基本介紹
- 中文名：生物熵
- 外文名：biological entropy
- 提出時間：1864年
- 提出者：法國物理學家克牢修斯
基本介紹,公式模擬,熵變分析,相關介紹,總結,
基本介紹
1864年法國物理學家克勞修斯提出了一個物理量和新函式——熵，熵是熱力學系統的態函式，在絕熱系統中熵變永遠不會為負。統計物理學研究表明,熵就是混亂度的量度。20 世紀60 年代,比利時普利高津提出了耗散結構理論（把那些在非平衡和開放條件下通過體系內部耗散能量的不可逆過程產生和維持的時-空有序結構稱為耗散結構）,將熵推廣到了與外界有能量交換的非平衡態熱力學體系。熵的內涵不斷擴大,逐漸形成了熱力學熵,黑洞熵、信息熵等概念[1]。這種廣義熵的提出, 闡明了非平衡態與平衡態熱力學體系熵的本質是一致的,均受熵定律支配,從而也揭示了物理系統與生命系統的統一性[2]。
各生命體的生命活動過程是具有耗散結構特徵的、開放的非平衡系統, 生命現象也與熵有著密切關係, 生命體和一切無機物的一個根本區別是它具有高度有序性。根據這一特點用“熵”來描述生命是較為恰當的。引入廣義熵的概念來度量生命活動過程的質量, 稱為生物熵。本研究將耗散結構理論用於生命過程的研究,建立了生物熵隨年齡正常變化的巨觀數學模型, 用以描述生命過程的熵變。
公式模擬
一個無序的世界是不可能產生生命的，有生命的世界必然是有序的。生物進化是由單細胞向多細胞、從簡單到複雜、從低級向高級進化，也就是說向著更為有序、更為精確的方向進化，這是一個熵減的方向，與孤立系統向熵增大的方向恰好相反，可以說生物進化是熵變為負的過程，即負熵是在生命過程中產生的。但是生命體是"耗散結構"，耗散結構認為一個遠離平衡態的開放體系，通過與外界交換物質和能量，在一定條件下，可能從原來的無序狀態轉變為一種在時間、空間或功能上有序的狀態，這個新的有序結構是靠不斷耗散物質和能量來維持的。生命體通過不斷與外界交換物質、能量、信息和負熵，可使生命系統的總熵值減小,從而有序度不斷提高,生命體系才得以動態地發展。生物進化是個熵變為負的過程，即負熵是在生命過程中產生的。
一個系統由無序變為有序的自然現象稱為自組織現象。自組織現象可以通過下面過程說明：
① 蛋白質大分子鏈由幾十種類型的成千上萬個胺基酸分子按一定的規律排列起來組成。這種有組織的排列決不是隨機形成的，而是生命的自組織過程[4]。這表明生命體的有序自組織的形成與隨物質、能量和信息帶進生物體而引起的負熵有關。大的負熵狀態,必然有利於有序自組織的形成。而自組織有序度的提高, 也必然會導致生物熵的進一步減少。
②生命的成長過程是生命系統的熵變由負逐漸變化趨於0的過程，可以說隨著生命的成長，生物熵是由快速減少到逐漸減少的過程，這個過程中生物組織的總量增加，有序度增加，生物熵總量減少，所以熵增為負。
③衰老是生命系統的熵的一種長期的緩慢的增加，也就是說隨著生命的衰老，生命系統的混亂度增大，原因應該是生命自組織能力的下降造成負熵流的下降，生命系統的生物熵增加，直至極值而死亡，這是一個不可抗拒的自然規律[5]。
生命過程是一個開放的熱力學系統，熵變可以用一個耗散型結果進行描述。
dS=dSi+dSe
式中, dS為微熵即熵變,表示熱力學體系在某一狀態時的熵變；dSi 為系統內不可逆過程產生的熵,dSi ≥0；dSe 是開放系統與外界環境交換物質、能量產生的熵流,其符號可正可負。
根據生命過程可以建立一個簡單數學模型描述生命過程的熵變。
以S(t) 表示t 時刻的生物熵值,那么1/S dS/dt 表示t 時刻生物熵的相對生長率, 從巨觀上分析它套用由兩部分組成：一部分是由於生命體內部發生的不可逆過程所引起的熵增加f(t) >0 ； 另一部分是該生命體生命過程中自組織生成的熵流g(t)，所以
1/S dS/dt=f(t) + g(t)[6]
分析生命體的發育過程,我們知道由生命體內部發生的不可逆過程所引起的熵增流f(t) 總是先增加(生命體的出生到逐步成熟) 再減少(逐步衰老)[7]。生命過程中自組織生成的負熵流g(t) 也總是先增加(生命體的出生到逐步成熟) 再減少(逐步衰老)。根據生命活動的全過程可以等到dS的解為：
dS=S0b(1-e-dt)-S0a(1-e-ct)
對比公式： dS=dSi+dSe
其中：負熵dSe=-S0a(1-e-ct) ，熵增 dSi=S0b(1-e-dt)
a,b是嬰兒出生時的負熵、熵增係數，不考慮後天影響a,b應該是常量，起始時a ?b ；c、d分別是的時間變化係數，在生命過程中隨時間有小的變化，且有d ?c 。其中, S(0) = S0 表示生命體剛出生時的熵值,也就是模型的初值, 一般認為其值較大。
