n07第二章生命典型的自组织耗散结构
耗散结构简介精品PPT课件
远离平衡态
• 远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。 • 平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀
(即可逆过程)的状态。 • 远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均
匀的状态。 • 耗散结构理论所给出的系统是一个高熵产的、
宏观上有序的状态。
非线性
• 系统产生耗散结构的内部动力学机制， 正是子系统间的非线性相互作用。
要将它们用物理学规律统一起来，必须抓住 孤立系统与开放系统的区别。
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• 耗散结构理论可概括为：一个①远离平衡态的 ②非线性的③开放的系统(不光是热力学系统， 还包括物理的、化学的、生物的乃至社会的、 经济的系统)
• 通过④不断地⑤与外界交换物质和能量，在系 统内部某个参量的变化达到一定的⑥阈值时， 通过⑦涨落，系统可能发生⑧突变（即非平衡 相变），由原来的混沌无序状态转变为一种在 时间上、空间上或功能上的有序状态。
流进的熵 — d Q
T1
流出的熵
d —
Q
T2
因为 T1 > T2 ， 所以
dQ dQ T1 T2
即流出的熵大于流进的熵 。
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若净流出的熵超过了系统内部的“熵产生”， 系统的熵就减少，系统就从无序有序。
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所以，大脑神经细胞的这种有组织的排列决 不是随机形成的。
树叶有规则的形状；
龟背的图案；
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2.自组织现象中的时间有序结构 ▲ 无生命界：
B - Z反应
苏，1958 贝鲁索夫（Belousov） 扎玻庭斯基（Zhabotinski）
溴酸氧化反应： 柠檬酸+丙二酸，铈（Ce）离子催化。
8
反
接 近 平 衡
• 这种在临界点附近控制参数的微小改变导 致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫 做突变。耗散结构的出现都是以突变方式 实现的。
生活中耗散结构的例子
生活中耗散结构的例子1. 车辆交通：在城市道路上，车辆的运动形成了一个耗散结构。
车辆在道路上移动，会受到交通信号灯、行驶规则和其他车辆的影响，形成了复杂的交通流。
交通流的形成和变化是非线性的，具有不可预测性和耗散性。
2. 人群行为：人群行为也是一个耗散结构的例子。
例如，在大型音乐会或体育比赛中，人们聚集在一起，形成一个庞大的人群。
人群中的个体相互作用，通过传递信息和影响他人的行为，形成了复杂的人群行为模式，如高潮、鼓掌、欢呼等。
3. 自然环境中的气候系统：气候系统是一个典型的耗散结构。
太阳能的输入、大气环流、地球表面的辐射平衡等因素相互作用，形成了复杂的气候变化。
气候系统具有自组织性和耗散性，表现为天气的不确定性和气候的长期变化。
4. 经济系统：经济系统也是一个耗散结构的例子。
市场经济中，供求关系、价格机制和竞争等因素相互作用，形成了复杂的经济运行模式。
经济系统具有不确定性和耗散性，表现为经济周期的波动和市场的不稳定性。
5. 生态系统：生态系统是一个典型的耗散结构。
生物种群之间的相互作用、能量流动和物质循环等因素相互作用，形成了复杂的生态系统。
生态系统具有自组织性和耗散性，表现为物种的多样性、生物群落的稳定性和生态系统的演替。
6. 社会网络：社会网络是一个耗散结构的例子。
人与人之间的社交关系、信息传递和资源共享等因素相互作用，形成了复杂的社会网络。
社会网络具有自组织性和耗散性，表现为社交圈子的形成、信息传播的速度和社会结构的演化。
7. 自组织团队：在工作和组织中，团队的形成和运行也是一个耗散结构。
团队成员之间的相互作用、任务分配和目标协调等因素相互作用，形成了复杂的团队动力学。
团队具有自组织性和耗散性，表现为团队的协作能力和成果的产生。
8. 生物进化：生物进化也是一个耗散结构的例子。
遗传变异、选择压力和繁殖等因素相互作用，形成了复杂的生物进化过程。
