生命體系與“熵”

生命體系與"熵高文穎;劉義;屈松生【摘要】闡述了熵對(duì)生命體系進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換與交流所起的支柱性作用。運(yùn)用熵理論描述了生命體系在非平衡條件下的有序現(xiàn)象。從宏觀上描述了熵與病理學(xué)、遺傳學(xué)、藥物學(xué)、細(xì)胞學(xué)的關(guān)系；從微觀上闡述了熵與細(xì)胞惡變的聯(lián)系及其在抗癌機(jī)制中的應(yīng)用。闡明了熵理論在研究人類(lèi)的健康和治療各種疾病中舉足輕重的地位?！酒诳Q】《大學(xué)化學(xué)》【年(勤期】2002(017)005【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P24-28)【關(guān)鍵詞】生命體系；“熵”；生命科學(xué);病理學(xué);藥物學(xué);細(xì)胞學(xué);遺傳學(xué)【作者】高文穎;劉義;屈松生【作者單位】武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院武漢430072;武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院武漢430072;武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院武漢430072【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】Q613隨著社會(huì)發(fā)展步伐的不斷加快，能源短缺、食品不足和環(huán)境污染更加成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)于生命體系的運(yùn)行機(jī)理和規(guī)律的進(jìn)一步研究和探索具有必要性和重要性。熵理論從誕生到發(fā)展擴(kuò)充過(guò)程中，逐漸展示了它的普遍意義，受到各界學(xué)者的關(guān)注。國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了聚焦此類(lèi)熱點(diǎn)問(wèn)題的文章。北京大學(xué)高盤(pán)良曾發(fā)表論文，點(diǎn)明了熵理論對(duì)現(xiàn)代科學(xué)的重要性及熵概念的應(yīng)用［1］。還有學(xué)者探討熱力學(xué)第二定律，同樣強(qiáng)調(diào)了熵理論在信息學(xué)中的應(yīng)用及耗散結(jié)構(gòu)和自組織現(xiàn)象［2］。在眾多探討性觀點(diǎn)中，有文章指出真實(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)特征是不可逆性，因此熵概念成為整個(gè)科學(xué)的〃第一法則”，并認(rèn)為熵理論的提出最早預(yù)言了生存環(huán)境的潛在威脅，提醒人們保護(hù)生存環(huán)境的重要性［3］。在此基礎(chǔ)上，信息熵的引入不僅解決了信息的定量描述問(wèn)題，而且為熵概念的進(jìn)一步泛化奠定了基礎(chǔ)。熵在生命科學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)歷了一個(gè)由定性到定量，由簡(jiǎn)單到深入的過(guò)程。本文就此問(wèn)題作簡(jiǎn)要論述。1熵理論的宏觀意義及其與生命體系的關(guān)系生物體最基本的特征之一是物質(zhì)代謝，伴隨著物質(zhì)代謝所發(fā)生的一系列能量轉(zhuǎn)變即能量代謝，是生物體基本特征的另一方面。生物系統(tǒng)不斷地從周?chē)h(huán)境中攝取物質(zhì)，經(jīng)一系列生化反應(yīng)合成、轉(zhuǎn)變成自身需要的組分，又將原有的組分通過(guò)一系列生化反應(yīng)變?yōu)閺U料，排出體外，并伴有能量變化。熵作為一種狀態(tài)函數(shù)，其改變值可正可負(fù)，所謂負(fù)熵是指生命通過(guò)各種能量交換傳遞使體內(nèi)或局部熵減小。