有关生命系统熵势函数的建立及应用 生命是熵减

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1、有关生命系统熵势函数的建立及应用 生命是熵减 摘 要：依据非平衡非线性系统理论的广义势函数，建立了可描述生命系统的熵势及其表示式，作为应用，分析了生命系统的相变和生命机体内部的熵力。 关键词：生命系统；熵势；非平衡相变；熵力中图分类号：Q111；文件标识码：A文章编号：1007-784701-0016-05自然界的实际系统千差万别，它们能够是物理系统、化学系统、生物系统等，它们在平衡态和近平衡态已归入一个广泛的统计热力学的理论体系这个理论的普遍性的一个主要原因是存在着广泛定义的势函数，如平衡系统的熵、自由能或线性非平衡系统的熵产生、超熵等等，生命系统是个远离平衡的非线性系统，非平衡理论告诉我们

2、，远离平衡的非线性系统中存在一个广义势函数这个势函数是个Lyapunov函数，满足Lvapunov稳定性准则，所以生命系统是个相对稳定的系统，本文依据非平衡系统理论的广义势函数，建立了能够描述生命演化的势函数熵势，经过对生命系统的分析，发觉有一个尖拐型突变函数恰好对应于熵势，并把它作为生命系统的特征函数加以应用，即用熵势来硕士命系统的相变特点和生命机体内部的作用力，得出了有意义的结论，为从整体上认识生命系统提供一个较科学的方法。1 生命系统的特征函数熵势生命系统是远离平衡的非线性系统，其熵势能够经过非平衡系统理论的广义势函数建立起来，非平衡系统既可用确定性演化方程描述也可用随机性演化方程描述，

3、下面首先从随机层次建立广义势函数，再推广到生命系统的熵势，并依据生命系统的特点寻求能描述生命进化的熵势表示式。非平衡系统的广义势函数非线性科学和统计物理的研究告诉我们，一个小的随机力不但仅对原有确实定性方程的结果产生微小的改变，它还能出乎意料的产生主要得多的影响，在一定的非线性条件下它能对系统演化起决定性作用，甚至根本改变宏观系统的命运，其次，这种无规的随机干扰并不总是对宏观秩序其消极破坏作用，在一定条件下它的相干运动可能在建立系统的“序”上起到十分主动的发明性作用。描述远离平衡的非线性复杂系统的这种随机性常见含多变量的郎之万方程，即中的首项不但在弱噪声情况下确定了FPE的定态性质，而且支配对

4、应确实定性系统的Lyapunov性质，称其为非平衡系统的广义势函数。生命系统熵势的建立爱因斯坦关系为：假如式从统计的角度描述一个非平衡系统的演化过程，那么对应的热力学方程为满足后，这种演化过程才停止，可见这一规律恰好符合生命的演化，当生命机体的熵势取最小值时，机体处于宏观上的稳定状态，这时机体的各项功效正常发挥，从热力学和统计学的角度证实熵势能够描述生命的演化。作为宏观系统的Lyapunov函数，在非平衡态中所起的作用和熵在平衡态中所起的作用完全相同，深入研究证实，和平衡态势函数亲密联络，假如连续的改变一些控制参数，使系统从非平衡态过渡到近平衡和平衡态，那么势函数就回到我们熟知的势函数如超熵、

5、熵等。生命系统的熵势表示式下面依据生命系统的演化特点给出生命系统的熵势函数并分析其生物学意义，为简单起见只讨论一维情形。从式能够看出熵势和概率密度之间存在一个相互制约的关系，就是熵势越小的状态对应的概率密度最大，那么是否存在一个详细的表示式来表征这种关系呢?我们知道对于任意一个系统，它处于稳定状态或势最小的可能性最大，不然它将失去存在演化的意义，而又因为随机涨落力的存在，其稳定态可能受到放大了的涨落力的影响而失去原来的稳定性，抵达另一个稳态但不论怎么演化，其最终将处于势的最小处，对应于状态出现概率最大的位置，因此依据生命系统的特点及其演化过程，在一个生命机体的一生中处于健康稳定状态的时间最长，

6、概率最大，那么此时它的熵势也应该最小，不过在生命系统的演化过程中也在出现偶然的突变现象，因为部分随机涨落力的影响，熵势可能出现两个或两个以上的极值，这时系统将面临选择，哪个稳态更有益于生存，它将选择那个稳态，这就是生命进化基于这么的定性分析，下面的势函数恰好能反应生命进化这一现象，于是我们能够把它作为生命系统的熵势来做详细分析其中x为描述机体健康状态的变量，为控制变量，为一常系数。那么依据式熵势曲线和对应的概率密度曲线能够绘制以下a)图对应于0，0，此时平衡位置是稳定的，概率曲线表明，在这一点机体所处的状态概率最大，健康情况良好，伴随偏离平衡位置距离的增加，概率减小，表现为机体的免疫力下降，处