生物进化具有自组织性和耗散性，表现为物种的适应性和生态系统的多样性。
耗散结构-生命科学学院
这就产生了物理理论与生物理论的予盾，并 引起哲学上的重大争论。耗散结构认认为， 对于孤立系统来说熵是增加的，总过程是从 有序到无序。而对于开放系统来说则由于通 过与外界交换物质和能量，可以从外界吸取 负熵来抵消自身熵的增加，使系统实现从无 序到有序、从简单到复杂的演化，从而解决 了“热寂说”与进化论的予盾，使物理学与 生物学的这两个规律得以统一。
第三类是与外界能进行物质和能量交换的系统——开放系 统。热力学中所研究的内燃机就是一个系统，因为它既要 吸进燃料和新鲜空气，又要排出废热和废气。而吞食食物 的阿米巴也是开放系统的例子。此外，细胞、生物体及人 类社会中如一个工程项目，一个城市等等都是规模不同、 复杂程度不等的开放系，开放系统具有普遍适用的意义。
耗散结构论（Dissipativity Structure Theory）
非线性科学 即对我们周围复杂性的事物进行研究的科学现实中的 事物都是错综复杂的， 例如，湍动的大气、奔腾的河流、起伏的山脉、大量原子 结合起来的固体、生命和大脑的本质等等，我们能不能真 正认识这些复杂的现象和事物呢？对复杂现象应该如何进 行科学的刻划？所谓非线性科学就是一门以探索复杂性为 目标的新科学。它将对人的自然观产生巨大的影响，使人 类的思维方式发生根本的转变。 在数学上描述复杂系统的方程通常是非线性的，一般包括 分岔现象。耗散结构实质上对应于系统方程在远离平衡区 的一个分岔解。
熵理论对于整个科学来说是第一法则。
爱因斯坦
热力学第二定律就是著名的熵定律，它指在一个封闭 的系统里，能量总是从高的地方流向低的地方，系统 从有序渐渐变成无序，系统的熵最终将达到最大值。 这是一个不可逆的过程。第一定律也称为能量守恒定 律，指出宇宙的能量总和是一个常数，既不可能增加， 也不可能减少。 热力学第二定律是描述热量的传递 方向的：分子有规则运动的机械能可以完全转化为分 子无规则运动的热能；热能却不能完全转化为机械能。 此定律的一种常用的表达方式是，每一个自发的物理 或化学过程总是向着熵（entropy）增高的方向发展。 熵是一种不能转化为功的热能。
耗散结构理论及应用PPT课件
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熵变与平衡态
分支现象
当λ≥λc。时如贝纳德对流实验中， 流结的温度梯度达到并超过某一定值时，曲 线段a的延伸虚线b上各非平衡定态变得不稳 定；一个微小的扰动(涨落)就可以引起系统 的突变，使系统的状态离开热力学分支而突 变到另外两个稳定的分支c或c’上。在这两 个分支上的每一点可能对应于某种时空有序 状态，
上 ,就是该无序态的体系不存在分叉与
突变等非平庸行为 。
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例 此如 方程f(有X三,A)个=定(A态-Ac解)X,–它X们^相3 当 那 于么 耗散方结程构为分: 支,而这个分支的 引起正是由于非线性项(如式中 的X^3)的作用。 这反应在非平衡体系的行为上, 就是具有分叉、突变、滞后 、 自激荡、自组织、自创性 、自 生长、自复生甚至混沌运动等非 平庸行为。
零。如果为负值只，并有且d开es 放> dis则才有能ds =生de存s + dis < 0。
系统吸收负熵流，使上式成立，系统的熵会减少，系统会变由原 来的状态进入更加有序的状态。开放系统存在着由无序向有序演化的 可能性，从而使体系走向具有生机活力的耗散结构。
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耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
耗散结构理论
孙正卫 崔傲 李菁伟
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主要内容
自组织现象 熵变与平衡态 耗散结构与其主要特性 耗散结构的应用
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在一定的条件下，系统内部自发地组织并从无序变
为自有组序织的现现象象，称为自组织现象。自组织现象普遍存在于 宇熵宙变、与自然平界衡、态生物界和人类社会中。
耗散结构与主要特性
耗 贝散纳结德构对流的应用
