生命系统与热力学第二定律

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1、2-4 生命系统与热力学第二定律生命系统是一种特殊的结构，在其内部及其与环境之间发生着不间断的物 质、能量和信息的交换，物质的传递和信息的传递都必然伴随着热量的传递。那 么，热物理中的热力学规律是否对生命系统也同样适用呢？或者对生命系统的研 究也能借助力学中的某些概念？一、 一、 薛定谔的思想和贡献1943 年 2 月著名的奥地利物理学家、波动力学创始人薛定谔在爱尔兰都柏 林三一学院作了一系列讲演并于 1944年整理出版了一本著作生命是什么。在 这本书中，他提出了三个著名的观点：(1) (1)生命是非平衡系统并以负熵为生。(2) (2)遗传物质是一种有机分子，遗传是以密码的形式通过染色体来传递

2、 的。(3) (3)生命体系中存在量子跃迁现象。因此，生命以量子规律为基础。DNA 的发现以及其它实验事实已证实了薛定谔的深刻洞察力和科学预见性。 这里我们仅对他的第一个观点作简单介绍。从统计物理学的观点来看，熵是系统中微观粒子无规则运动的混乱程度的量 度，系统内部的分子、原子运动越是混乱无序，熵的值就越大。一个孤立系统中 的不可逆过程总是自发从非平衡状态趋向平衡态，总是朝着混乱度增加的方向进 行的，即孤立系的熵永不减少，总是单调地增加至极大值。这就是物理学中著名 的“熵增加原理”。薛定谔认为，生命系统比如人，首先一定是一个开放的非平衡系统。熵的变 化是由两项之和组成：ds=d s+d sei

3、d s为系统由于不可逆过程而引起的熵增量，d s为系统与外界热量交换时产生的ie熵变换项。由上式可知， ds0 时，系统无序程序减小，有序程度增加，生命才 能自然有序地发展。因此，必须提供给系统以足够的负熵流，才能使系统得到一 个非平衡的有序结构。人不断地新陈代谢，不断地产生熵，为了不使生命趋于平 衡态，为了摆脱死亡，就必须不断地从环境中吸取“负熵”以避免熵的持续增长， 避免自己衰变。在“负熵”的驱动下，生命成为一种有规律、有秩序的运动。归 根结底，负熵的来源是太阳，由此可以估计地球上能养活的人口应有一个上限。薛定谔成功地将物理学的概念“熵”引入生命科学，并用它来解释生命现象。 在对生命现象的

4、认识中大胆地应用物理学思想并小心地求证，这种科学的研究方 法使人们对生命现象的认识更接近本质。薛定谔普里戈金二、 二、 普里戈金的耗散结构理论所谓耗散结构现象是热力学系统在远离平衡态区域自发出现的一种有序的 行为，这种自发形成宏观有序的现象称为自组织现象。本世纪70 年代，针对“热寂说”等错误观点，比利时物理学家和化学家普 里戈金提出了耗散结构理论，他认为一个系统在远离平衡的开放条件下，通过系 统内部的能量耗散过程，能产生和维持某种宏观的时空有序结构。这一理论强调 耗散过程并不总起着破坏有序的消极作用，在某些条件下，可以在建立有序方面 起积极作用。要形成耗散结构必须具备如下条件：(1) (1)

5、系统必须是开放的。通过开放才能借助外界环境力量以克服系统内部 的熵增趋势。(2) (2)远离平衡态。外界环境的能量流、物质流以及信息流的输入，驱使系 统越出非平衡线性区，到达远离平衡态的区域。(3) (3)非线性关系。构成系统的各种要素或子系统之间的相互作用是非线性 的，处于一种相干状态，又叫非线性反馈。(4) (4)有涨落，涨落导致有序。系统内部某种微小的涨落波动通过非线性反 馈机制被放大，导致系统整体某种有序状态的形成。在这个过程中，涨落成为一 种触发器。普里戈金认为生命系统之所以是一个具有自组织、自我调节控制能力的耗散 结构，正是因为它是开放的、非平衡的、各构成要素处于协同作用的相干状态， 具有非线性反馈机制并存在着导致有序化的涨落。生命系统正是在耗散能量的新 陈代谢过程中完成了生命的有序进程。普里戈金的这一理论在探索和解释各种生 命过程如生命起源、生物进化、胚胎发育、信息传递以及癌症发生和防治方面都 显示出越来越广阔的应用前景。