根據(jù)不可逆過(guò)程熱力學(xué)，作為開(kāi)放系統(tǒng)的生命體內(nèi)元過(guò)程熵變可寫(xiě)作：dS=deS+diS，其中deS表示生命體通過(guò)代謝活動(dòng)(與外界交換能量、物質(zhì)和信息)由外界引入的凈熵，其值可正可負(fù)；diS表示生命體內(nèi)部的熵產(chǎn)生，是由生命體內(nèi)部各種不可逆過(guò)程引起的，其值恒為正。生命活動(dòng)正常與否可由dS=deS+diS進(jìn)行討論，包括以下3種情況：(1)若dS/dt>0，即diS/dt>-deS/dt，這時(shí)生命體所引入的負(fù)熵流不足以抵消內(nèi)部的熵產(chǎn)生，熵變?yōu)檎?，此時(shí)生命體將面臨消亡。(2)若dS/dt=0，即diS/dt=-deS/dt，此時(shí)系統(tǒng)由夕卜界吸取的負(fù)熵流抵消了內(nèi)部熵產(chǎn)生，于是生命體處于正常穩(wěn)態(tài)。⑶若dS/dt<0，即diS/dt<-deS/dt,則系統(tǒng)由外界吸取的負(fù)熵流足夠大，從而使生命體變得更有序而充滿活力，生命體將進(jìn)行和發(fā)展［4］。熵不僅僅是熱力學(xué)中的一個(gè)重要函數(shù)，還可以運(yùn)用于許多領(lǐng)域。生命是自然界中無(wú)生命物質(zhì)經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)物理和化學(xué)過(guò)程長(zhǎng)期演變進(jìn)化的結(jié)果，它的基礎(chǔ)是物理變化和化學(xué)變化，因此，物質(zhì)變化和能量代謝仍然服從熱力學(xué)的基本定律。但是生命現(xiàn)象是比化學(xué)運(yùn)動(dòng)更高一級(jí)的運(yùn)動(dòng)，從熱力學(xué)角度來(lái)看，生命是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，它通過(guò)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)而不斷增加內(nèi)部的有序程度。熱力學(xué)熵增原理，即AS孤立20自發(fā)趨向平衡，是自然界的現(xiàn)象(主要指無(wú)生命現(xiàn)象)普遍遵從的規(guī)律。孤立體系自發(fā)變化是向著混亂程度最大的方向進(jìn)行，即向熵增的方向演變，從有序趨向無(wú)序。但生命機(jī)體內(nèi)部維持著高度的有序性，生物進(jìn)化是由單細(xì)胞向多細(xì)胞生物體方向演化，在生物體系為數(shù)眾多嚴(yán)格受控的反應(yīng)中，反應(yīng)物是通過(guò)自組織作用而有序化的。生物體的自組織過(guò)程是從無(wú)序趨向有序，以完成其生長(zhǎng)發(fā)育等過(guò)程。然而生物系統(tǒng)是—個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開(kāi)放系統(tǒng)，一般生物體攝取能量總大于或等于散發(fā)掉的能量，即生物體的能量變化一定有Q20,因此生命體的熵變AS=Q/T>0。因?yàn)榫S持體內(nèi)代謝需要消耗掉一部分能量，而且還要向環(huán)境散熱，這樣AS<0［5］。有人認(rèn)為生物是一個(gè)恒溫體，作為一個(gè)等溫過(guò)程，不能應(yīng)用AS=Q/T公式,而應(yīng)該用自由能公式G=H-TS或F=U-TS。其實(shí)，普利高津也曾指出此式不適用于生命系統(tǒng)，其根本原因在于生命系統(tǒng)雖然也存在熱現(xiàn)象，但是生命系統(tǒng)不是以熱運(yùn)動(dòng)為主要特征。因此，僅用熱力學(xué)特征量難以完全描述生命系統(tǒng)，熱力學(xué)熵也難以描述生命有序。1943年，薛定諤在都柏林三一學(xué)院所作的講演中首次利用熱力學(xué)和量子力學(xué)理論來(lái)解釋生命的本質(zhì)，提出了負(fù)熵的概念。他指出：一個(gè)生命有機(jī)體的熵是不可逆地增加的，并趨于接近最大值的危險(xiǎn)狀態(tài)，那就是死亡。生命體作為一個(gè)非平衡的開(kāi)放系統(tǒng)要擺脫死亡，從物理學(xué)的觀點(diǎn)看，惟一的辦法是從環(huán)境中不斷吸取負(fù)熵來(lái)抵消自身的熵增加，可見(jiàn)有機(jī)體是依賴負(fù)熵維生的。