熵(生物学)

熵

生物学共3个含义

• 生物学
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研究热力学的熵量和生命演化之间的关系，大约开始于20世纪初。 1910年，美国史学家亨利·亚当斯(Henry Adams)印发给大学图书馆和历史学教授一本小册，A Letter to American Teachers of History，提出了依据热力学第二定律和熵原则的历史理论。由诺贝尔奖得主物理学家薛定谔，在1944年所撰的《生命是什么？》促进了这个主题的研究。他原来在该书中阐说，生物摄取负熵(negative entropy，有时也称为 negentropy)为食；但在后来改版中回应投诉，表示真正的来源是自由能。近代研究已经将这种讨论，限定来源是吉布斯能，因为地球的生物过程通常发生在恒定的温度和压力下，譬如大气中或在海洋底部，个别生物不能在短时间内跨越两处生存。

起源

1863年，鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)出版了他著名的回忆录《On the Concentration of Rays of Heat and Light, and on the Limits of its Action》，根据自己对熵与生命新创的概念，和威廉·汤姆逊(William Thomson)的，其中概述了初步的关系。在此基础上，首先臆测从热力学观点的演化，是奥地利物理学家玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)。

1875年，玻尔兹曼根据克劳修斯和开尔文的研究推导：

动物为了生存而努力争取的，并不是已经丰富供给的空气、水分、土壤 ；也不是在任何体内大量以热的形式存在的能量，他们为生存而争取的负熵是，由炽热的太阳传递到地球的能量所提供。

早期观点

1876年，美国土木工程师理查德·西尔斯·麦卡洛克()，在其热力学教科书《热的机械原理及其对蒸汽机的应用》中提及物质世界的规律后，指出“焦耳和卡诺的两个陈述建立在坚实基础上，是最普遍的命题；构成我们科目的基本定律。” 然后麦卡洛克继续表明，这两个定律可组合成单一的公式如下：

这里

= 熵

= 传递给一热力系统的热差量

=绝对温度

接着他表明这两个，即现在所称热力学第一和第二定律的应用范例不可胜数。然后指出：

当我们思考哪些与温度变化相关联的物理现象，如果有，那些是很明显热相关的，自然学科的分支大约都是根据重要的事实所考虑的。所以不到一个世代的短暂时空中，惊奇的热力学已知理论被采纳而普及，它已经彻底改变整体的物理科学。

麦卡洛克继续说明这些定律在实用程度上，“更有趣的例子”。第一个举例是生理学，其中他说“动物身体，和蒸汽机或火车头一样是实际的热机，而动物进食的行为正巧类似于其它热机燃烧燃料；两者的化学过程都相同，称为氧化。'然后他一并讨论了拉瓦泽对于消化、排泄和排汗循环的呼吸理论，随后以当时发现反驳拉瓦泽，根据新的热理论，例如内部热量是由摩擦产生的，其中麦卡洛克指出“身体的热量通常且均匀地扩散，而不是被集中在胸部”。然后他给了一个第二定律的例子，说明摩擦，特别在微小血管中一定会导致发热。毫无疑问地，动物体内的部分热量因此而产生。然后提问：“但是哪里的能量消耗造成摩擦，并须由本身负责？”

为解答这问题，他转向热力学理论，松散地概述心脏被他认定成“力泵”，收容血液并转送到身体各处，由威廉·哈维(William Harvey)所发现。“像引擎中活塞的作用，因此养分和排泄的循环，依赖心脏维持身体的或有机生命。” 这里麦卡洛克的说法可能是，以著名的卡诺循环来建造模型的部分。 以他的第一定律和第二定律论述如下总结：

所有的生命体受制于能量守恒定律，生理作用只能消耗食物产生的能量；而且动物机能的作功量，和相同食物能量可产生的功，到力竭尽之后的比较，必须产生更少热量，区别在于精确的热功当量。

负熵

而后在这个前提下，1944年著名的《生命是什么？》一书中，诺贝尔奖得主物理学家薛定谔建构的理论，与热力学第二定律所决定的总趋势，相反的，生命靠着摄取负熵来减少或保持它的熵。但在第6章，对负熵这个术语解释他的用法：

让我先说几句，如果我只顾及物理学家，那我应该把讨论转向以自由能来代替，它是在此文中更相似的观点。但这个专业术语字面上似乎很接近能量，使普通读者误会其间的差别。

这被认为是生命形式与其它物质组织的区分。依此说明，虽然生命的动态可以主张它违反热力学第二定律：孤立系统的熵增趋势，但在任何方式上它不会与这项定律冲突或使之无效，因为熵只增加或保持不变的原则，仅适用于一个绝热的封闭系统，也就是说没有热量可以进入或离开这系统。当系统能够和环境交换热或物质时，这个熵减少的系统和第二定律是完全兼容的。生命体系和第二定律反向，其组织增加的问题被称为薛定谔悖论。

1964年美国宇航局邀请一组科学家，为既定的太空任务制造一理论的生命搜索系统，应用于寻找火星生命，詹姆斯·拉夫洛克(James Lovelock)是其中一位。他思考这个问题“我们怎么可以肯定是火星生命，如果有的话，由对地球的生命形式检测而显示出来？”，亦即基本问题是：“生命是什么，应该怎样去识别出来？”他与一些喷气推进实验室的同事，谈到他怎样才能寻找火星生命的问题。而洛夫洛克回应说：

我想寻找一个熵减少的征兆，因为这是生命必须有的一般迹象。

因此依其所说，找到生命迹象，必须寻找一种“减少或熵的逆转”方式。