激光 生命系统 BZ反应
37第三代生命科学论之——人是典型的耗散结构
《第三代生命科学论》之——人是典型的耗散结构作者：颜丙强张涛人是典型的耗散结构，从耗散结构理论来理解人的开放、非平衡、负熵、物质与能量的耗散，会看到人的健康与疾病的许多纵深层面，大大地加深对于健康与疾病的深层本质的认知。
一、人具备耗散结构的严格条件18世纪的“机器医学模式”，强调人是机器。
而进入20世纪以来，科学家越来注意到人不是机器。
为什么？人不同于机器的最为深刻的本质是，人是耗散结构，而机器不是耗散结构。
机器远离耗散结构的三个基本条件：1、它是封闭系统，不是开放系统，机器不能与环境有物质、能量交换，否则就会瓦解；2、它是平衡系统，必须保持热力学的平衡条件，不然，机器内部和机器外部就不平衡，就发生物质与能量的交换，交换的结果就是机器的瓦解；3、不存在非线性相互作用，不能从环境输入物质和能量转化组织为机体自身，没有负熵产生，不能自己升高有序度。
人是耗散结构的基本条件:1、人体是开放系统，与环境有物质、能量、信息交换，一旦这些交换失常或终止，人体就失常或瓦解；2、人体是远离热平衡的，无论在机体内部之间，还是机体与环境之间，都是非平衡的，因此才有强烈的物质、能量交换。
3、人体存在极其大量、复杂的非线性相互作用，把从环境输入的物质、能量进行多方面、多层次的转化，形成负熵产生过程，一方面建设自身、升高和保持机体的有序度，另一方面储存自由能，为生命活动提供有效能量。
二、人的生命的非平衡有序稳定人作为典型的耗散结构，需要特别注意人的耗散结构的以下特点。
1、人的机体的稳定是高有序度的稳定。
虽然孤立地从稳定性上看，人与机器有些相似之处，但是，在稳定的有序度上，却有着天壤之别。
人在分子水平、细胞水平、组织水平、器官水平、整体水平，其有序化、组织化程度之高，是迄今世界上能看到的唯一的，人的稳定性是建立在高度有序的水平上的。
2、人的机体的有序稳定是靠耗散物质、能量建立和维持的。
机器是人工制造的，遵循热力学第二定律，只有熵增加，没有负熵产生，不可逆的走向无序化、老化。
耗散结构生物有序
1基本概念2耗散和热力学第二定律▪生物有序▪有序结构和开放▪对于开放系统3有序结构和非平衡▪有序结构和耗散▪有序结构和非线性反馈▪耗散结构和生物进化1基本概念编辑haosan jiegou he shengwu youxu耗散结构和生物有序dissipative structure and biological order而时－空上或结构功能上的有序正是生命世界的一个基本特性──生物有序。
这种有序是通过生物体内的过程得以产生和维持的。
新陈代谢是一种典型的能量耗散过程。
因此生物有序（至少从宏观水平上呈现出来的生物有序）属于耗散结构的范畴。
耗散结构理论从原则上为从物理－化学的原理出发认识生物有序现象以及与之相关的生物进化现象开辟了一条新的途径。
耗散结构的概念，是由比利时物理化学家I.普里戈任在长期研究非平衡态热力学所取得成果的基础上，于1967年提出来的。
结构一词泛指那些包含有大量结构单元（原子、分子、细胞等）的复杂系统在空间、时间或功能上呈现出来的某种宏观的有序行为。
耗散结构一词强调能量耗散过程在建立有序结构方面所起的积极作用。
2耗散和热力学第二定律编辑耗散是指能量从某种比较容易利用的形式（如机械能、电能、化学能）向比较难于利用的形式（如热能）转化的一种特性。
自然界中的一切自发过程（实际发生的过程）都伴随着能量的耗散。
能量耗散过程是一种不可逆过程。
例如摩擦生热是机械能转化为热能的一种典型的不可逆过程。
能量耗散过程的不可逆性反映了能量转换过程的方向性，也反映了时间的方向性。
随着时间的流逝，实际发生的过程总是使系统的状态向一个确定的方向发展。
在一个与外界环境既不能交换物质也不能交换能量的孤立系统中，内部的过程总是使系统趋向于一种宏观静止的、没有宏观差别的平衡态──一种没有宏观结构的无序状态。
因此孤立系统总是向着增加无序程度的方向发展。
为描述自发过程耗散能量和增加无序程度的特性，德国物理学家R.克劳修斯引入了熵的概念。
转载的：耗散结构、耗散结构理论
转载的：耗散结构、耗散结构理论耗散结构 (dissipative structure) 关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I．Prigogine)于20世纪70年代提出的，由于这一成就，普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。
