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关于熵的生物意义

 动物丛林 2012-09-09
 


      热力学第二定律说道:在孤立热力学系统中,系统的熵永不减少。熵是用来表征系统混乱程度的物理量,因此这条定律实际上是在说,孤立系统的混乱程度永远是在增 加的,直到达到热平衡,系统的熵达到了极大值,系统状态将不再改变,归于沉寂。“落叶永离,覆水难收;欲死灰之复燃,艰乎其力;愿破镜之重圆,冀也无端; 人生易老,返老还童只是幻想;生米煮成熟饭,无可挽回。”
     
      从微观上说,熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度,系统越无序、越混乱,熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序,从概率较小的状态趋于概率较大的状态。熵是用以表示某些物质系统状态的一种量度或说明其可能出现的程度,或者说是描述一个孤立系统中物质的无序程度。今天劳动了一天,都是为了把东西分类归位放整齐:让家里的灰尘通过洒扫归还外界,让桌面上混在一起的东西各就各位,让衣服上沾染的污渍通过洗涤与织物分离,让书本笔记通过整理物以类,做这些工作的时候,我似乎看到熵就象一个阶梯,当不输入新的人工劳动时,它就自动地越变越高,当我们劳动输入能量后,才能把这个阶梯抚平,可是这样的劳动并不能有长久的效用,不久后它又自动地增,这样地周而复始,无休止地耗散主人体内的物理能和化学能。

      那么人促使世界有序化的劳动就是一种负熵,负熵是物质系统有序化、组织化、复杂化状态的一种量度。在自然科学家看来,人类的发展过程实际上就是有序化的增长过程,人类的一切生产与消费实际上就是“负熵”的创造与消耗;在社会科学家看来,人类的发展过程实际上就是本质力(即劳动能力或社会生产力)的增强过程,人类的一切生产与消费实际上就是“价值”的创造与消耗。不过,无论是自然科学家还是社会科学家,还未贸然承认“负熵就是价值,价值就是负熵”。1944年,著名的物理学家、量子力学的奠基人之一、诺贝尔奖获得者薛定锷(E.Schrodinger)写了《生命是什么?》一书,把负熵的概念应用到生物学问题中,提出了“生物赖负熵为生”(或译“生物以负熵为食”)的名言。

“生物赖负熵为生”,这多形象啊,无论是个体的人,还是整个人类都在与熵做着不断的抗争。许多人们把自已的窝打扫干净,清除了垃圾扔到窝外去;在公共场所把自己的座位擦干净,把灰尘掸到别人位置上去;把自己的东西洗干净,把污水排到大街上去,其实这是大家在抢夺负熵,而把熵转移给他人或外界。对于整个社会来说,市政不停地把混在一起的各种废旧物作为垃圾来分离,而许多东西在混在一起前,它们并不脏,并不是垃圾,比如旧酒瓶、旧衣物、旧家电、蔬果皮等等;不停地把污物从水里过滤和清除,可是这些东西不混在水里时,它们还是有用之物,比如泥土、食油、金属、化学剂等等。我们人类的许多生存活动,都是把本来清晰的世界混在一起,变乱变脏;而我们的许多劳动,又是为了把混乱的世界分析开来,清晰有序。

      不仅人类如此,大自然也如此,亿万年的进化使自然界形成了一套生态和环境自我修复的严整系统,腐败的植物或动物有微生物来分解和清除,还原成各种元素回归土壤,草木生长,又将土壤中的元素吸收,结合光合作用的能量将生存所需的各物质混合结成自己的生命体,植物被动物吃掉,物质又与动物体内其它的物质进一步化合。生物死了,又被分解还原入土地。在水域也一样,也有一套自我清洁、自我还原、循环往复的生态系统。

      物质在这样的过程中不停地流动、聚合和分离,能量不停地聚集和耗散,周而复始。许多生存的意义就在这个无意义的过程中产生。难怪佛家要看破红尘,人生是多么无奈啊,就象那推石上山的西西弗斯,日复一日耗费能量,逆地球引力而将巨石推上山,可是山顶并没有存放巨石的地方,巨石只能再次滚落,西西弗斯只能再次推石上山……

        强力意志就是生命的负熵意志,然而终究敌不过热力学第二定律的宿命。
 
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       在一个系统中,如果听任它自然发展,那么,能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触,热就会以下面所说的方式流动:热物体将冷却,冷物体将变热,直到两个物体达到相同的温度为止。如果把两个水库连接起来,并且其中一个水库的水平面高于另一个水库,那么,万有引力就会使一个水库的水面降低,而使另一个水面升高,直到两个水库的水面均等,而势能也取平为止。因此,克劳修斯说,自然界中的一个普遍规律是:能量密度的差异倾向于变成均等。换句话说,“熵将随着时间而增大”。
  
