熵与生命

摘要：熵增原理阐述了在封闭系统及与其相对应的环境所组成的孤立系统中，任何自发过程总是朝着使体系越来越混乱、越来越无序的方向演化。但对生命物质来说，其演化过程恰好与上述情况相反。这难道真的是一对矛盾吗？本文将对此进行简单的阐述。

一、熵的概念
1867年，德国物理学家克劳修斯(Clausius)在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生代表大会上，提出熵的概念和宇宙的热寂说，引起人们的极大关注，从此“什么是熵”在科学史上引起了广泛的讨论．爱因斯坦(Einstein)说：熵理论对于整个科学来说是第一法则。
所谓熵，是反映一个系统宏观态所具有的微观态数目或与热力学几率有关的物理量，它是系统无序性的量度。1865年克劳修斯在研究卡诺定理的基础上给出了克劳修斯不等式，从而引入了熵的数学表达式。

二、熵与生命过程
    达尔文的进化论认为，地球上的生物，随着环境的变迁，有一个由低级生命形态向高级生命形态逐渐进化的必然趋势，生物是由单细胞进化到多细胞的，从无序到有序的过程。但是这与克劳修斯提出的熵增加原理：任何过程总是朝着使体系越来越混乱、越来越无序的方向演化的理论岂不是矛盾吗？

    1943年，薛定谔(Schrodinger)在都柏林三一学院讲演中指出：“一个生命有机体的熵是不可逆地增加的，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熵来抵消自身的熵增加，有机体是依赖负熵为生的。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熵，从而使其自身维持在一个稳定而又很低的熵的水平上。”因为熵是无序性的量度，所以负熵是有序性的量度。

    普利高津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=ds_i+ds_e，其中ds_i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；ds_e为生命体与外界交换物质与能量而产生的熵变，亦称熵流，其值可正、可负、或为零。对于一个孤立系统其也ds_e=0，则ds=ds_i≥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dS_e≠0，若有生命体从外界获得负熵流(ds_e<0)，并且有获得的负熵流大于生命体内部产生的熵变，即 ∣ds_e ∣>∣ds_i∣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(ds_i)和生命体与外界交换物质、能量而产生的负熵(ds_e)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(∣ds_e ∣<∣ds_i∣)，则生命体的熵变ds>0，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、熵与生命研究意义
   熵与生命研究有着重大的意义。首先，解决了克劳修斯熵增原理和达尔文生物进化论久久难以逾越的鸿沟，解答了人们心中长达数十年的疑惑。也让两大理论得到了恰当的评价。其次为熵与生命关系的定量化打下基础，目前，生命过程与熵的研究还处于定性阶段， 一旦建立起定量关系， 其意义是非常重大的。根据马克思唯物辩证法的认识论“世上没有不可认识的事物只有尚为被认识的事物”。熵与生命关系的定量化一定能实现。到那时， 我们可以生产出“人体熵增测试仪”， 随时可以测定我们的健康状况， 了解我们处在生命过程的哪一阶段，预测我们的寿命有多长。到那时， 人类可以更好地把握自己， 把握世界，把握未来无机世界发展的过程。