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1、熵生命演化的“时间之矢”摘 要：源自热力学的熵概念现已进入各个研究领域。对于生命系统，熵原理具有极其重要的意义。人的成长、发育、疾病与衰老，时时伴随着熵的增加。对熵增原理的不断研究，有利于我们对生命系统的深入理解，帮助我们了解疾病产生的原理和治疗方法。本文以熵为主线，探讨熵与生命系统的联系和熵在生命中的体现。关键词：熵；生命；疾病；衰老Entropy - The Time Vector of the Life Evolution Abstract: Derived from the thermodynamic concept, entropy now exists in many fields
2、.For the life system, entropy principle has very important significance. The growth, development, disease and aging, always come with the increase of entropy.The research of entropy may be helpful for us to further understand the life system, and help us to understand the disease and method of treat
3、ment. Based on entropy as the main line, this paper discusses the connection between entropy and life system and introduce the entropy in the reflection of life.Key words: entropy; life; disease; aging1.概述熵的概念最初源自热力学。1864年,在一本名为热之唯动说的书中首次提出熵这个物理量和新的态函数。该著作作者就是熵概念的鼻祖法国物理学家克劳修斯，同时，克劳修斯在卡诺工作的基础上，得出了著名的
4、克劳修斯不等式，即在一个任意的循环过程中有必要关系式：dQT0，式中dQ表示微元过程中系统从温度为T的热源中吸收的热量，等号适用于可逆循环，小于号适用于不可逆循环。熵增原理告诉我们，孤立系统的熵永不减少，即孤立系统的熵变化只是一种趋势，朝着熵增加的方向变化。一个孤立系统不管其初始状态如何，最终将演化为最无序，最混乱的状态。人从出生之日起就不断地与外界进行着物质和能量交换。人体经历着发育、分化、成长的阶段，生物系统也是由简单到复杂、由低等向高等进化。从这个方面来看，生命演练的过程也就是熵增加的过程。2.生命是什么生命系统神秘而复杂，穿过生命系统的能流蜿蜒曲折，生命过程是一个复杂的能量转化、吸收、
5、排放的过程。1944年奥地利著名理论物理学家、量子力学的创始人之一薛定谔在其名著生命是什么中提出负熵的概念，首次将生命与熵联系起来。他指出“一个生命有机体的熵是不可逆地增加的你活着可以说是增加正熵并趋于接近最大熵值的危险状态，那就是死亡了。要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境中不断汲取负熵，有机体是依赖负熵为生的。”1自然界中正在进行的每一件事件，都意味着它在其中进行的那部分世界的熵的增加。那到底什么是负熵物质？实际上自然界并没有负熵的物质，我们可以将负熵看着是系统有序性的度量，这样我们可将物质区分为高熵和低熵物质。生命物质的有序性要比无生命物质的高，因为生命物质具有明显的结构，其躯
6、体内部的组织井然有序。从生物学的角度看，生命的基本特征是新陈代谢；从熵的角度看新陈代谢实际上是生命体汲取低熵、排出高熵物质的过程。对于动物来说，生命攸关的低熵物质有两类：低熵高能的食物（如碳水化合物）和低熵低能的净液态水，排除的高熵物质是二氧化碳、水、尿、汗和其他排泄物。在这个过程中，生命物质汲取负熵，将有序集中于一身，而带来的是混乱而充斥于环境。 那么，低熵物质从何而来？碳水化合物在地球上来自绿色植物的光合作用，以葡萄糖为例，它在光合作用中产生的化学反应式为6CO2+6H2OC6H12O6(葡萄糖)+6O2这里的生成物葡萄糖是低熵的，它可满足有机体能量和负熵两方面的需求。而液态水并不携带化学
7、能供给有机体，但它具有较高的汽化热和对许多物质具有较高的溶解能力，他在增发或溶解了废物后变为高熵物质排出体外，带走大量的熵，光合作用在不停地创造着“负熵”，它们忠实地履行着“负熵制造厂”的职能。2植物在生长发育的过程中离不开阳光，光不仅是一种能量形式，比起热是更有序的能量，也是一负熵流。所以，在生命不断演变过程中，熵在“控制”和“指导”着演变方向。的当系统的总熵变小于零时，生命处在生长、发育的阶段，向着更加高级有序的结构迈进。当总熵变为零时，生命体将维持在一个稳定、成熟的状态，而总熵变大于零的标志则是疾病、衰老。正如玻耳兹曼所说：“生物为了生存而作的一般斗争既不是为了物质，也不是为了能量，而是