更確切地說(shuō)，新陳代謝的本質(zhì)是使有機(jī)體成功地消除當(dāng)自身活著的時(shí)候不得不產(chǎn)生的全部熵，從而使自身維持在一個(gè)穩(wěn)定而又較低熵的水平上。如果說(shuō)熵是無(wú)序性的量度，則可以認(rèn)為負(fù)熵是有序性的描述。因此生命體為了維持生命而不得不從外界吸取某種意義上的秩序。但是在夕卜界條件變化到某一特定閾值時(shí)，量變可能引起質(zhì)變，系統(tǒng)通過(guò)不斷地與外界交換能量和物質(zhì)，就可從原來(lái)的無(wú)序狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N時(shí)間、空間或功能上的有序狀態(tài)，這種非平衡態(tài)下新的有序結(jié)構(gòu)，稱為耗散結(jié)構(gòu)。所以，生物有機(jī)體為保持低熵的穩(wěn)定狀態(tài)就必須不斷地與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交流，吸進(jìn)負(fù)熵以維持生命。2熵理論在病理學(xué)中的應(yīng)用對(duì)于細(xì)胞的正常生存與病變過(guò)程也可以引入熵理論。隨著各門(mén)學(xué)科的飛速發(fā)展與相互滲透，對(duì)于核酸三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)及遺傳信息的研究，使人們得以從基因表達(dá)調(diào)控理論的角度去認(rèn)識(shí)和治療疾病。在醫(yī)學(xué)中，負(fù)熵對(duì)于癌癥的研究也有意義。腫瘤細(xì)胞在某種情況下，表現(xiàn)出基因過(guò)度擴(kuò)增、蛋白堆積、細(xì)胞無(wú)限增殖的無(wú)序狀態(tài)［5］。3熵理論在遺傳學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)代生物學(xué)研究表明，熵理論可應(yīng)用到遺傳學(xué)研究中，每種生命都具有儲(chǔ)存和處理信息的系統(tǒng)，以便它們?cè)诔砷L(zhǎng)與代代相傳過(guò)程中能準(zhǔn)確地復(fù)制自身，如果這種復(fù)制過(guò)程不準(zhǔn)確，這種生命系統(tǒng)就會(huì)消亡。研究表明，生物體中有些大分子例如核酸分子具有信息源的統(tǒng)計(jì)特征。遺傳信息存儲(chǔ)在脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)中，生命系統(tǒng)中處理遺傳信息機(jī)制的可靠程度與DNA分子組成方面的有序程度有關(guān)。這里可以用信息熵描述這種有序性。當(dāng)生命體內(nèi)某一部分細(xì)胞組織的熵突然增大致使其中的微觀有序受到破壞時(shí)，細(xì)胞中的DNA合成和蛋白質(zhì)合成則會(huì)出現(xiàn)偏差，新、舊蛋白質(zhì)間的信息傳遞也會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，而蛋白質(zhì)中的氨基酸的排列在空間構(gòu)型上的微小差錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)、核酸及酶功能出現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)性的差錯(cuò)。人們已通過(guò)計(jì)算信息熵來(lái)尋求DNA組成方面的有序程度，求出了60余種生物中標(biāo)志DNA組成有序程度的指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表明，脊椎動(dòng)物中的DNA指標(biāo)一般高于低等有機(jī)體，這與生物學(xué)的進(jìn)化觀點(diǎn)一致。DNA的連接數(shù)是拓?fù)鋵W(xué)特征，它決定著超螺旋的程度，然而大多數(shù)天然存在的DNA都是負(fù)的超螺旋。4熵理論在藥物學(xué)中的應(yīng)用DNA是許多抗腫瘤藥物的靶分子，這些藥物通過(guò)嵌入、溝槽等方式與癌細(xì)胞的DNA結(jié)合，抑制腫瘤細(xì)胞的分裂增生，最終使腫瘤細(xì)胞增生停滯，或使腫瘤細(xì)胞向正常細(xì)胞分化，或誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生程序性死亡，從而產(chǎn)生抗癌作用［4］。