十九世纪物理学家曾认为，地球上任何活动都一定导致熵的增大；按照热力学第二定律，地球终将走向“热寂”的结果。但是，地球上生命存在已经有几十亿年了，仍然没有到达“热寂”的世界。

最近，地球上出现了沙漠化、污染、过营养化、气候异常二氧化碳气增加、核物质积蓄等现象，这些现象与十九世纪的“热寂说”是否有关呢？

我们根据熵的理论对现代的地球及生态系统危机的原因进行了研究，提出了解决问题的基本方案。问题的关键在于将地球看成是“水的星球”。

一、具有水循环的稳定开放系统——地球

首先，假设地球由四个部分组成：岩石圈、大气圈、水圈和包括人类社会的生态圈。这里，先讨论由前三部分组成的系统。

第一步，假定地球只由岩石圈组成。

太阳光到达地球表面的平均热量为每年q=257 Kcal/cm²。设它为100，则其中的30会被反射掉，剩下的70使地球变暖。这部分热量还将向宇宙空间辐射出去。根据黑体辐射的斯蒂芬 - 玻尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律（物体的放热量与该物体表面绝对温度的四次方成正比）即所谓T⁴定律进行计算，这种“地球”表面的温度应为-18℃（255 K）。

第二步，假定地球上有空气。

地球的大气对直射日光要吸收23，故到达地表的日光就只剩下47。但大气还要吸收地表辐射的热量的大部分，并将它们送还给地表，于是在地表与大气之间就产生了热量的“投接传递过程”。大气向地表放送的热量则为96，这就是所谓“温室效应”。这个热量竟相当于地表接受的直射日光47的大约两倍！二者合起来，地表接受的热量就为143。代入T⁴定律计算，地表温度为31℃（304 K）。

现在再假定空气有对流。地表的暖空气上升，上升过程中经绝热膨胀温度逐步降低，加之在大气上层向宇宙辐射热量，则温度还要下降，于是气体变重形成下降气流。这种空气循环会从地表带走约为6的热量，使地表温度相应降低。用定律计算得平均温度为28°C（301 K）。这还是一个酷热的地狱，生命无法存在。这种假定情况相当于沙漠。

第三步，考虑既有大气循环又有水循环的现实的地球。

水遇到干燥的空气便要蒸发，从周围吸取热量。由于水的分子量为18，空气的平均分子量为29，故含水蒸气的空气变轻，形成上升气流。但在上升过程中，由于绝热膨胀又会引起温度下降，使水蒸气凝结，形成雨或雪降下来。这就是水循环。水在大气上层结冰或结露时会放热，这些热量便向宇宙中辐射出去了。这种水循环从地表向宇宙送出的热量为24，是空气循环带走热量的4倍；这么一来，地表辐射热量就降低到113。用T⁴定律算得这种地表的温度为15°C（288 K），与现实的地球相符合。

下面，用熵的观点来说明二下以上这些气象学的结果。直接看来，日光对地表的热辐射为47，大气对地表的为96，合计为143，这时地表温度为15°C，而地表在15°C下辐射的热量为113。这种等温过程对熵的考虑没什么意义。但只要看到这30的热量是靠水循环（包括空气循环）在15℃下从地表带走，并由这两种循环带到大气外层在-18°C下向宇宙空间辐射出去的，这种在高温下吸热在低温下放热，并存在着循环的过程便是一种热机制，对于熵的考虑有重要意义。

被这种水（和空气）的循环所减少的熵可以计算出来：0.30q(1/288-1/255)=34.6 cal/deg · cm² · year。地球上发生的各种活动变化就是在这部分被抛弃的熵的范围内得以进行的。例如，下雨时产生摩擦热：河水流动；吹风；以及生命活动的进行等等。所有这些活动都要产生熵，这些产生的熵的总和不超过34.6 cal/deg. cm². year。

总之，由于水（空气）循环的存在，使我们的地球成为一个生命的星球，三十五亿年来生命持续存在，而没有到达所谓“热寂”的世界。

二、光合成与分解中熵的过程

以下讨论地球的第四种系统，即包括人类社会在内的生态系统。首先从光合成开始。通过光合成的化学反应方程式，可以知道，由300 ppm的CO₂和水、日光ε（ε=111.7 kcal/mol）可以生成葡萄糖和一大气压的氧气。反应中物质和能量是守恒的。但仅从反应方程式来看，只有从右向左的逆反应（即燃烧）才是可能的，而从左向右的光合成反应却不可能实现。例如，在25°C和一个大气压下计算光合成和呼吸所需要的熵，设日光的熵为零，结果，反应方程式左边CO₂和H₂O的熵的总和是83.9 cal/deg. mol，而右边葡萄糖和氧气的熵的总和则为57.5 cal/deg. mol0左边的熵比右边大，从左到右熵会减少，反应便不可能进行。但实际上，日光下的光合成反应却明明是在进行的。这一矛盾使许多科学家困惑。许多人只好回避这个矛盾。

