用熱力學第二定律解釋生命生存發(fā)展

熵的本質(zhì)與生命體的生存發(fā)展班級：120223學號：12021067作者：徐偉嘉摘要：本文試圖從物理學的角度，從物質(zhì)能量流動的角度對人類生命現(xiàn)象給出一些解釋，通過熱力學第二定律與自組織、自成長的“增勢”過程到自衰落、自死亡的“熵增”演化過程，更全面的看待熵的本質(zhì)。從宏觀來看生命（正常死亡的生命）過程就是一個熵增的過程，始態(tài)是生命的產(chǎn)生，終態(tài)是生命的結(jié)束，這個過程是一個自發(fā)的、單向的不可逆過程，從而為生命現(xiàn)象找到了合理物理學解釋。關(guān)鍵字：炳熱力學第二定律生命一、為什么用熱力學第二定律和炳解釋生命過程：機械論與動力論之爭盡管生命科學，特別是與遺傳有關(guān)的分子生物學已取得了長足的進展，但是，在我們的理解中，生命現(xiàn)象與非生命的物理現(xiàn)象仍然有著巨大的差別。生命現(xiàn)象能否用物理規(guī)律給予解釋呢？在歷史上，關(guān)于生命的本質(zhì)，曾有過“機械論”和“活力論”之爭，甚至直到現(xiàn)在，這種爭論還在以某種方式延續(xù)著?！皺C械論”認為，生命現(xiàn)象，不管其多么復(fù)雜，最終都可以從物理學的角度給出解釋。只不過生命系統(tǒng)是一個超大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)，對生命現(xiàn)象的物理解釋是一個十分繁雜的事情。發(fā)生在生命體上的任何過程，生物的任何舉動，都是有原因的，都是由當時的外界條件和生物體以往的歷史唯一的確定，所有這些原因所產(chǎn)生的結(jié)果，都服從已知的物理規(guī)律。因此，“機械論”也是“決定論”。而這些物理規(guī)律，也就是決定那些非生命過程的物理規(guī)律。生命過程與非生命的過程，除了復(fù)雜程度不同外，無任何實質(zhì)性的差別。生命體就其本質(zhì)而言，就是一種復(fù)雜機械?；盍φ撜J為，生命體中有一種不能用現(xiàn)有的機械的物理規(guī)律給予解釋的神秘的活力。這兩種觀點由于相關(guān)學科的發(fā)展還不夠成熟，都沒有能對具體的生命現(xiàn)象給出具體的解釋，自從熱力學第二定律提出之后，人們才認識到，生命的“活力”可以用一個熵增過程來說明，至此，生命現(xiàn)象才真正與物理學聯(lián)系了起來，物理學也才真正找到了解釋生命現(xiàn)象的鑰匙。如果認為早期的“機械論”和“活力論”之爭是生命現(xiàn)象物理學解釋的第一階段，是哲學上的爭論階段，則用熵增過程來解釋生命現(xiàn)象，就可以看成是生命現(xiàn)象物理學解釋的第二個階段，是給出某種程度的實質(zhì)性解釋的階段。這也是我們用熱力學第二定律以及熵增解釋生命現(xiàn)象的原因。二、明確熵以及熱力學第二定律的概念：熵的問題最早是19世紀60年代德國物理學家克勞修斯(Clausius)作為熱力學研究中的概念提出來的。1867年，克勞修斯在法蘭克福舉行的第41屆德國自然科學家和醫(yī)生代表大會上，提出熵的概念和宇宙的熱寂說，引起了科學界乃至歐洲社會各階層人士的極大關(guān)注。熵用來表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度，能量分布得越均勻，熵就越大。一個體系的能量完全均勻分布時，這個系統(tǒng)的熵就達到最大值。在克勞修斯看來，在一個系統(tǒng)中，如果聽任它自然發(fā)展，那么，能量差總是傾向于消除的。讓一個熱物體同一個冷物體相接觸，熱就會以下面所說的方式流動：熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個物體達到相同的溫度為止?？藙谛匏乖谘芯靠ㄖZ熱機時，根據(jù)卡諾定理得出了對任意可逆循環(huán)過程都適用的一個公式：dS=dQ/T。這是熵的熱力學解釋，結(jié)合熱力學定律的以下描述：克勞修斯表述：不能把熱從低溫物體傳給高溫物體，而不引起其他的變化。開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全轉(zhuǎn)化成有用功，而不產(chǎn)生其他影響。微觀意義：一切自然宏觀過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。不難說明這樣一個問題：自然界的一切實際熱力學過程都是按一定方向進行的，是不可逆的，其逆過程是不能自動發(fā)生的。從熵的問題來解釋即自然界的一切自發(fā)性過程都是向著熵增大的方向進行的;換句話說，我們這個世界在不斷地變得更加“混亂”。自然界中的生命也是一種自發(fā)性過程，所以從出生到死亡，且這個過程不可逆，所以實質(zhì)上生命體進行了一個熵增的過程?？梢赃@么理解，生命體誕生之后，當生命體的熵增大到一定程度，生命體便會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的死亡變化。（這里的死亡均指正常死亡）那么我們發(fā)現(xiàn)其實各種生命活動都是可以用熱力學第二定律來解析的。