新陈代谢特征,也就是组成系统的个体单元每时每刻都在更新、都在变化, 但奇怪的是,由这些流变的部分却能构成一个稳健的整体!你、我的身体就是这样的不断流 变的新陈代谢的整体,要知道你身体的细胞平均每隔四年就被更新一次了,那么凭什么说你 还是 4 年前的你呢?因为,你和我还有所有的生命个体一样,我们都是由一些不断流变的 个体所组成的稳定的模式(Pattern)。

非平衡态统计物理是一门认真对待新陈代谢现象的学科,它就是研究各种能量、物质的 流动所组成的开放系统。然而,近百年的非平衡态统计物理的发展却没给我们带来更多的认 识上的飞跃。因为目前科学家们还没有找到适用于所有非平衡系统的通用规律,大部分有意 义的结论仍然局限于一些相对简单的近平衡系统中。

但是,就在这最近的短短 20 年间,一些理论上的新发展可能即将打破这一僵局。一方 面,当越来越多的人开始关注广义的非平衡态现象的时候,人们渐渐领悟到一条所谓的“最 大流原理”可能正在制约着一切非平衡系统的演化;另一方面,随着人们对生态系统的实证 数据的积累,“代谢生态学”正在一点揭示一切广义的新陈代谢现象中的普遍规律。

本章就是要介绍这些非平衡态物理的新进展,和笔者自己提出来的一些理论模型。首先, 我们将小心的讨论最大流原理究竟在说什么,以及它可能的适用范围;其次,我们将给出一 个基于流动的统计力学框架,并与平衡态统计做类比。最后,我们简要介绍一些代谢生态学 的内容,并试图用我们的基于流动的统计框架来探讨代谢生态学中的内容。

最大流原理

让我们放眼周围的大千世界,会发现各种各样的流动仿佛都在加速。例如,随着城市交 通的发展,交通流在不断的加强;随着经济的发展,经济的流动速度:GDP 也在不断的攀升。 孙中山曾说:“人尽其才,物尽其流”,即事物发展的一种必然趋势就是要让流动尽量的通顺、 畅快。

科学家们不会对这类明显的规律视而不见,于是,越来越多的人提出了不同的原理来总 结这类流动加强,一切都在加速的现象。例如,著名的美国生态学家 Lotka(因为提出著名 的捕食者-被捕食者模型,即 Lotka-Volterra 模型而闻名)早在 1922 年就提出了一个猜想, 随着生态系统的演化,生态系统中的总功率,也就是总能量流会被不断加强。随后,另一名 美国生态学家 H.T. Odum 进一步总结了 Lotka 的结论,而提出了一个一般性的原理:“最大功 率原理”来阐释这种生态系统中的能量流加强的现象。随后,生态学界有一批人非常热衷于 寻找生态系统中的各种“目标函数”(生态学家们称其为 Eco-target,有很多有关能量流的函 数都可以充当这个 Target,比如 Exergy,Emergy 等等)。

另外一些与最大流原理研究密切相关的是物理学家。早在 1947 年,著名物理学家普利 高津就提出了一个“最小熵产生原理”以揭示非平衡定态的现象(关于熵产生,我们将在下 一章详细论述)。随后,很多物理学家围绕着熵产生这个函数,提出了各种原理,其中有一 个跟最大流非常接近的原理是最大熵产生原理,我们将在下一章详细讨论这些主题。 近些年来,还有很多人独立地提出了非平衡系统中的各种最大流原理。例如,工程师 Bejan 提出了一个所谓的“构建定律”,指出任何一个非平衡系统都要最大化它内部的流动通 路,从而生长出各种不同的结构。中国天津大学环境学院的柴立和教授和日本东京大学的 Shoji 教授通过研究沸腾液体中的各种气泡的相互作用,而提出了“最大流原理”(Maximum Flux Principle)。

Nature 的自由撰稿人,科普作家:John Whitfield 曾于 2007 年发表在著名生物电子杂志 Plos One 上的一篇文章叫作《Survival of likeliest》,暗示了一个新的自然选择原理:那些能够 把能量流调节到最快速最顺畅的生物体才能获得更大的生存可能性。并且,他明确指出了达 尔文自然选择学说应该以统计物理的基本思想为基础。因此,John Whitfield 暗示了一个作 为自然选择的最大流原理。

还有很多前人积累的工作我们就不一一列举了,但是仔细考察这些“原理”就会发现, 虽然它们表面上都在讨论最大流现象,但是它们的实质却非常不同。首先,这些最大流原理 中被最大化的那个目标函数是不尽相同的;其次,这些原理所适用的范围也是非常不一样的。 因此,可以说,所谓的最大流原理仍然处于一种“群龙无首”的混乱局面,因此,主流科学 界也从来没有认真对待过最大流原理。

面对这样的混乱局面,我们首先有义务对所有这些最大流原理进行总结和归纳。我们将 把最大流原理归结为三个子原理,这三个子原理分别适用于三种不同的条件。但是,统一的 目标函数的问题将留给下一章解决。

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