1944年薛定谔写了一本有名的书叫《生命是什么》。在书中，他采用了一种简便的办法。即为了使光合成反应式不至于造成熵的减少，他说，只要认为日光具有“负熵”就可以了。但是，太阳的所谓“负熵”究竟是怎么回事却一点也没作论述。

但是，光合成不仅在阳光下，就是在电灯下也可以进行。那么，只有太阳光具有负熵不是很难令人置信吗？另外，按热力学第三定律，熵的最小值为零，不可能为负。因此，“负熵”之类的东西是不可能存在的。还有太阳光是发热体，在放热的同时便放出与其成正比的熵。因此，植物在接受太阳光时，不仅不能从中吸收负熵，相反，至少应从太阳光中吸收相当于这个量的正熵。这样一来，光合成反应式左边的熵就更大了。不仅如此，植物在光合成中使用的日光只有很少一部分，其余部分全部变成植物体内的热，即变成了熵。

那么植物是怎样把这些过剩的熵排出体外的呢？这里，应当注意到，植物是具有蒸发机能的。蒸发时液态的水变成气态的水，被带走的热为s'=10.5 kcal/mol；与此同时，熵也被带走。可算出在25℃（298.15 K）下带走的熵的量为ε'/T₀=35.2 cal/deg · Mol。

也就是说，光合成除了依赖于制造葡萄糖所需要的水以外，还依赖于蒸发所需要的水。这样，在原来通用的光合成反应式的左边就还应当加上蒸发所需要的水n(H₂O)(l)和热右边还应当加上蒸发为气体的水n(H₂O)(g)。这就是实际的光合成反应方程式。

把这个方程式用于单色光（λ=0.65μ）时，由于普通植物要固定1 mol的CO₂需要8个光子，而该波长光子的能量为44 kcal/mol，故ε+nε'=44×8=352 kcal/mol，于是n=22.9。把它代入实际的光合成方程式计算出熵的收支，其结果左边为446.3 cal/deg · mol，右边为1090.3 cal/deg · mol。从左到右熵是增大的，与热力学第二定律并不矛盾。这里由于是单色光，故将光的熵设为零。

在室外实际日光下进行的光合成，只固定了CO₂的2%左右，由此可算出n=521。将这个值代入上述方程式计算熵的收支，结果左边为10651.3 cal/deg · mol，右边为27165.1 cal/deg · mol，熵还是增大的，故此反应是可能进行的。

从n的值可以知道要得到1吨光合成生成物需要蒸发320吨水。但实际上有一部分可以由空气冷却。若平均水冷占80%，空冷占20%，那么可算出，要得到1吨的光合成物需要250吨水。而实际情况是大约需要300 ~ 400吨的水。这只要考虑到植物在夜间也要蒸发水分，就不难解释了。

以下讨论生态系统中的分解作用。如果地球上只有植物存在的话，不断进行光合成的结果，空气中的CO₂将被耗尽，植物就无法生存下去。很久以前，地球与其他行星一样有大量的CO₂气，而现在只剩下300 ppm，可以认为这就是植物消耗的结果。

但是，动物和微生物则用0.21大气压的氧气来分解光合成的生成物，维持着CO₂的浓度。不难算出在这种分解反应中熵的收支。显然，熵是增大的，是可能进行的。

把光合成与分解合在一起，就得到一个循环，这就是所谓生物循环。在这种循环中，吸收了日光和水，放出了水蒸气和热。其中若设水冷与空冷的比例为8：2，则可以计算出1 mol CO₂，被固化后再重新转变成CO₂整个过程中熵的收支。结果，熵是增大的和可能进行的。