       熵是能量在空间分布均匀性的量度。能量分布不均匀性越大,能量做功效率越高, 只有当你所使用的那个特定系统中的能量密度参差不齐的时候,能量才能够转化为功,这时,能量倾向于从密度较高的地方流向密度较低的地方,直到一切都达到均匀为止。正是依靠能量的这种流动,你才能从能量得到功。熵值越小江河发源地的水位比较高,那里的水的势能也比河口的水的势能来得大。由于这个原因,水就沿着江河向下流入海洋。要不是下雨的话,大陆上所有的水就会全部流入海洋,而海平面将稍稍升高。总势能这时保持不变。但分布得比较均匀。正是在水往下流的时候,可以使水轮转动起来,因而水就能够做功。处在同一个水平面上的水是无法做功的,即使这些水是处在很高的高原上,因而具有异常高的势能,同样做不了功。在这里起决定性作用的是能量密度的差异和朝着均匀化方向的流动。熵是混乱和无序的度量。熵值越大,混乱无序的程度越大。我们这个宇宙是熵增的宇宙。
 
      热力学第二定律体现的就是这个特征。生命是高度的有序,智慧是高度的有序,在一个熵增的宇宙为什么会出现生命?会进化出智慧?(负熵)。热力学第二定律还揭示了:局部的有序是可能的,但必须以其他地方的更大无序为代价。人生存,就要能量,要食物,要以动植物的死亡(熵增)为代价。万物生长靠太阳。动植物的有序又是以太阳核反应的衰竭(熵增)或其他形式的熵增为代价的。人关在完全封闭的铅盒子里,无法以其他地方的熵增维持自己的负熵。在这个相对封闭的系统中,熵增的法则破坏了生命的有序。熵是时间的箭头,在这个宇宙中是不可逆的。熵与时间密切相关。如果时间停止“流动”,熵增也就无从谈起。“任何我们已知的物质能关住”的东西,不是别的,就是“时间”。低温关住的也是“时间”。生命是物质的有序“结构”。“结构”与具体的物质不是同一个层次的概念。就像大厦的建筑材料和大厦的式样不是同一个层次的概念一样。生物学已经证明,凡是上了岁数的人,身体中的原子,已经没有一个是刚出生时候的了。但是,你还是你,我还是我,生命还在延续。倒是死了的人,没有了新陈代谢,身体中的分子可以保留很长时间。意识是比生命更高层次的有序,可以在生命之间传递。说到这里,我想物质与意识的层次关系应该比较清楚了。

【1】无数自然现象,无不印证着熵增原理的正确性。然而,生命现象却似乎是个例外。生命是一种总是维持低熵的奇迹。一个生命,在它活着的时候,总是保持着一种高度有序的状态,各个器官各个细胞的运作井井有条。它并不会立即达到一种类 似热力学平衡的不再活动的状态,相反,生物能够主动“做某些事情”、运动以及不断与外界进行物质能量交换恰恰是生物区别于普通物体的一个重要因素。而一个 生命一旦死去,就会很快被熵增原理的强大威力给收服很快将趋于热平衡状态,变成一片死寂的一堆极其无序的物质。那么,究竟是什么原因使得生命看似违背了 普适的熵增原理呢?

         问题的根源就在于,热力学第二定律只是用于“孤立系统”,即与外界没有物质、能量交换的系统。而生命之所以能长时间维持自身处在低熵有序状态,其秘诀正是在于它与外界的物质能量交换,即新陈代谢。

     我们要搞清楚的是,新陈代谢的目的本质并不是交换物质。构成我们身体的原子,无非就是碳氢氧氮磷硫,和外界的普通原子没有什么区别,仅仅交换原子并不能给生命带来直接好处。

      更应该明确的是,新陈代谢的目的本质也不是交换能量。似乎很长一段时间里,人们一直把吃饭喝水看成是单纯的吸收能量,认为生命以能量为生,而且至今大部分没 有学过物理学的人也是这么看待的,人们满足于这样一种简单的理解。但是,“其实这非常荒唐,因为一个成年有机体所含的能量跟所含的物质一样,都是固定不变 的。既然体内一个卡路里跟体外一个卡路里的价值是一样的,那么,确实不能理解单纯的能量交换究竟有什么用处。”