差不多是同一时间，西德物理学家赫尔曼·哈肯 (H．Haken)提出了从研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics)，哈肯于1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。
现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论。
我们首先从几个例子看一下究竟什么是耗散结构。
天空中的云通常是不规则分布的，但有时蓝天和白云会形成蓝白相间的条纹，叫做天街，这是一种云的空间结构。
容器装有液体，上下底分别同不同温度的热源接触，下底温度较上底高，当两板间温差超过一定阈值时，液体内部就会形成因对流而产生的六角形花纹，这就是著名的贝纳德效应，它是流体的一种空间结构。
在贝洛索夫—一萨波金斯基反应中，当用适当的催化剂和指示剂作丙二酸的溴酸氧化反应时，反应介质的颜色会在红色和蓝色之间作周期性变换，这类现象一般称为化学振荡或化学钟，是一种时间结构。
在某些条件下这类反应的反应介质还可以出现许多漂亮的花纹·，此即萨波金斯基花纹，它展示的是一种空间结构。
在另外一些条件下，萨波金斯基花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散，象波一样在介质中传播，这就是所谓化学波，这是一种时间一一空间结构。
诸如此类的例子很多，它们都属于耗散结构的范畴。
为了从各不相同的耗散结构实例中找出其本质的特征和规律，普里戈津学派研究了非平衡热力学,继承和发展了前人关于物理学中相变的理论，运用了当代非线性微分方程以及随机过程的数学知识，揭示出耗散结构有如下几方面的基本特点。
首先，产生耗散结构的系统都包含有大量的系统基元甚至多层次的组分。
贝纳德效应中的液体包含大量分子。
耗散理论
耗散理论耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。
耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成的一种新的有序结构。
“耗散”一词起源于拉丁文，原意为消散，在这里强调与外界有能量和物质交流这一特性。
例如，从下方加热的液体，当上下液面的温度差超过某一特定的阈值时，液体中便出现一种规则的对流格子，它对应着一种很高程度的分子组织，这种被称为贝纳尔流图像，就是液体中的一种耗散结构。
又如，化学反应中的别洛索夫—扎博京斯基反应，某些反应物浓度随时间和空间呈周期性的变化，这种化学振荡和空间图像，就是化学反应中的一种耗散结构。
耗散结构是比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里戈金，于1969年在理论物理和生物学国际会议上提出的一个概念。
这是普里戈金学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的成果。
1971年普里戈金等人写成著作《结构、稳定和涨落的热力学理论》，比较详细地阐明了耗散结构的热力学理论，并将它应用到流体力学。
化学和生物学等方面，引起了人们的重视。
1971～1977年耗散结构理论的研究有了进一步的发展。
这包括用非线性数学对分岔的讨论，从随机过程的角度说明涨落和耗散结构的联系，以及耗散结构在化学和生物学等方面的应用。
1977年普里戈金等人所著《非平衡系统中的自组织》一书就是这些成果的总结。
之后，耗散结构理论的研究又有了新的发展，主要是用非平衡统计方法，考察耗散结构形成的过程和机制，讨论非线性系统的特性和规律，以及耗散结构理论在社会经济系统等方面的应用等。
耗散结构理论把复杂系统的自组织问题当作一个新方向来研究。
在复杂系统的自组织问题上，人们发现有序程度的增加随着所研究对象的进化过程而变得复杂起来，会产生各种变异。
针对进化过程时间方向不可逆问题，借助于热力学和统计物理学用耗散结构理论研究一般复杂系统，提出非平衡是有序的起源，并以此作为基本出发点，在决定性和随机性两方面建立了相应的理论。
耗散结构理论
耗散结构理论.txt 耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。
可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。
