熵与生命(本科期间写的一篇综述，好遥远的事情啊)熵与生命 学号：3031999027 姓名：张大磊 在整个《物理化学》课程的学习中，我感觉最难以理解的概念就是“熵”。为了掌握这个概念，课下我查阅了许多参考书、学习资料和文献，后来惊奇地发现：原来对于熵的研究已经不仅局限于自然科学领域，人文科学中关于熵的研究亦进展得如火如荼。尤其在生命领域，熵更体现出它独有的魅力和价值。下面我将运用在课堂上学到的有关知识、参照其他资料，对熵与生命之间的关系进行一次简要的探讨。尽管我花费的时间在同学中最多的（大约四十个小时），但还是比较仓促的，如有遗误错漏，烦请教员和各位同学不吝赐教。 热力学第二定律的原理是：热从高温体向低温体传递，因而总能量守衡但将不断减少做功能力。这个貌似简单的定律实际上包含着极丰富的科学意义。正如“法拉第第一定律”是宇宙间最为精确的定律之一一样，我个人认为热力学第二定律是宇宙间最为深奥和永恒的规律之一。在一个热机系统中，热传递产生系统做功，系统热效率越高，热量转换为有用动能越多。但无论怎样改进热机，也永远无法达到热功之间的完全转换，因为在热转换中能量的耗散是我们无法避免的。为了表述热机系统热量转换为有用功程度的大小，克劳修斯为第二定律引入了一个新概念——“熵”。熵的原意是转变，在数学上它是热机系统状态的函数，熵小意味着一个系统热量转变为有用功的程度高，熵大则表示转变程度低，这就区分出了有用的能量交换与不可逆地耗散掉的能量的关系。这个概念的提出从根本上促成了热力学第二定律为人们所意识到并接受。 热力学第二定律的意义很快就超出其产生的领域[1]。通过熵的数学表述，人们认识到，在一个热力学系统中，熵增指热能量耗散增加，意味着热能在做功中部分热能向系统环境均匀化地耗散了，这个过程是不可逆的，因此熵只能是正或为零。这样，熵增就表示着热力学系统内部一种不可逆的过程。这个结论使想完全控制自然（如制造永动机）的人在自然面前碰了个大钉子。但经过冷静思考之后，人们开始意识到：系统的熵增实际也表示着系统的一种自发地进化，是“系统进化的指示器”，是系统的“时间之矢”。 不止如此，克劳修斯 1865 年的第二定律的宇宙论推论，更是令人大吃一惊：“宇宙的能量是常量；宇宙的熵趋于最大”，即所谓的“宇宙热寂说”（也有人如物化赵教员般称其为“热死说”，更加形象但翻译不大贴切，以下统称“热寂说”）。 “热寂说”虽有争论，但现代宇宙大爆炸说已经证明，宇宙是有自身时间的箭[2]，因而是有一个从生到死的生命演化过程的。这样，人类在追求宇宙和自身的永恒中，通过热力学语言，很不情愿地发现了与我们人类的生命感觉相一致的、正如远古哲人孔子所述的“逝者如斯夫”那样的宇宙事实：时间并不是幻觉，而是物质有方向的变化过程；时间具有方向性，是不可逆的，无论是宇宙还是我们人类，只能从生到死，而不可倒逆；宇宙没有永恒体，没有上帝，我们人也不可能羽化成仙。热力学毫不顾忌我们人类童年的那种幻想和价值意愿，仅用“燃烧之火终将熄灭”这样一个简单的事实就打破了我们自以为真实而实际只存在于文化符号中的诸如“天堂”、“理想国”等理念的永恒世界，残忍地向我们揭开了整个宇宙和人类的一种悲剧化的过程，让人类又一次从真正意义上看到了自我的份量，悟到这一点后，我感觉自己成长了许多。 过程的终点虽然被认为是热寂与死亡，但由热力学所开创的复杂性科学同时也就揭示了与热寂、死亡对极的“生”、“成长”、“生命力”、“自然演化”的时间秘密，开拓了建立人与自然一种新型关系的道路，使我们人类能正确认识自身在整个自然中的位置，从而有可能建构出一种促成人类与自然和平共处、共同发展的新的科学体系和价值体系。 