1971年Old等發(fā)現(xiàn)感染卡介菌(BCG)的小鼠注射脂多糖后可致腫瘤壞死，1975年Carswell等將引起腫瘤壞死的因子稱作腫瘤壞死因子(TNF)，1984年P(guān)ennica等獲得了人TNF2的cDNA克隆并在大腸桿菌中成功表述。在此基礎(chǔ)上人們對(duì)TNF的理論化性質(zhì)、生物活性及臨床應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究［6］。通過(guò)對(duì)TNF的核苷酸的置換，插入或刪除來(lái)定向改變基因的序列，從而使TNF增效，使細(xì)胞趨于有序的狀態(tài)。阿霉素(ADM)等抗腫瘤抗生素與DNA相互作用時(shí)，采用嵌入DNA堿基對(duì)的方式，破壞DNA的模板功能，阻止轉(zhuǎn)錄過(guò)程，在抑制DNA、RNA及蛋白質(zhì)合成的同時(shí)，也改變癌基因的結(jié)構(gòu)或影響癌基因的表達(dá)。惡性腫瘤是一種多基因參與的復(fù)雜疾病，從蛋白質(zhì)整體水平上研究惡性腫瘤有助于揭示惡性腫瘤特異性的標(biāo)志物及藥物治療的靶標(biāo)。ADM是以典型的嵌入方式與DNA相互結(jié)合的，由于ADM-DNA復(fù)合物比獨(dú)立DNA和ADM分子更有序，因此導(dǎo)致一定程度的熵減［7］，而使系統(tǒng)功能狀態(tài)變化方向趨于鞏固和激活，逐漸變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。5熵理論在細(xì)胞學(xué)中的應(yīng)用關(guān)于細(xì)胞衰老的原因曾有許多假說(shuō)，其中較為大家公認(rèn)的有兩種：一種是自由基理論，這是細(xì)胞衰老的隨機(jī)學(xué)說(shuō)(Stochastictheories)之一。自由基理論認(rèn)為，生物體氧化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一些高活性的化合物，它們是生物氧化過(guò)程的副產(chǎn)品或中間產(chǎn)物，這些物質(zhì)與細(xì)胞衰老直接相關(guān)，能致使細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變。自由基理論最初是由Harman于1956年提出的，此后的一系列實(shí)驗(yàn)雖然越來(lái)越支持該理論，然而它是否能真正解釋細(xì)胞衰變的原因，至今還不能確定。另一種是細(xì)胞的程序化死亡理論，屬于細(xì)胞衰老的程序化理論(programmedtheories)。細(xì)胞的程序化死亡(programmedcelldeath)是一種主動(dòng)的細(xì)胞代謝過(guò)程，大多數(shù)細(xì)胞在發(fā)育到一定階段后出現(xiàn)正常的自然死亡。細(xì)胞程序化死亡現(xiàn)象普遍存在于依賴激素的組織中，如肝細(xì)胞，皮膚等細(xì)胞［8］?？梢?jiàn)，這種現(xiàn)象也可看作是生命體系自身控制的一種“自組織”現(xiàn)象。6熵理論的微觀意義及其與細(xì)胞惡變和繁殖的聯(lián)系克勞修斯在研究卡諾定理的基礎(chǔ)上弓1入了熵的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而玻爾茲曼從微觀角度對(duì)熵加以詮注：發(fā)現(xiàn)狀態(tài)函數(shù)S與系統(tǒng)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)微觀態(tài)數(shù)目Q之間滿足線性關(guān)系。從概率統(tǒng)計(jì)的角度分析，最可幾分布十分占優(yōu)勢(shì)，所以把Qmax規(guī)定為系統(tǒng)的宏觀參數(shù)，為方便起見(jiàn)，采用InQmax，并寫(xiě)為：S=KlnQmax對(duì)于大量的粒子來(lái)說(shuō)，用Q所表征的狀態(tài)，與用Qmax所表征的狀態(tài)相比其可能性要小得多，但它仍然表示系統(tǒng)可能的物理狀態(tài)。