协同论协同学（Synergetics）协同学亦称协同论或协和学，是研究不同事物共同特征及其协同机理的新兴学科，是近十几年来获得发展并被广泛应用的综合性学科。
它着重探讨各种系统从无序变为有序时的相似性。
协同论的创始人哈肯说过，他把这个学科称为“协同学”，一方面是由于我们所研究的对象是许多子系统的联合作用，以产生宏观尺度上结构和功能；另一方面，它又是由许多不同的学科进行合作，来发现自组织系统的一般原理。
客观世界存在着各种各样的系统；社会的或自然界的，有生命或无生命的，宏观的或微观的系统等等，这些看起来完全不同的系统，却都具有深刻的相似性。
协同论则是在研究事物从旧结构转变为新结构的机理的共同规律上形成和发展的，它的主要特点是通过类比对从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案，并推广到广泛的领域。
它基于“很多子系统的合作受相同原理支配而与子系统特性无关”的原理，设想在跨学科领域内，考察其类似性以探求其规律。
哈肯在阐述协同论时讲道：“我们现在好像在大山脚下从不同的两边挖一条隧道，这个大山至今把不同的学科分隔开，尤其是把‘软’科学和‘硬’科学分隔开。
”协同学的创立者，是联邦德国斯图加特大学教授、著名物理学家哈肯（H旽aken）。
1971年他提出协同的概念，1976年系统地论述了协同理论，发表了《协同学导论》，还著有《高等协同学》等等。
进化生态学名词解释耗散结构
进化生态学名词解释耗散结构
进化生态学名词解释
进化生态学是研究物种在适应环境变化过程中的演化和生态学关系的学科。
它主要探讨物种如何适应环境变化、如何利用资源、如何与其他物种相互作用以及这些过程如何影响物种的演化。
耗散结构
耗散结构是指一个系统在一个非平衡状态下，通过吸收能量和物质来维持自身稳定的结构。
这个概念最早由Ilya Prigogine提出，他认为所有开放系统都是耗散结构。
在自然界中，许多生命体系也可以被看作是耗散结构，例如人类身体、群落和生态系统。
耗散结构的特点
1. 非平衡状态：耗散结构存在于非平衡状态下，需要不断地吸收能量和物质来维持自身稳定。
2. 自组织性：耗散结构具有自组织性，可以通过内部机制自我调节和协调。
3. 多样性：耗散结构可以表现出多样性，不同的系统会因为吸收不同的能量和物质而呈现出不同的形态和行为。
4. 敏感性：耗散结构对环境变化非常敏感，小的变化可能会导致系统的崩溃或产生新的结构。
5. 开放性：耗散结构是开放系统，需要从外部吸收能量和物质来维持自身稳定。
耗散结构在进化生态学中的应用
在进化生态学中，耗散结构理论被广泛应用于研究生物群落和生态系
统的演化。
人类社会可以看作是一个耗散结构，人类通过吸收能量和
物质来维持社会稳定，并且社会内部具有自组织性和多样性。
同样地，一个生态系统也可以看作是一个耗散结构，它需要从外部吸收能量和
物质来维持自身稳定，并且具有自组织性和多样性。
通过研究生态系
统的耗散结构特征，可以更好地理解它们的演化过程。
热力学第二定律-耗散结构_图文
生物 生命
生物是远离平衡态的开放系统 生命过程是一种耗散结构 物种的产生 偶然性 物种的保护
麦克斯韦分布
麦克斯韦分布
其中 di S > 0：熵产生，由系统内部的不可逆过 程引起。 de S ： 熵流，可正可负。由系统与外部的能量和物
质交换引起。
自组织现象的解释
开放系统从外界接收负熵流 de S<0 且 |de S|>di S 系统的熵 d S = di S + de S<0 使系统由无序变到有序
负熵流
贝纳特实验中，流体系统是一个开放系统，随着热 量的流进流出，系统的熵在变化。若流进流出的热 量相等,为dQ 。
热力学第二定律-耗散结构_图文.ppt
第四章 热力学第二定律
*耗散结构介绍
耗散结构理论： 普利高津（I.Prigoging, 比利时)
1967年创立, 1977年获诺贝尔化学奖。
• 自组织现象 • 开放系统的熵变 • 远离平衡态的分叉现象
• 通过涨落达到有序
有序与无序
热力学第二定律说明了孤立系统中 的自然过程有方向性：
流进的熵
流出的熵
因为
所以
即流出的熵大于流进的熵 。
若净流出的熵超过了系统内部的“熵产生”，系统 的熵就减少，系统就从无序有序。
远离平衡态的分叉现象
1.平衡态热力学(经典热力学)
主要研究平衡态的性质.例如,贝纳特实验中 T=0 的情形。
2. 线性非平衡态热力学(近平衡态热力学）
外界的影响较小,外界的作用与系统状态的变化可 以看成简单的线性关系.