第一、复杂性科学研究发现，生命组织和生命活力，无论是宇宙宏观系统还是细胞的微观系统中，都只能产生在系统远离平衡态的对称破缺时，而不是我们以往所理解应当产生在平衡态之中。 正如《时间之箭》作者彼得·柯文尼所说的“生机在远离平衡态时萌动”。在非线性状态，由于反馈形成的相关性，使得系统内部微小的变化就能激发大的振荡，从而促使结构突变而产生新的结构组织形态。如果这个系统是封闭的，在振荡和自组织变化过程中，由于熵增，系统将很快达到平衡，结构变化消失，趋于混沌。而如果系统是开放的，就可以通过与外界能量的交换，把增熵输出到外部去，从而保持系统非平衡状态中的自组织结构，保持生命和生命的活力。 第二，在远离平衡态的系统中，“熵”而不再只是能量的耗散和浪费，而是具有伟大的创生和建设性作用的。 首先，在非平衡、对称破缺的初始条件中，熵增暗示着系统的一种内在极化，是一种选择性原则，使只有使系统做功并最终达到热平衡的那种趋势（即生命的趋势）可以产生并演进。其次，演进过程中所产生的熵垒，阻止系统返回过去，使系统只能向前，演进是不可逆的。最后，由于熵增，系统内部个体的相对运动和相干性加强，从而增强了系统的生命活性。 第三、这样，复杂性科学使人们醒悟，经典科学在认识自然时所以把“时间”定义成可逆的，正暗含着控制、操作自然的价值心态。 在这个文化背景中，熵增、随机、不可逆、非线性的振荡就被看作是一种负价值的东西，不但是物理科学意义上的能量的耗散与浪费，而且是文化意义上的不和谐、不可控、不安分，是与真、善、美的世界相悖的东西。然而，大量的科学实验表明，熵增、随机、不可逆、非线性的振荡恰恰是“生命”、“自然”和“自然生机”这些现象最本质的原因。熵增意味着最终的混沌、无序、热寂和死亡，然而同时也意味着它孕育了这个过程之中的那短暂却壮丽辉煌的“生命”、“生命力”，创造了大自然最神奇的“成长”和“自然演化”的机制，显示着物质自身运动真正的“时间”，包含着整个宇宙生与死、从混沌到有序的全部秘密。热力学开创的复杂性科学在本世纪得到了全面的发展，取得了一系列令人瞩目的科学成果，大大拓展了人们的科学视野，为建立人与自然一种新型关系，建立一种没有“上帝”的新的价值观提供了科学文化基础。今天环境与生态科学的发展使我们知道，整个自然生态环境及其中物种间的关系远比人类以往所知道的复杂得多。早期工业化过程中的人对自然的控制、操作和改造，使人类在享受其成果的同时，也招致变异了的自然的报复。这使我们要重新认识自然，也就要重新思考人类自身。我们都在不断地进行人生的定位思考，却没有给予整个人类、整个大自然足够的重视。一种新的世界观应该是：人类的科学和理性并不是要最终地控制自然，把自然作为人类的奴隶，甚至愚蠢地提出“人定胜天”等口号，而应该尊重自然，理解自然，在与自然的平等对话、和谐相处中与自然共同发展，正如同中国古代儒、道达成的共识“天人合一”一样。时间是一种建设，它正担负着这种伦理责任。 既然主宰着宇宙中一切运动过程的至高无上的势力学第二定律定律（就是也称为熵增定律）告诉我们宇宙中的能每时每刻都在不可逆转地耗散着，任何孤立系统都会伴随着能量的耗散而趋于无序、互解和热寂。那么为什么我们所见到的社会却又在不断的进化和趋于有序呢？一直到二十世纪六十年代，这个问题的答案才浮出水面：比利时自由大学布鲁塞尔学派的领导人物理学家伊·普利高京（Iprigo－ginc）创立了他的耗散结构理论，解决了这一难题。