7、于病疾状态，这时就应想措施诊疗使机体向稳态转化。b)图对应于0，此时原来的平衡位置失稳，变成不稳定平衡点，代之出现的是两个新的稳定的平衡点，对应的，处将成为机体非正常状态，它出现的机率也将减小，而在两个新的稳定态出现的机率增大，假如没有随机力，机体处于两个势谷的机率相等，但因为随机涨落力的存在，将促进机体向愈加利于生存的状态推进，能够说这是旧结构让在新结构，假如一个稳态代表一个有序结构，那么稳态的改变，加之随机力的作用，势必造成机体越来越有序。这里的状态变量能够是任何能反应生命机体演化的变量，如DNA的数量、机体的某种蛋白质含量、脑细胞的发育程度、机体内部某种激素的含量等等中的一个，假如是其中

8、的两种，那么方程将是二维的，其熵势和概率密度将是个极限环，即曲线绕纵轴旋转180度，一样可推广到多维情况。可见，这个势函数即使是通常尖拐型突变势函数，但它的演化特点恰好符合于生命系统，而且含有很主要的生物学意义，系统演化的结果就使系统稳定在某一特定状态或结构上，即新物种一旦形成，就会经过遗传作用使她的已经有特征、状态结构稳固下来，不会轻易改变，以保持物种的相对稳定性，不然系统就会不停从一个状态或结构跃变到另一个状态或结构，是新物种的长久存在变得不可能所以势谷的平缓和涨落的放大和势谷的加深和涨落的缩小，对于系统的演化或新结构、新物种的形成和发展有十分主要的作用这两个过程的相互交替、相辅相成使得生

9、物界的演化、进化成为可能，可见熵势越小，系统就越稳定，系统的总熵就越小，系统的自组织能力就越强比如人类，因为智能的发展，无时无刻不在和外界进行物质和能量的交换，最大程度地吸收负熵，从而使本身体内尽可能的保持熵最小、自组织能力最强本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文的状态，避免疾病，向着健康的方向发展。2 特征函数熵势的应用生命系统的非平衡相变分析非平衡相变是在远离平衡的系统中出现的某种物理量的突跳行为，大量事实证实，一系列的突变过程联络着系统的进化、序的产生、功效的形成等自组织现象，这类现象在物理、化学、生物等各个领域全部有主要意义，如生物结构中的DNA、细胞、组织的交

10、替、器官的转变等全部是非连续的改变，它们是从一个状态向另一个状态的转变，生命系统是一个远离平衡的复杂开放系统，非平衡相变理论能够刻划生命系统的个体发育和系统演化过程，它可能为生物进化提供新的解释和描述手段。势函数有决定系统演化性质的作用，是个特征函数，它的不一样形式也将决定系统有不一样的相变特点。生命系统的势函数取宏观上能实现的态就是出现机率最大的态，也就是势函数取极小值的态，则依据极值原理可见，当初曲线趋于平坦，出现I临界慢化现象这时假如没有涨落力的存在系统将处于平衡态，但恰恰相反，涨落力不但存在而且还被放大，伴随控制参数的改变，这个力不停促进系统离开原来的平衡态，在其它位置出现的几率增大，

11、可见随机力在生命发育和进化过程中起着特殊的决定性作用。生命机体内部的作用力分析由可知由势函数能够推导出系统的回复力，生命机体内部的非线性作用力表现为机体各部分结构之间的结构力，为和熵势对应这里将它定义为熵力，关键作用表现为系统本身对抗熵的增加，即即处于稳定态时，生命系统的熵力最小，系统的熵也最小，系统不需要对抗熵的增加，当系统一旦受到较大的干扰，熵就会增加，就可能离开稳态，熵力就会发挥其作用使系统得以恢复，可见，熵力是生命系统进化过程中的结构、状态保持相对稳定性的原动力。3 小结生命系统是个真正的自组织系统，和其它系统最本质的区分在于它的高度有序性，生命的存在是个不停进化的过程，一个生命机体在进化的同时，也维持了结构和状态的相对稳定性，经过对熵势的研究，我们对生命的高度有序现象有了更深入的认识，关键有以下两个主要结论。1)熵势反应生命的发育和进化，在这个势的作用下生命越来越有序。2)熵力是生命系统维持相对稳定性的原动力。需要说明的是本文只提供了一个方法，且对熵力在生命体内的详细作用过程需要深入的分析，鉴于生命系统的复杂性，对以上问题的研究现在还有点挑战性，需要生物数学、生物物理和生物化学的相互结合，期望经过本文的分析，能起到一个抛砖引玉的作用。注：本文中所包括到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文