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耗散结构理论、协同理论与蛋白质摄入研究 http://journal./html/qikan/yx/slyyxzz/20086213/cgyy/20080702084017340_395021.html 摘要 阐述耗散结构理论、协同理论的主要思想，分析了两论对系统的重大意义，并首次从营养学的角度，通过对蛋白质摄入的氮平衡状态解释了耗散结构的熵和负熵，以及用机体摄入蛋白质的生理机制再现了协同理论，从而获得了对科学研究的启示。 关键词 耗散结构理论； 协同理论； 蛋白质 一 耗散结构理论与协同理论的提出 1969年，比利时布鲁塞尔学派的领导人普利高津教授针对非平衡热力学和统计物理学的发展提出了一种新理论耗散结构理论：一个远离平衡的开放系统，在外界条件变化过渡到一定程度，系统内部某个参量变化过渡到一个临界值时，经过涨落系统可能发生突变，即非平衡相变，那么，该系统将会由原来的混乱无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。其中，熵是系统无序性的量度：熵产生即熵增加，系统无序化；负熵流即熵减少，系统有序化。 两年后，哈肯从研究激光这种典型的系统自组织现象出发，创立了普遍适用的系统从无序向有序演化的理论协同论。在协同论中，哈肯认为事物的演化受序参量的控制，演化的最终结构和有序程度决定于序参量。 协同论同耗散结构一样，研究对象都是开放系统，其中，耗散结构研究一个处于远离平衡状态的开放系统，如何在一定条件下从无序向有序演化的规律；而协同论在此基础上更向前推进了一步，它研究一类有许多子系统构成的系统（子系统可以截然不同），研究这些子系统如何协作而形成宏观尺度上的空间结构、时间结构或功能结构，还特别研究这种有序结构是如何通过自组织的方式形成的。 近年来这两个系统科学的新的理论方法的发现和成就，已引起了全世界的关注，它突破了传统的热力学定律和还原论方法，已为进一步研究开放的复杂系统的发展及演化，提供了有力的工具。 二 耗散结构、协同理论对系统的意义 世界是物质的，物质世界是成系统的。系统整体是按照固有的规律在运动和发展的。当代新的科学成果和重要的新理论都证实了这一点，并且人们在实践中不断获得对这些规律的认识。 那么“耗散结构理论”到底为我们解决了什么问题呢？ 自然科学研究的对象有三个领域：一个是至小无内的基本粒子领域；一个是至大无外的天体宇宙；一个就是我们人类生活的，介乎两者之间的物质世界。在这个世界里，随时随地都在发生着十分复杂的变化。 长期以来，人类搞清了许多复杂的自然现象，但对人体本身的变化却一直迷惑不解：人体从细胞到胚胎，通过不断提取营养（大都是无序的小分子）变成了大分子有序的蛋白质，这是一个从无序到有序的过程，应用以往的定律应该如何解释？食物中杂乱无序的小分子物质是怎样构成了耳朵、鼻子、眼睛、四肢等高度对称的、结构上有序的、思维有序的、功能有序的人体呢？ 这一科学之谜终于被普利高津揭开了。耗散结构理论提示，不仅一个活的人体、动物体、植物体是耗散结构，就是一个社会系统，如一个城市、一个工厂也可是一种远离平衡的耗散结构。也就是说，远离平衡态的非平衡系统可以是生物的、物理的、化学的，也可以是社会的。因此，耗散结构理论已经在化学、生物、激光等方面得到了广泛的应用，就其在自然科学和社会科学系统论方面的意义讲，是无可估量的。 同时，客观世界存在着各种各样的系统：社会的或自然界的，有生命或无生命的，宏观的或微观的系统等等，这些看起来完全不同的系统，却都具有深刻的相似性。协同论正是研究不同事物共同特征及其协同机理的新兴学科。 