生物循环所产生出的热和水蒸气，被水循环带到高空，并将热向宇宙中散发出去，因此，可以说生物循环也是水循环的一部分。

三、人类在水循环、生物循环中的位置

如前所述，生物循环以及它的部分反应都是满足熵增原理的，即是可能进行的。但这些反应在现实中发生没发生则是另一个问题。例如，按反应式，只要有了葡萄糖和氧气，就一定会生成CO₂和水。但实际上并不一定发生。葡萄糖极其稳定，常温下几乎永不进行反应。不过一般情况下，生物摄取了葡萄糖，便能立即进行反应。要使生物循环不断进行，需要有整体性的协调。如果在中间阶段停滞下来，这就打破了植物、动物、微生物的协调，使生物循环停滞下来。这就是生物污染。如湖泊过营养化就属于这种问题。

另一类污染是地下物质的污染，它是与生物无关的物质引起的。这种例子在公害史上是屡见不鲜。就日本而言，如：足尾铜矿对渡良濑川流域长期的污染；土吕久矿山流出的砷毒对人们健康的危害；九州水俣的有机水银污染；神冈矿山的镜对神冈川的侵害等等。除了这些石油文明带来的环境污染之外，在日本还有二十七座原子能发电站在运转，以放射性物质产生着污染。

有人认为信息可以减少社会的熵。这种观点一开始就把信息熵与热力学熵混淆起来。仅从信息熵中没有玻尔兹曼常数就可知道，两者本质上是不同的。虽然信息社会是希望减少物质和能量的消耗，但实际上其结果也许反而是增大消耗并加剧因地下物质引起的污染。

许多人认为，农业与工业一样都是在破坏环境。当然也确实有这种现象。不过，人类通过农林渔业是可以使生物循环兴旺起来的。例如，防止沙漠化；种草植树；使土地肥沃；另外，在一些因过营养化而死寂了的湖或海湾中打捞海草和鱼类，可使之再度生机勃勃。

这种例子在日本江户时代也可以看到。葡萄牙传教士路易斯 · 弗罗易斯（Luis Frois）曾惊奇地说：“在西洋是花钱请人处理粪便，在日本粪便却要用米或钱来买！”（1586）可见一斑。同样的事情，著名化学家J. 利皮格（J. Liebig）也谈到过。从城市向农村运粪，使田野肥沃起来；肥沃的田野又向城市提供蔬菜。另外，河流把城市的营养物质带到湖泊或海湾，使水富于营养、养育的鱼、贝、海草等又反过来运往城市 · 江户时代这种循环不仅没带来污染，反而还维持了三百万到八百万人口的生活，这就是人类在生物循环中的位置，也是人类加强了生物循环的实例。

但是，目前石油文明以大量且远距离地运输破坏了生物循环。美丽的东京湾也因大量含毒垃圾的倾泄而将走向死寂。

看来，人类已陷入熵这个进退两难的迷宫了。决定性的问题还是在于人类的活动是否有利于恢复水循环和生物循环，进而是否加强这些循环。本文指出，这是可以做到的，也是必须立即开始行动的。

四、结语

玻尔兹曼曾指出，生命不是为物质原料和能量而竞争，而是为熵而竞争。但他未说明这一观点的考虑方法。

H. 柏格森（H. Bergson）曾强调说，即使是生命也不能摆脱热力学第二定律。但他错误地认为，所谓生物就是能延缓其熵增大的东西。

薛定谔则提出“负熵”，企图用来解释生命，但他注意到了这一错误，后来便修正为“靠抛弃多余的熵来维持生命”的说法（1945）。但由于他未对这种说法进行论述，所以至今在许多人心目中还保留着“负熵”的神话。

G. 鲁琴（G. Roegen）认为：“生命没有抑制自身和环境的熵的增加，而是加快了熵的增加。”（1971）后来，他分析了利用地下资源时的各种问题，说明物质仍然是很重要的，强调无摩擦、无破损的机器是不存在的；他否定循环的存在（1981）。他的这些理论对于地下资源是正确的，但不能说明生命及地表现象。

槌田敦指出了地球所具有的水循环的重要意义。进一步又定性地指出了生命循环是生命延续下去的条件。另外，即使说生命本身，其体内的循环也是根本性的。在本文中，又用物理及化学方法对生物循环进行了定量的说明。论述了在未来的时代里，维持、恢复水循环和生物循环，进一步加强这些循环的重要性和可能性。

至今，距玻尔兹曼研究熵已有大约一百年了，使科学家们长期困惑的问题已能得到理论性的解决。今后的问题，还在于如何在生态保护运动中进行实践，使理论发挥出作用来。

（エントロピ—読本Ⅱ，1985年4月)