三、熵與生命活動的聯(lián)系在生命自然演化的意義上，熵概念的本質(zhì)是生命系統(tǒng)（機體）創(chuàng)造機能下降，熵增的過程是生命系統(tǒng)自衰落自死亡的老化過程。如果我們以單一的生命體作為一個系統(tǒng)，那它是一個開放系統(tǒng)，與環(huán)境既有物質(zhì)交換，也有能量的流通；基于此，而生命體可以進行眾多的生命活動，而這又是為了攝取“負熵”一一或者認為是通過外界的能量來減少生命體本身的熵，就如同一個熱機與另外的熱庫進行熱交換使這個系統(tǒng)恢復(fù)到原始狀態(tài)。如果這么看似乎無法滿足熵增原理中條件“孤立系統(tǒng)”，但是，每個生命體都必須維持自己生命活動的穩(wěn)定性狀態(tài)，也就是生命學中的“穩(wěn)態(tài)”，而這個狀態(tài)則必然與整個環(huán)境相不同，因此當我們粗略的看待一個生態(tài)系統(tǒng)時，可以將這個生命體當作“孤立系統(tǒng)中的一份子”。從物質(zhì)能量流動的角度講，生命過程是一個物質(zhì)能量的傳輸和集中過程，物質(zhì)能量的集中就是生物的生長。當生物不再生長時，生物的生存過程就是純粹的物質(zhì)能量傳輸過程。從熱力學的角度講，生命過程可以認為是一個符合熱力學第二定律的區(qū)域性的自發(fā)的熵減過程，在包括生命體及其生存環(huán)境的總系統(tǒng)中，熵是增加的。熵減過程就是生物的生長過程。當熵減過程結(jié)束后，維持已有的負熵值的過程就是生物的生存過程。為了生產(chǎn)負熵，更為了維持已有的負熵值，系統(tǒng)必須始終存在一個熵增的物質(zhì)能量傳輸過程。新陳代謝過程中，除了包含有一個熵減的物質(zhì)能量集中過程外，還包含了一個使生物生長不違反第二定律的熵增的物質(zhì)能量的傳輸過程。顯然，只有當生命系統(tǒng)是一個與外界有物質(zhì)和能量交換的開放系統(tǒng)時，符合第二定律的熵減過程才有可能發(fā)生。下面我們簡單地通過生命體生存發(fā)展的幾個過程加以闡述：（一） 生從一個受精卵開始，生命體擁有了一個屬于自己的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)獨立于所生活的自然，而生命的一個必然進程就是“抵抗熵增”一一為了避免死亡而攝取“負熵”。（二） 老薛定諤在他著名的《生命是什么》一書中，認為生命體是“以負熵為生的”。生命體為了維持它的有序結(jié)構(gòu)，必須“吃進負熵”，耗散結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)始人普里高津也認為，系統(tǒng)的熵由系統(tǒng)自身不斷產(chǎn)生的正熵和外界流入系統(tǒng)的熵兩部分組成。因此，要維持一個有序的、具有負熵值的系統(tǒng)，則必須由外界不斷的向系統(tǒng)輸入負熵。正是指這個道理，衰老是一個長期的持續(xù)性的過程，為了對抗這個過程，吸取負熵是其途徑，不同的生命體吸取負熵的方法不同，對于綠色植物則通過光合作用來減少自身的熵，而對于動物（當然包括人類）來說，食物就是負熵，這就是我們需要不斷進食的原因所在。之所以食物是負熵，其實更準確的說法是將食物中的能量用于減少生命體自身的熵，類似于一個熱機與另外的熱庫進行熱交換使這個系統(tǒng)恢復(fù)到原始狀態(tài)這個過程。實際上，進食攝取能量進而回歸機體穩(wěn)態(tài)就是生命的主要意義。但是攝入負熵的能力會隨著時間而減弱，當人類攝入的負熵少到體內(nèi)的平衡受到破壞時，體內(nèi)的熵達到了一個限度時人的生命也就要終結(jié)了。而這之前“攝入負熵能力下降”的過程就是衰老。（三） 死生命的結(jié)局是什么？對于這個問題，很簡單，就是死亡，也可說是同化，塵歸塵，土歸土，將生命中的物質(zhì)，能量回歸系統(tǒng)，與系統(tǒng)同化，而物理學中指出，這種想對于獨立的混合具有更大的混亂度，其所擁有的熵也是最大的，這是整個系統(tǒng)遵循熱力學第二定律的必然結(jié)果，所以“死亡”、“同化”、“熵增”是必須的，不可違抗的，生命的活動是一個不可逆的過程，因為這個系統(tǒng)必須遵循熱力學中熵增的規(guī)律。四、總結(jié)我們把自然生命系統(tǒng)和工程熱力系統(tǒng)演化的熵稱為“機體熵”或“機能熵”，也可以稱為“系統(tǒng)熵”。這是真正意義上的熵，具有廣義生命演化意義上的熵，體現(xiàn)了生命系統(tǒng)衰落的過程。通過上述的討論，我們已經(jīng)感覺到，生命現(xiàn)象的物理學解釋，或者更具體的講，生命現(xiàn)象的熱力學解釋，生命現(xiàn)象的物質(zhì)能量流動解釋，已使我們可以在一定程度上理解和把握生命的本質(zhì)，顯然，上述的關(guān)于生命現(xiàn)象的物理解釋，才僅僅是一個開端，許多問題還沒有說明，本文試圖從物理學的角度、從物質(zhì)能量流動的角度對生命現(xiàn)象給出一些解釋。但就我目前所掌握的物理學方面的知識而言，還無法就上述所有問題給出