热力学定律在生命科学领域的运用（科学原理一点通）

大脑与熵

为什么热量总是从较热的物体传递到较冷的物体？为什么凋落的树叶不会重回枝头，枯萎的花朵不会重新绽放？

自然界中宏观事物的发展过程都有一个优先的方向，遵循的规律便是热力学第二定律，也称“熵增加原理”，它指的是在一个孤立系统里，如果没有外力做功，其无序的程度（即熵）会不断增大。

人的生命也如此，从物理层面的运动到精神层面的思考，都会消耗能量并产生熵，打破原有的平衡。我们的大脑也是如此，当我们思考时，大脑会消耗能量，产生熵。

热力学第二定律，有几种常用的表述方式。德国物理学家克劳修斯将其表述为：热量不能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体。英国物理学家威廉·汤姆逊（开尔文勋爵）和德国物理学家马克斯·普朗克将其表述为：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。熵增加原理表述为：孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。

思考越高级熵越多

人类的大脑每天需要接收、记忆各种信息，学习、理解各种知识，分类、处理各样事务。这意味着大脑的熵在不断增加，若不及时优化、排序，大脑就会越来越无序。

研究人员利用功能性核磁共振成像（fMRI）技术，观测到大脑不同认知功能的区域消耗的氧气量，从而计算出大脑不同时间、不同位置的能量消耗情况，并通过模型，计算出其产生的熵。

研究发现，当大脑处于休息状态时，各个脑区处于不同状态且不断转换，但各个状态之间的转换是随机、可逆的。我们认为这是一种“细致平衡（detailed balance）”状态。

而当大脑处于思考状态时，各个脑区在不同状态间的转换存在方向性，这被称为“细致平衡破缺（broken detailed balance）”。也就是说，在思考的过程中，神经活动的“细致平衡”被打破了，这时表示混乱程度的熵也增加了。

研究人员发现，在情绪处理、工作、社交、语言、理性思考、风险决策、运动执行等7种不同类型的大脑认知活动中，运动执行和风险决策等活动中的熵产生最明显，而语言、情绪处理等活动中的熵产生较少。也就是说，进行越高级、越复杂的认知活动，大脑产生的熵越多。

挖掘大脑的潜能

结合这一科学研究与自己用脑学习时的情况想一想、观察一下，前文中说的与自己的情况是不是一样？利用这项研究可以让我们在未来学得更好或变得更聪明吗？我们又要如何对抗大脑熵的增加呢？

研究表明，当学习的速度慢下来时，神经元中熵的增加会减缓，从而使我们的学习效率不降反升。

对于每个人来说，大脑是我们身体的总指挥部，对抗大脑熵增加的方法就是科学用脑，不断挖掘大脑的潜能。例如，在学习方面，可以不断地重复、慢慢雕琢、反复练习，要知道“欲速则不达”“慢工出细活”反而学习效率更高。或者去看一场电影、读一本书、与朋友进行一次畅谈，从中探索到新鲜的信息、知识或智慧，为大脑“减熵”。

人类对自身大脑的认知与探索神秘而迷人的宇宙一样，充满未知却又其乐无穷。想要真正解锁人类大脑蕴藏的玄机还有很长的路要走，但相信总有一天，人们能解开大脑的终极奥秘！

知识链接

用生活中的例子帮你理解“熵”

整洁的桌面，如果我们不随时整理、清洁，使用一段时间后，会变得杂乱无章。桌面的混乱程度，就是熵。若我们一直不整理（即没有外力做功），桌面就会越来越乱（即熵会不断增大）。

再比如，我们买来的新电脑，运行速度通常会很快，但是如果我们长期不清理垃圾文件，它就会变得越来越卡顿，也就是熵在不断增大。

“贪吃”的大脑

在人体中，大脑的重量仅占体重的2%，但是消耗的能量却达到了整体消耗的20%～30%，大脑“贪吃”葡萄糖的习惯使其成为全身耗能最大的器官。

你或许会觉得，大脑每天要思考那么多事情、学习那么多知识、作出那么多决定，肯定会有很多消耗。而你大概没有想到，这20%其实是大脑静息状态的耗能——即使什么都不想，神经元（如上图所示，它是神经系统最基本的结构和功能单位）在休息时也会消耗如此多的能量，又被称作大脑的“暗能量”。若是再进行一番“深思熟虑”，那消耗的能量还要再多5%～10%。

童年时期的大脑甚至更加“贪吃”，对氧的需求量较成年人更大。研究显示，五六岁儿童的大脑消耗的能量可以占到全身的50%～60%。

此外，即便大脑处于极度不活跃的状态（例如昏迷），其葡萄糖消耗量也只下降到了正常水平的一半，与其他器官相比仍是高耗能的。

作者：刘恺

单位：同济大学生命科学与技术学院

来源：知识就是力量、学习强国