协同论认为，千差万别的系统，尽管其属性不同，但在整个环境中，各个系统间存在着相互影响而又相互合作的关系。应用协同论方法，可以把已经取得的研究成果，类比拓宽于其他学科，为探索未知领域提供有效的手段，还可以用于找出影响系统变化的控制因素，进而发挥系统内子系统间的协同作用。由于协同论把它的研究领域扩展到许多学科，并且试图对似乎完全不同的学科之间增进相互了解和相互促进，无疑，协同论就成为软科学研究的重要工具和方法。 因此，把产生于物理学的“耗散理论”应用于其他学科的各种系统中，实际上就是“协同论”的运用。因为各种系统都在探讨一个相似的问题：怎样让远离平衡态的系统获取外界的负熵，从而和内部子系统共同协同作用，以达到有序？ 三 人（系统）的蛋白质摄入研究与耗散结构理论、协同理论 按照耗散结构理论的基本内容，复杂系统必须是开放系统，复杂系统要远离平衡点，必须不断从外环境得到物质和能量（负熵）的补充，复杂系统中要有子系统间的非线性相互作用（包括相干性和非连续性）。因此，我们可以把人看成是一个耗散结构，食物就是人的负熵，通过从食物中摄取的营养物质在体内的消化、吸收机制共同作用，使人保持正常的生理状态。同时，人体这个复杂的系统，在消化、吸收的过程中体现了不同子系统之间的协同作用。 作为一切生命活动重要的物质基础蛋白质，其在体内的氮平衡再现了人体这个耗散结构的熵和负熵概念。 机体每天由于皮肤、毛发和粘膜的脱落，妇女月经期的失血等，以及肠道菌体死亡排出，损失约20克以上的蛋白质，这种氮排出是机体不可避免的氮消耗，在营养学上成为必要的氮损失（熵）。当机体每天的蛋白质摄入量（负熵流）＜必要的氮损失量（熵流）时，机体处于负氮平衡（无序），这时使人体处于严重的疾病状态，如腹部水肿、虚弱、表情淡漠、生长滞缓、头发变色、变脆和易脱落、易感染其他疾病等；当机体每天的蛋白质摄入量（负熵流）＞必要的氮损失量（熵流）时，机体处于正氮平衡（有序），这时从食物中摄入的蛋白质参与人体任何组织和器官的组成，构成体内各种重要物质： 酶催化体内一切物质的分解和合成； 激素使内环境能够稳定并调节着许多的生理过程； 抗体可以抵御外来微生物及其它有害物质的入侵； 细胞膜和血液中的蛋白质担负着各类物质的运输和交换； 体液内那些可溶性且可离解为阴、阳离子的蛋白质，使体液的渗透压和酸碱度得以稳定。 此外，血液的凝固、视觉的形成、人体的运动等，无一不与蛋白质有关。 机体的蛋白质氮平衡状态体现了耗散结构的熵和负熵的关系，那么机体怎样从无序（熵＞负熵，序参量减少）走向有序（负熵＞熵，序参量增加）呢？这就需要从食物中不断摄取蛋白质，并通过机体内部的多个子系统共同的协同作用。 首先，因唾液中无水解蛋白质的酶，蛋白质消化从胃开始。胃中的胃酸先使蛋白质变性，破坏其空间结构以利酶发挥作用。同时，胃酸可激活为蛋白酶分解蛋白质。 然而蛋白质消化的主要场所在小肠，由胰腺分泌的胰蛋白酶和糜蛋白酶使蛋白质在小肠中被分解为氨基酸和部分2肽和3肽，再被小肠粘膜细胞吸收。在小肠粘膜的刷状缘中的肽酶作用下，进入粘膜细胞中的2肽、3肽进一步分解为氨基酸单体。 被吸收的这些氨基酸通过粘膜细胞进入肝门静脉而被运送到肝脏和其它组织或器官被利用，从而为机体的生长、繁殖、更新和修补提供了重要的原料。 四 耗散结构理论、协同理论对科学研究的启示 通过对蛋白质摄入的研究，我们可以深刻理解耗散结构理论和协同理论，同时也给了我们对于科学研究的启示。不同学科仍然存在着相同的共性理论，因此为探索未知领域打开了科学研究的思路，促进了跨学科的科学研究发展。 |
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