普利高京以他卓越的研究表明，开放系统在外界能量的驱动下有可能通过随机涨落和非浅性相互作用而形成有序的耗散结构——而在这一从混沌到有序的过程中，能量的耗散起到了决定性的作用。耗散结构（Pissipative Structure）理论是1969年在《结构、耗散和生命》论文中提出的。这个理论主要是针对非平衡热力学和非平衡统计物理学的发展而提出的一个科学假说。它的杰出贡献在于把克劳修斯的热力学第二定律与达尔文的进化论相统一，证明了自然界乃至人类社会是一个和谐、有序的整体。在自然界中，广泛存在着一种稳定的时空有序结构。它出现于多粒子、多层次、多组分的开放系统的远离平衡态，是由原来的混沌、无序结构靠外界不断供应能量和物质，通过量变到质变的突变而形成的。这种结构便称之为“耗散结构”。自耗散结构理论问世以来，引起了各学科理论工作者的广泛注意，并应用于研究化学、医学、社会学、经济现象等，已经取得了许多突破性的进展。但从根本上来说，耗散结构理论只是对熵的研究历程中的一个里程碑，远远不是尽头。 新近在生命科学领域国内又兴起了一股研究信息熵[4-6]、近似熵[7-10]的热潮；亦有多人将熵的概念应用到中医理论研究中[11]，，前景亦不容小视。 生命系统之所以能维持自身的有序，就是因为它有新陈代谢，有自由能的驱动。在势力学上，与无序相对抗的自由能和信息都称为负熵[3]，所以薛定谔曾经说过“生命以负熵为生”——谁如果要是不相信薛定谔的这句话，那么他可以切断对自己生命体的负熵流的供应来体会一下，四天（象我一样体质差的用不了四天）不吃饭，就能体味到“生命以熵为生”的真理。 熵，一个生命的度量尺；熵，一把研究生命的利器；熵，开启人们认识生命之门的钥匙。尽管作为一个药学专业的学生，这不在我的专业范围之内，但我将始终关注熵的研究，但愿人类从本质上认识熵、认识生命的那天尽早到来。 , 参考文献： [1]Mirzoian EN. N. A. Umov's physicomechanical model of living matter (on the 150th anniversary of his [2]Zeyer A. Salutogenesis and pathogenesis--a paradigm change from the perspectives of modern physics. [3]林传利. 熵与生物学. 重庆师范学院学报·自然科学版. 1998,15(4):70-73. [4]宦飞,王志中,郑崇勋. 睡眠EEG的多尺度信息熵分析. 北京生物医学工程. 2001,20(1):6-8. [5]俞航,洪洋,曲直,刘力. 信息熵的积分项不宜用作为描述信息源的量度指标. 中国医学物理学杂志. [6]张岱,金宝荣. 信息熵在现代生物医学中的应用. 数理医药学杂志. 2001,14(1):74-75. [7]黄华品,郑安,刘楠,叶钦勇,肖迎春,庄晓芸,江芳. 血管性痴呆脑电图近似熵的评估作用研究. 现代康复. [8]黄华品,陈清棠,郑安. 健康人不同生理状态下的脑电近似熵的观测. 中国应用生理学杂志. 2000,16(4): [9]古华光,任维,刘钢,沈羡云,孟京瑞. 近似熵及其在心率变异分析中的应用. 航天医学与医学工程. [10]张辉,杨明静,葛霁光. 动态心电图中R波峰序列的Lyapunov指数谱. 中国生物医学工程学报. [11]刘可勋. 中医阴阳理论中的人体熵变思想及其方法学意义. 中国中医基础医学杂志. 2000, 6(1,S:S): |
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