熵理论在生命科学中的应用

《熵理论在生命科学中的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、综述・爛理论在生命科学中的应用薛国良'丁学成I阮炜国2（I河北大学物理系，保定071002;2中国民航学院，天津300300）摘要以泛化后的炳概念为基础，从定性、半定量和定量角度对嫡理论在医学临床研究和遗传学屮的应用进行了综述。尖键词炳生命科学临床医学遗传学《中国图书资料分类法》分类号N02;0414.191嫡理论在生命科学中的应用背景爛函数的存在可溯源到热力学第二定律两种文字表述的等价性I,因为这种等价性表明了自然界屮的不可逆过程之间有某种内在联系：一个过程是否可逆，与过程的具体细节无关，只决定于系统始、末两态広性质。这启发人们寻找一个状态函数来判断一个过程是否可逆。出65年克

2、劳修斯在研究卡诺定理的基础上给出了克劳修斯不等式从而引入了爛的数学表达式。W77年，波尔兹曼从微观角度对嫡加以诠注：发现状态函数S与系统宏观状态所对应的系统微观态数目。之间满足线性关系S=klnQ,这就是著名的玻尔兹曼关系。式屮k为玻尔兹曼常数。因为系统微观态数目与纽成系统的微观粒子热运动的混乱程度成正比，因此爛是组成系统的微观粒子热运动混乱程度大小的量度,这就是爛的微观解释。在爛函数引入近百年之后，人们在研究通信问题时，遇到了量度从某信源发出的信号所含信息量大小的问题。由于信息量的大小与信号源信号的不确定性被消除的多少有关，而这种不确定性与爛的微观解释在思维方法上有类似的地方，

3、即信源的不确定与粒子运动的混乱程度是可以类比的，因此申农引入了信息爛H来描述这种不确定性彳：如果信源表示信息的信号有n种,其中第i种出现的几率为厂，则信息爛可写作nH=-TTp/lnp,（1）按照申农关于信息的定义，“信息是用以消除随机不确定性的东西”，因此可将接收某一信号所获得的信息量I定义为/=Ho-He式中凤为信源发出借号之前的借息癇，丹£表示发出信号后的信息爛。这就是说，信息量的大小可用信源的信息炳元减少值来描写。信息爛的引入不仅解决了信息的定量描述问题，而且为爛概念的进一步泛化奠定了基础。这是因为如果将信号源的概念扩展为一组随机事件的集合，则爛函数就可用來描述该随机事件

4、的集合（广义信源）的确定性'o在包括生命科学在内的自然科学乃至社会科学的各个领域，存在着大量的不同层次、不同类别的随机事件之集合，而每•一种集合都对应有相应的不确定性（或称为无序性、混乱度、无规律性等等），所有这些不确定性都可使用信息癇这个统一的概念来描述：即凡是导致事件集合的肯定性、组织性、法则性、有收稿日期:1998-11-13第一作者：男，1949年生,副教授增加和复杂的新结构的产生;而后者是有序趋于无序、非平衡趋于平衡的进化观念（或者说是一种“退化”观念）。于是形成了两种科学，两类文化，二者之间存在着巨大的鸿沟。这种鸿沟使得物理学家和生物学家以兀同的方法在各口领域进行探讨

5、而不敢越雷池半步。理论物理学家薛定谒为消除此鸿沟作了开创性的工作。1943年，薛定铐在都柏林三一学院所作的讲演中首次利用热力学和量子力学理论来解释生命的本质,捉出了负爛的概念“。在回答诸如“生命的特征是什么1块物质什么时候可以说是活看的”这类问题时，他指出：“一个生命有机体的炳是不可逆地增加的，并趋于接近最大值的危险状态，那就是死亡。生命体作为一个非平衡的开放系统要摆脱死亡，从物理学的观点看，唯一的办法就是从环境中不断汲取负爛來抵消自身的炳增加，有机体是赖负炳为生的。更确切地说，新陈代谢中本质的东西，乃是使有机体成功地消除当自身活着的时候不得不产生的全部的炳，从而使其自身维持在一

6、个稳定而又很低的爛的水平上。”因为炳是无序性的量度，所以负炳是有序性的量度，在此意义上说，牛命体维持牛命而从外界汲取的是“秩序”o薛定谒还指出，生命体要生存，在从环境汲取负爛的同时，还必须向体外排放多余的爛来维持平衡。但癇作为一种抽彖热力学系统的状态函数不可能以游离形式存在，而应是物质的一种属性，因此，为了排出爛，就得排出带有高爛的物质。实际上，因为爛作为一种状态函数无所谓正负,所谓负爛是指生命体通过吃、喝、呼吸等环节可使体内的嫡减少，因此他是在喻义的基础上引入的。他本人对负爛概念并未给出区别于爛的实质性的内容。而只是说成“取负号的爛”。尽管如此,薛定谓此举沟通了生物学与物理学对

7、进化观点的鸿沟，并吸引了相当一部分物理学家在40年之后转而研究生命科学,开创了生物学研究的新局面。3爛理论与疾病之关系的定性研究薛定铐之后，以爛理论为核心，利用物理学方法來研究生命的工作很多，其中最典型的是关于爛与疾病关系的探讨5O按照现代医学观点，处于健康状态的人体其爛通常都维持在恒定体温下的合成代谢与能量代谢相匹酝的水平上。当能量代谢过剩时，机体将产生过量的废热,若超出身体调节功能，则会偏离健康状态，废热或导致发烧，或在维持体温不变情况下以嫡的形式残存于体内，造成体内积爛进而