熵与生命的关系new

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1、万方数据第25卷第4期开封教育学院学报2005年12月20日型：垄堂：兰型堕蚴蜮唑垡型堂堕：垫；堂熵与生命的关系刘广生1，李慧2(1．河南大学物理与信息光电子学院；2．河南大学数学与信息科学学院，河南开封475001)摘要：以熵及熵变理论为基础，讨论了熵变与生命过程，熵变与疾病之间的定性关系，进一步阐明了疾病治疗方法的理论。关键词：熵；熵变；生命过程；熵病中图分类号：Q6文献标识码：A文章编号：1008—9640(2005)04—0065—02一、熵与熵变为了在一定条件下确定一个热力学过程进行的方向，1864年法国

2、物理学家克劳修斯在《热之唯动说》一书中，首次提出一个物理量和新的态函数——熵。克劳修斯在卡诺工作的基础上，得出了著名的克劳修斯不等式，即在一个任意的循环过程中有必】n要关系式：』等≤0，式中dQ表示微元过程中系统工从温度为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，由此定义出态函数——熵，其在两状态的差值为：1nAS=S。一S。=』：竿，其中A、B为系统的两个平衡态，／xS表示系统经过任意一个可逆过程后两态的Jn熵变。若系统经过一个微元过程，则有ds=等。借1用状态参数s，对于一个绝热过程或孤

3、立系统，则有J，、ds≥竿=0。此式指出，对于个绝热过程或孤立系1统，系统的熵永不减少，称为熵增加原理，它表明熵是一个在绝热过程或孤立系统中永不减少的态函数，它指明了宏观过程自发进行的方向——熵增加的方向。一切宏观态函数总是体系内部微观粒子某个性质的反映，熵亦具有明确的微观意义，1877年玻耳兹曼从现微观角度对熵做出了统计解释，首次提出了熵公式S=Idm，式中k为玻耳兹曼常数，Q是系统总的微观态数，即宏观出现的概率。Q越大，说明系统的微观粒子热运动的混乱程度越大，熵值也越大。因此，从微观意义上讲，熵是组成系统的微观

4、粒子无序性(混乱程度)大小的量度，系统越“乱”，熵就越大，系统越有序，熵就越小。1943年，薛定谔在《生命是什么》一书中首先提出了负熵的概念。他指出：“一个生命有机体的熵是不可逆地增加的——你或者可以说是增加正熵——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吸收负熵⋯⋯，有机体是依赖负熵为生的。”因为熵是系统无序性的量度，所以负熵便可看作是系统有序性的量度。实际上熵作为一种状态函数应依附于物质存在，亦无所谓正、负，而应是物质的一种属性，可区分为高熵物质和低熵物质

5、。所谓负熵是指生命体通过新陈代谢，汲取低熵物质排出高熵物质而使体内的熵减少。二、熵与生命过程普利高津(Prigo．ginc)在研究不违背热力学第二定律的情况下，如何阐明生命有机体自身的进化过程时提出了耗散结构的概念。耗散结构是指当体系处于非平衡时，通过体系与外界交换能量和物质而形成和维持的一种稳定化了的宏观体系结构。它突破了热力学定律只适用孤立系统的限制，将其运用到开放系统。一个正常的生命体现可视为一个处于非平衡的开放系统，即是一个耗散结构。作为开放系统的生命体内在远过程里熵的改变量可表示为ds=des+dis，其

6、中d；S为生命体内的所有不可逆过程(消化、吸收等过程)产生的熵变，其值恒大于或等于零；d。S为生命体与外界交换物质与能量而产生的*收稿日期；2005—04—22作者简介：刘广生(19r73一)，男(汉族)，河南开封人，河南大学物理与信息光电子学院助教。·65·万方数据熵变，亦称熵流，其值可正、可负、或为零。对于一个孤立系统其deS=0，则ds=dis≥0，这就是我们所说的熵增加原理。对于生命体这个开放系统，其doS≠0，若有生命体从外界获得负熵流(deS<0)，并且有获得的负熵流大于生命体内部产生的熵变，即ldeS

7、I>diS时，则有生命体的熵变ds<0，这时系统的熵是减少的，因而系统的有序性增加，这意味着生命从一定的有序结构上升到更高的有序结构，这就是生命体的发育、生长过程。如果在一定时期内，生命体自身内部产生的熵变(diS)和生命体与外界交换物质、能量而产生的负熵(d。s)恰好相等，那么系统的熵变ds=0，系统将维持一定的有序结构上，生命有机体便处在稳态、成熟的阶段。若生命体获得的负熵小于自身内部的熵产生(IdeSI0，生命体的熵是增加的，生命机体便生产疾病、退化、衰老。当生命体的熵累积到最大

8、时，整个生命机体呈现出高度无序性，处于高度混乱状态，这就是生命的终止——死亡。三、熵与疾病生命有机体不断与周围环境进行物质与能量的交换，通过新陈代谢从外界吸收低熵物质，并将其消耗以满足正常生命活动的需要，同时产生大量的高熵物质，(如二氧化碳、尿、汗等排泄物)，使得机体系统的总熵变小于零(ds<0)，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