【2】那么,新陈代谢的本质究竟是什么呢?到底是怎样一种物理过程使得生命得以维持低熵,避免死亡呢?其答案就是,从环境中不断地汲取负熵,生命以负熵为生。或者说新陈代谢的本质就是,从外界不断地汲取负熵,以抵消生命运作过程中不得不产生的熵增。

      负熵就是熵的对立,熵代表的是无序,而负熵表示的则是有序。汲取负熵,可以简单的理解为从外界吸收了物质或者能量之后,使系统的熵降低了,变得更加有序了。 因此,我们吃的东西必须本身非常有序,即食物必须低熵,所以我们动物只能吃生命。植物则有所不同,对于植物来说,最根本的负熵来自太阳的阳光。阳光是整个 地球上所有生物所汲取的负熵的根本来源。因此,我们以后不要只感谢太阳带给我们的无限能量,一定要在后面加上一句,感谢太阳带给我们的负熵~!与此同时, 我们的身体不断地向外界辐射红外线,这就是带走生命运作增加的熵的一种方式;另一种方式是排泄,显然排泄物的混乱程度是比我们的食物更高的。

       有人可能会问,钻石之类的晶体,它们的熵也是很低的,如果新陈代谢只是为了汲取负熵,为什么人们不能吃钻石为生呢?我们所能给出的回答是这样的,钻石确实是 处在一种低熵的状态,这点大家都承认。但是生物体本身的熵很低,要维持这样一种低熵状态本身一定是一件很难的事情,需要很复杂的机制才能做到这一点,所以 人们能吃的东西就不仅仅低熵就可以了,而是通过自然选择,仅仅只有某一小部分低熵的物体是可以被吸收利用的。真实自然选择的结果就是,钻石不能成为食物, 而肉、菜之类的东西就可以。但是我们也不能排除在科技高度发达的未来会存在某种机器人,单靠吃晶体就能活…

生命以负熵为生,也许,这就是生命的本质吧。

 
 
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       由于孤立系统内部的一切变化与外界无关,必然是绝热过程,所以熵增加原理也可表为:一个孤立系统的熵永远不会减少。它表明随着孤立系统由非平衡态趋于平衡态,其熵单调增大,当系统达到平衡态时,熵达到最大值。熵的变化和最大值确定了孤立系统过程进行的方向和限度,熵增加原理就是热力学第二定律。

       能量是物质运动的一种量度,形式多样,可以相互转换。某种形式的能量如内能越多表明可供转换的潜力越大。熵原文的字意是转变,描述内能与其他形式能量自发转换的方向和转换完成的程度。随着转换的进行,系统趋于平衡态,熵值越来越大,这表明虽然在此过程中能量总值不变,但可供利用或转换的能量却越来越少了。 内能 、 熵和热力学第一、第二定律使人们对与热运动相联系的能量转换过程的基本特征有了全面完整的认识。



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        信息论中的熵:信息的度量单位。信息论的创始人Shannon在其著作《通信的数学理论》中提出了建立在概率统计模型上的信息度量。他把信息定义为“用来消除不确定性的东西”。
 
       信息论中,熵可用作某事件不确定度的量度。信息量越大,体系结构越规则,功能越完善,熵就越小。利用熵的概念 ,可以从理论上研究信息的计量、传递 、变换 、存储。此外,熵在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域也都有一定的应用。
 
熵是系统失去信息多少的量度,信息量实质是负熵。
  熵是能量在空间分布均匀性的量度。
  熵是不可利用能(束缚能)多少的度量。
  熵产生是过程不可逆的量度。
  熵是系统失去信息多少的量度,信息量实质是负熵。 因不可逆过程而失去信息;另,获得信息,但不能自动须靠外界提供。


总体总结:生物体是不断同外界产生物质流、能量流和信息流的复杂系统。

 




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      在物理学中,玻尔兹曼说:“当能量被减少时,原子就呈现为一种更无序的状态。”熵是对无序的一种度量:那是一个意义深远的概念,该概念就来源于玻尔兹曼的新的解释。另人吃惊的是,可制作一种度量无序的方法,那就是特殊状态的概率——在次被定义为原子聚集方式的数量。他十分精确的表示为:

S=KlogW

       S是熵,它与给定状态的概率W的对数值成正比,K是比例常数,现在称为玻尔兹曼常数。
如果不是玻尔兹曼,我们的进步将会倒退几十年,也许一百年。

       他那不朽的公式S=KlogW刻在他的墓碑上。

      熵最早是热力学上的一个符号,表达的是某一系统内部热量平均化的程度。而后,这个概念被许多其他学科借用,引伸出更多的概念。但是不管在学科间如何变化,其表达的概念总是一个,就是,系统内部物质分布平均化程度。熵如今已经成为一个广义化的概念而非物理学独有的了。
  
       熵是一个物理概念,以日常语言来说,往往就是失序.但熵与常识中的失序有很大的不同热力学第二定律说的是,封闭系统的熵,总值无法降低.所谓封闭系统就是,就是质与能都无法自由进出的系统.