8、为了熵而斗争。 3.疾病、治疗的熵原理新陈代谢使得机体系统的总熵变小于零，从而生命机体处于协调、有序状态，以维持生命。如果生命系统出现短期或局部的熵积累过多，使得系统的熵变ds0，便出现了短期或局部的混乱、无序状态，这就会造成机体处于病态之中。下面以感冒为例分析病变过程中的熵变。我们知道，人在剧烈运动时，体内的新陈代谢加快，产生比正常情况下更多的废热(高熵物质)。如果这时突然受凉，则皮肤的毛孔收缩，阻止体内的热及汗的散发排出，使得体内的熵不能随之排出，造成体内熵积滞，大大超过正常水平，系统的无序程度增加而出现系统紊乱、功能失调，表现为发热畏寒、四肢无力等症状，这就是大家较为熟悉的感冒。3再如中
9、暑、内热、上火等都是由于体内熵增多、排熵不畅而引起的“熵病”。肿瘤在人体内的发生、扩散无疑是导致了人体混乱度的增大，熵值的增加。这点也证实了人体的代谢过程遵循熵增的原理。越恶性的肿瘤，使人体的混乱度的增加越快。4可见，肿瘤的发生改变了人体的熵平衡循环状态，加速了人体的熵增速率，由于人体熵增速率增加，所以机体的生命周期缩短，人体在短期内就达到了最大熵值负荷状态，即生命停止代谢。从上面两个例子分析，并根据熵变与疾病之间的关系可知，对疾病的治疗理论应该是通过增加负熵物质的汲取以抵消体内熵的增加或促进积熵的排出而消除积熵。体现在具体方法上常有：(1) 药物方法其原理是以药的有序结构调整人体系统的结构以
10、达到有序状态。服中药可以加速体内积熵的排出，服用西药(负熵物质)增加负熵以抵消体内熵的增加，最终达到系统的总熵不增加或减少，以生命系统恢复正常。(2) 饮食方面不吃油腻的食物，多吃一些易于消化的高能低熵食物。这是因为人体在ds0时，机体功能紊乱，消化功能差，吃油腻食物，不易消化，会产生更多的高熵废物，使体内积熵增加，病情加重，而吃易消化的高能低熵食物，有利于体内积熵的排出或抵消熵的增加，有利于恢复健康。比如多喝开水，吃高营养的流质清淡食物。(3) 加强锻炼通过汗液排出体内的积熵。从这个角度来看，我们积极锻炼身体其实是吸收负熵的过程，目的是获得强健的体魄。54.生命衰老的不可抗拒人的生命过程是不
11、可逆过程，衰老是不可抗拒的。从熵的角度来看，在人体从出生到死亡的过程中，熵增加的速率dSdt是不同的。婴儿的能量消耗率最高，儿童期逐渐下降，成年后期每十年大约减少2。6所以，在婴儿期，熵增加的速率最慢，因为人体从外部获得的能量除满足物质的代谢和向环境传递能量外，还有一部分能量用于个体的身体发育，骨骼生长等内部消耗，随着时间的增加，个体的发育日臻成熟，用于个体发育所需能量消耗逐渐减少，熵增加的速率逐渐增大，到老年期熵增加的速率最快，当熵达到最大值S时，则会出现热力学平衡态，即物理意义上的死亡。衰老可能是人体熵的长期、缓慢、不可抗拒的增加。当生命进行到一定阶段后，由于各种组织系统的“自然磨损”，便
12、出现了功能的衰退，使与外界交换物质而获得的负熵变小，而体内的熵产生成分却在不断地增加，于是便导致熵变的长期缓慢的增加。了解了衰老的熵原理后，我们如何放慢衰老的进程，延长寿命？对中老年人应注意饮食的结构。由于他们的机体组织功能已开始退化，对食物的利用和同化较以前大大降低，即负熵的增加受阻。如果不合理膳食，将会有大部分食物不能被消化、利用，积熵增加，从而使寿命受到影响。5.结语 “逝者如斯夫”，是我们对于时间和生命的感慨。生命体不断进行的生理活动不可逆地进行着，使得系统的熵增加；生命又具有抵御自身熵增加的能力，需要的能量正是由引起熵增加的生理活动、生化反应所提供。但是作为大自然铁的法则不可逆过程产
13、生的热量不可能全部转变为有用功使熵减少，系统的总熵最终仍然无可避免地增大。在这个熵增过程中，人成长、发育、生病、衰老、死亡。我相信，随着人们对熵理论应用于生命科学的研究不断深入，将给生命科学带来新的突破，给人类生命研究和疾病研究带来新的希望。参考文献：1刘广生， 李慧. 熵与生命的关系J, 开封教育学院学报，2005,25(4).期刊2 张玉军,物理化学, 化学工业出版社，2007.书籍3刘广生， 李慧. 熵与生命的关系J, 开封教育学院学报，2005,25(4).期刊4吴伟光. 熵与生命和肿瘤的关系J, 生命的化学，2001,21(6).期刊5刘广生， 李慧. 熵与生命的关系J, 开封教育学院学报，2005,25(4).期刊6赵明蕊， 张景亚等. 熵理论解释限制能量摄入与延长寿命的关系J, 河南职工医学院学报，2012,24(5).期刊
热学基础论文熵生命演化的时间之矢