相應(yīng)地，對(duì)這些可能狀態(tài)的熵可以定義為：S=KlnQ這就是著名的玻爾茲曼關(guān)系。式中K為玻爾茲曼常數(shù)［9］。因?yàn)橄到y(tǒng)微觀態(tài)數(shù)目與組成系統(tǒng)的微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的混亂程度成正比，因此熵是組成系統(tǒng)的微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)混亂程度大小的量度，這就是熵的微觀解釋。當(dāng)細(xì)胞惡變時(shí)，不再服從細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞分裂的調(diào)控機(jī)制的改變，即表現(xiàn)為自主性生長(zhǎng)。通常轉(zhuǎn)變?yōu)槟[瘤細(xì)胞是不可逆過(guò)程，它對(duì)子細(xì)胞進(jìn)行體細(xì)胞遺傳。腫瘤細(xì)胞的這種不可抑制的增生，可導(dǎo)致其他細(xì)胞發(fā)生改變，而且可以鉆到健康組織中去生長(zhǎng)［8］。當(dāng)每次細(xì)胞繁殖分裂時(shí)，細(xì)胞的數(shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)的方式膨脹。當(dāng)細(xì)胞增生時(shí)，微觀粒子數(shù)迅速增加，這顯然是體系從有序狀態(tài)向無(wú)序狀態(tài)快速轉(zhuǎn)化的過(guò)程，體系的熵值自然會(huì)升高。生物體自身可進(jìn)行DNA修復(fù)。例如胞嘧啶脫氨為尿嘧啶的情況，由于5-漠尿嘧啶為胸腺嘧啶的同系物，可代替胸腺嘧啶進(jìn)入DNA，但在復(fù)制時(shí)，常與胞嘧啶混淆不清，最終使腺嘌呤被鳥(niǎo)嘌呤所替換，從而改變了堿基順序。在一定程度上也可自發(fā)地進(jìn)行。如果這種差錯(cuò)未被糾正，便會(huì)引起遺傳信息的不穩(wěn)定性。近來(lái)發(fā)現(xiàn)一種特殊的修復(fù)酶，即尿嘧啶-DNA糖苷酶，它可以在已改變的DNA中，把尿嘧啶堿基水解除去。在DNA中，用胸腺嘧啶代替尿嘧啶堿基，有進(jìn)化上的優(yōu)越性。因?yàn)樾叵汆奏げ荒鼙荒蜞奏?DNA糖苷酶切掉，所以酶可針對(duì)突變部位進(jìn)行識(shí)別和修復(fù)，使遺傳信息保持完整。相對(duì)而言，當(dāng)這種突變發(fā)生時(shí)，機(jī)體有一種有效的機(jī)制，可把發(fā)生突變的基因片段切除掉，并對(duì)它進(jìn)行DNA修復(fù)，在一定程度上促使生物體趨于有序的穩(wěn)定狀態(tài)。7熵理論在抗癌機(jī)制中的應(yīng)用Kohler和Milstein證明，利用體細(xì)胞雜交法可獲得分泌抗體的雜交細(xì)胞系。由于應(yīng)用這一技術(shù)所獲得的抗體來(lái)源于單一的抗體生成細(xì)胞所形成的雜種細(xì)胞克隆，所以稱之為單克隆抗體。為了使操作過(guò)程比較準(zhǔn)確，應(yīng)該采用分子切割技術(shù)從組織中得到所需細(xì)胞。當(dāng)導(dǎo)入的抗體素抑制癌細(xì)胞的惡變，削弱它的增殖時(shí)，細(xì)胞本身的混亂程度將會(huì)減小，趨向于穩(wěn)定的低熵狀態(tài)。這就相當(dāng)于給體系內(nèi)部輸送了負(fù)熵，使體系趨于有序狀態(tài)。8熵與人的情緒人的情緒過(guò)激，如大喜、大怒、大哀、大樂(lè)，都不利于養(yǎng)生；從分子生物學(xué)的角度看，都是功能分子正常的有序結(jié)構(gòu)被部分破壞；從熵的角度看，是導(dǎo)致了該部分結(jié)構(gòu)的熵增加，還可能因其非線性相互作用，誘發(fā)其他組織的病變，形成生命之熵的反饋增長(zhǎng)。如果此時(shí)外界采取某種適當(dāng)?shù)姆绞?，比如藥物治療（表現(xiàn)為提供一種物質(zhì)負(fù)熵流），摯友的開(kāi)導(dǎo)（表現(xiàn)為提供信息負(fù)熵流），或改變環(huán)境并加以自身有意識(shí)的反?。ū憩F(xiàn)為對(duì)熵增的一種負(fù)反饋），均可以使情緒好轉(zhuǎn)，恢復(fù)低熵狀態(tài)。因此，從信息熵流的角度看，避免生命之熵突然增值