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●热力学系统与通讯系统

       离开冷源,无法传热和做功,冷源作用是提供信息,以控制热能转移的方向热力学传热过程中可以看作为一个通讯过程。

●热和功

(1)热量是不带有信息的能量形式—热传递,是不带信息的能量传递方式;

(2)功是一种有规则的形式,能量以功的形式传递可以受到控制管理—做功是带有信息的能量传递方式。

●以开尔文叙述为例:

      离开冷源,热量不可能自动的由高温物体变为对外做功。

第二定律信息论表述:任何自动进行的热力学过程总是损失信息的。即如果不从外界得到新的信息,那么对信息所进行的操作和变换不可能使信息量增加。

克氏表述:热自动从高到低,整个系统信息量降低(结构性、层次性降低),靠外界做功(提供信息),可加大温差,使层次性更鲜明,信息量增加 。


●束缚能和自由能

能量的传递和转化必须有信息的控制才能进行。如无温差的两物体虽有热能,但外界不对它做功即不提供信息,热传递不可能进行;有温差时,冷源向热源提供信息,达到热平衡时不再有可利用的信息,能量将无法传递。

束缚能因缺乏信息而无法传递和转化的能量

内能=自由能+束缚能


●可逆过程与不可逆过程
     可逆过程实质是不损失信息的过程,不可逆过程实质是损失信息的过程。





   热是质点不规则的随机运动,是一种未受控制的能量形式。而能量作功时则是一种有规则的形式,能量以功的形式传递可以受到控制和管理。可以说,热是不带有信息的能量形式,而功则是一种带有信息的能量传递形式。因此,当利用冷源通过热机而提供信息,以控制和管理热源的能量传递方向,就可以获得功。当功这种带有信息的能量传递形式受到噪扰时便更会损失信息而转化为热,例如摩擦这种不规则的机械运动形式就会产生“噪声”,使信息损失,因而使功转变为热。


热力学第二定律的信息论表述方式告诉我们,任何自动进行的热力学过程总是要损失信息的。


因此,功可以损失掉它所携带的全部信息而完全转变为热。而在不引起外界其他变化的条件下,热却不能全部转变为功,这是因为在没有外界提供附加信息的条件下,信息的损失无法得到补充的缘故。同样,电能、光能、化学能等等,都是带有信息的能量形式,它们都可以全部转变为热,但在外界不提供附加信息的条件下,热就无法全部转变成其他任何一种携带信息的能量形式。


  束缚能和自由能 :


    能量的传递和转化必须有信息的控制才能进行。例如两个温度相等的物体进行热力学的相互作用,当外界不时它们作功时,由于缺乏信息,热的传递不可能进行。但这两个物体都含有热能,这种由于缺乏信息而无法传递和转化的能量,便是束缚能。废热就是一种束缚能,除非另外向它提供信息,否则便无法利用。


  当二物体间存在温度差时,它们进行热力学的相互作用,就会产生单向性的热量传递。这是因为较冷的物体向较热的物体提供了信息,因而控制较热的物体的热量向较冷的物体转移。能够转移的热量部分便是“自由能”(exergie)。另一方面,较冷的物体本身也具有一定温度,具有内部的分子随机热运动,在与较热物体的相互作用过程中又不断受到较热物体的噪扰,因此它不可能提供完全的信息。当两物体达到温度相等的热平衡状态时,便不再有可以利用的信息,因此能量传递就无法再进行。这时的为0,只有“束缚能anengieanexergie)了。


  在热力学中,自由能  F=U-TS,式中U是总内能,由于热力学过程受分子热运动本身的噪扰而损失信息,也就是由于熵的存在,使得其中TS的部分无法进行传递和转化,TS这一项即束缚能。


可逆过程与不可逆过程 对于可逆过程,当其沿正方向进行后,又沿反方向进行而返回初态时,不引起周围环境的任何变化,能量传递或转化的能力毫无损失。因此,可逆过程实质上是不损失信息的过程。





 
 
 

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