激光
激光器出激光，要输入足够的功率（开放系统） 才能造成粒子数反转的状态（远离平衡态）。
当有能量
耗散结构论
耗散结构论耗散结构理论的创始人是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)教授，由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他荣获了1977年诺贝尔化学奖。
普里戈金的早期工作在化学热力学领域，1945年得出了最小熵产生原理，此原理和翁萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。
普里戈金以多年的努力，试图把最小熵产生原理延拓到远离平衡的非线性区去，但以失败告终，在研究了诸多远离平衡现象后，使他认识到系统在远离平衡态时，其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。
19世纪存在着两种对立的发展观。
一种是以热力学第二定律为依据推演出的退化观念体系，它认为，由于能量的耗散，世界万物趋于衰弱，宇宙趋于“热寂”，结构趋于消亡，无序度趋于极大值，整个世界随着时间的进程而走向死亡；另一种是以达尔文的进化论为基础的进化观念体系，它指出，社会进化的结果是种类不断分化、演变而增多，结构不断复杂而有序，功能不断进化而强化，整个自然界和人类社会都是向着更为高级、更为有序的组织结构发展。
显然，物理学与生物学、社会学中的这两种观点至少表面上在发展观上是根本对立的。
难道生命系统与非生命系统之间真的有着完全不同的运动规律吗？为此，物理学家普利戈金创立了“耗散结构论”，他认为，无论是生命物质还是非生命物质，应该遵循同样的自然规律，生命的过程必然遵循某种复杂的物理定律。
以普里戈金为首的布鲁塞尔学派又经过多年的努力，终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论──耗散结构理论。
这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。
自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。
在自然界中这种现象是大量存在的，理论研究较多的典型实例如：贝纳德(Bé nard)流体的对流花纹，贝洛索夫－扎鲍廷斯基(Belousov-Zhabotinsky)化学振荡花纹与化学波，激光器中的自激振荡等。
耗散结构理论[1971年提出的理论]
![耗散结构理论[1971年提出的理论]](https://img.taocdn.com/s3/m/4e230d094a35eefdc8d376eeaeaad1f34793114f.png)
耗散结构理论[1971年提出的理论]耗散结构理论认同并延用了一般系统论中的开放系统思维。
一般系统论源于生物学家对生命机体运行机制的深入思考，而生命活动也是耗散结构理论颇为关注的研究对象。
普利戈金本人曾对耗散结构形成的条件，作过简单通俗的说明。
他写道:“生物和社会组织包含着一种新型的结构，……社会和生物的结构的一个共同特征是它们产生于开放系统，而且这种组织只有与周围环境的介质进行物质和能量的交换才能维持生命力。
然而，只是一个开放系统并没有充分的条件保证实现这种结构。
只有在系统保持“远离平衡”和在系统内的不同元素之间存在着“非线性”的机制的条件下，耗散结构才能实现”[1]。
显然，人既有生物的属性，又有社会的属性，人的生命过程既参与生物运动，也参与社会运动，更具备形成耗散结构的条件。
耗散结构理论耗散与生命活动首先，生命的本质在于运动。
人体是一个远离平衡的系统，它需要保持动态平衡才能存在。
平衡就意味着生命的终止。
兴奋和抑制、收缩和舒张平衡了，心跳也就停止了。
动脉、静脉各部分血压平衡了，毛细血管有效过滤压等于零，物质交换也就没有了。