假定以35歲為平衡點，即dS=0，可以得到：在小於35歲區間，dS由負值（較大）先快後慢減為0；大於35歲區間，dS由0先慢後快增加為正值（較大）；只是後期dS增加過程較前期變化過程慢許多。
熵變分析
0歲左右~10歲左右，這是生命成長發育的過程，負熵大於熵增，這時，且從大到小變化。從公式可以看出嬰兒出生時的熵變為負熵且較大，促進嬰兒快速生長（生物組織的增加，有序的擴大）。在生命成長中熵增也在增加，並且比負熵增加的快，造成生命成長是從出生到長成過程中是逐漸變緩的，這與生命成長過程是相符合的。這個時期由於生命組織的快速正常發育，組織細胞大量增長，代表熵減的有序組織快速增加。由於生命組織的快速增加，伴隨生命活動的呼吸、新陳代謝等生理活動引發的熵增也必然增加。但總體來說，生物熵在快速下降中，熵變為負且有一定數值，生命在快速成長中。
10歲左右~20歲左右，這是生命基本長成的過程，負熵大於熵增，負熵與熵增從有一定差值到20歲左右接近相等，熵變為負，且逐漸接近零。到20歲左右，生命基本長成，這時負熵約等於熵增，熵變約等於零，生物熵進入低熵狀態，生命開始進入鞏固時期。這個時期由於生命組織的較快的正常發育，組織細胞繼續大量增長，代表熵減的有序組較快的增加。由於生命組織的增加，伴隨生命活動而引發的熵增也繼續增加。生物熵已經降下來了，熵變為負，從一定數值下降到約等於零，生命在繼續成長中。
20歲左右~35歲左右，這是生命的鞏固時期。負熵從約等於熵增到與熵增相等，熵變為微負，熵變從約等於零到等於零，生命處在一個熵比較低的平衡狀態中。這個時期負熵和熵增都處於比較大的平衡狀態，生命的各項指標也都在最佳狀態，生命處於旺盛階段，負熵流和熵增流都比較大。
35歲左右~50歲左右，這是生命的衰老的預備時期。負熵從與熵增相等到約等於和小於熵增，熵變為微正，從等於零到約等於零，生命仍處在一個熵比較低的平衡狀態中。生命處於旺盛階段，負熵流和熵增流都比較大，生命體徵同前一階段比較略有下降。
50歲左右以後，生命開始進入衰老時期。負熵略小於熵增，熵變為正，生命過程中的負熵和熵增都在減少中，但熵已經開始緩慢增加了。這個時期由於人體各項功能的下降，組織再造能力下降，人體組織中自由基等垃圾成分增加，組織的有序度開始下降，負熵流下降，熵增流也下降，但熵變是增加的。隨著時間的推移生物熵漸漸增大起來，有序度也漸漸降下來了。
相關介紹
環境、疾病、死亡與生物熵
負熵是人體生命過程中產生的，正常情況下有較高的負熵流，當生理功能由於某種原因失常，生命過程的負熵流將下降，生物熵的上升必然造成生命體許多不適與損害。通常而言，低熵態對應著比較有序的狀態，即體內有效能高轉化狀態[2]。
天氣變化與生物熵：正常情況下，由於生命已經適應了正常的氣候變化，所以正常的天氣變化對生命過程的負熵沒有影響，只有發生突變時，人體的正常生理調節功能無法適應變化造成負熵下降，生物熵上升，人容易生病或感到不適。
環境污染與負熵：環境污染必定造成生命組織的損害，結果使人體正常生理功能失常，負熵流下降，生物熵上升，人容易生病或感到不適。
一般疾病與生物熵：當生物體患病的時候,輸入生物體內的各種無序的物質在細胞和機體中堆積起來,細胞和肌體的新陳代謝能力減弱,不能將它們分解消除掉. 隨著時間的推移，負熵流下降, 生物熵上升，若得不到很好的改善,無序物的堆積就會越積越多, 生物熵增大，生命就越來越弱。
腫瘤與生物熵：熵增加原理也可以解釋腫瘤在人體內的發生、擴散。現代醫學研究表明，癌基因以原癌基因的形式存在於正常生物基因組內，沒被激活時，不會形成腫瘤。原癌基因是一個活化能位點，在外界環境的誘導下，細胞可能發生癌變，即腫瘤的形成是非自發的。非自發的過程是一個熵減的過程，也就是說腫瘤細胞的熵小於正常細胞的熵[8]。然而腫瘤細胞是在體內發生物質、能量交換的，人體這個體系就相當於腫瘤細胞的外部環境，正是由於腫瘤細胞的熵減小，導致了人體這個總體系熵增大。越惡性的腫瘤，熵值越小，與體系分化越明顯，使人體的熵增也相對越大，對生命的威脅越大[6]。
生命死亡與生物熵：理論上生物熵大到極值，生命過程就結束了。事實上絕大多數死亡人群都不是衰老至死的，而是在生物熵值較大時，由於疾病等意外原因使生物熵迅速增加到極值而死亡的。可以說生物熵值較大時，生命即進入一個危險時期，這也就是新生生命容易死亡的原因[9]。
總結
在生命系統中，負熵流是生命自組織過程中自主產生的，保持正常的負熵流是人體健康的保證。人衰老就是負熵流減少造成的，亞健康狀態也是負熵流減少的一種表現，維持正常的負熵流可以增加人的壽命。對生命熵的研究為我們提供了認識和研究生命過程的新思路和新方法。