细胞内液与外液中的Na+、K+的浓度是非平衡的，神经细胞膜内K+浓度为膜外30倍，膜外Na+浓度为膜内12倍，这种离子浓度非平衡，对细胞的兴奋及机能是必要的。
如果离子浓度平衡，生物电就消失，细胞功能也就丧失。
其次，人体又是一个包含有多子系统多层次的复杂开放系统。
从横向看，包括骨胳、肌肉、神经、消化、呼吸、泌尿生殖系统等子系统。
从纵向看，包括群体、个体、器官、组织、细胞、亚细胞、分子、量子等层次。
此外，还有与上述要求有关又自成一体的免疫系统，等等。
而且各子系统之间、各层次之间存在着复杂的联系和相互作用。
人既要吃、喝、吸气，又要拉、撒、呼气，因而是一个开放系统。
机体走向封闭，就会生病甚至死亡。
中医所说“不通则痛”就是这个道理。
再次，人体内各元素之间存在非线性机制。
所谓非线性，是指引起系统处于非平衡状态的复杂过程的，主要不是逐步演变的扩散型，而是产生突变(或质变)的化学反应型。
耗散结构
一路走来，愿相亲相爱的人，相濡以沫，同甘共苦，百年好合。愿有情有意的人，不离不弃，相惜相守，共度人生的每 一个朝夕……直到老得哪也去不了，依然是彼此手心里的宝，感恩一路有你！
己先查看一遍，把用不上的部分页面 相互包容，相互懂得，才能走的更远。 相遇是缘，相守是爱。缘是多么的妙不可言，而懂得又是多么的难能可贵。否则就会错过一时，错过一世！ 择一人深爱，陪一人到老。一路相扶相持，一路心手相牵，一路笑对风雨。在平凡的世界，不求爱的轰轰烈烈；不求誓
删掉哦，当然包括最后一页，最后祝 言多么美丽；唯愿简单的相处，真心地付出，平淡地相守，才不负最美的人生；不负善良的自己。 人海茫茫，不求人人都能刻骨铭心，但求对人对己问心无愧，无怨无悔足矣。大千世界，与万千人中遇见，只是相识的 开始，只有彼此真心付出，以心交心，以情换情，相知相惜，才能相伴美好的一生，一路同行。
你越渴望的东西，也许越是无情无义地弃你而去。所以美好的愿望，就会像肥皂泡一样破灭，只能在错误的时间遇到错的人。 岁月匆匆像一阵风，有多少故事留下感动。愿曾经的相遇，无论是锦上添花，还是追悔莫及；无论是青涩年华的懵懂赏
识，还是成长岁月无法躲避的经历……愿曾经的过往，依然如花芬芳四溢，永远无悔岁月赐予的美好相遇。 其实，人生之路的每一段相遇，都是一笔财富，尤其亲情、友情和爱情。在漫长的旅途上，他们都会丰富你的生命，使
耗散结构的必要条件：
1。 首先，产生耗散结构的系统都包含有大量的 系统基元甚至多层次的组分。基元间以及不同的 组分和层次间还通常 存在着错综复杂的相互作用
2。产生耗散结构的系统必须是开放系统，必定同 外界进行着物质与能量的交换。
生物系统的耗散结构和自组织性质
生物系统的耗散结构和自组织性质生命的存在不仅仅是机械式的运作，而是一种充满活力的复杂体系。
生物体系中的耗散结构和自组织性质是生命系统的关键特征。
本文将重点探讨生物系统中的耗散结构和自组织性质，以及这些特征对生命体系的影响。
一. 什么是耗散结构？耗散结构是指生物体系的一种动态状态，它是通过消耗能量和物质，并将它们转化成生物体系所需的结构和功能的一种过程。
生物体系中的许多过程都需要耗散结构的支持，例如酶合成、代谢产物消耗和生长等生命过程。
耗散结构的产生是生物体系中不可缺少的过程，它保证了生命系统的正常运转。
二. 生物体系中的自组织性质自组织性是生物体系中的另一个重要特征。
自组织性是指生物体系中出现的结构和组织形式，是由于不同的生物体组件之间的相互作用和调节所形成的。
当生物体系中包含的成分相互作用的规律性达到一定的水平时，组织和结构中就会出现某种规律性。
生物体系中的自组织性质是一种较为普遍的现象，它有助于生物系统的功能完成和稳定性维持。
三. 耗散结构与自组织性的相互作用耗散结构和自组织性是生物体系中的两个重要特征，并且它们之间存在着相互关联和相互作用的关系。
首先，耗散结构可以促进自组织性。
由于耗散结构的存在，生物体系中每个组件的持续运动和代谢产生了相互之间的相互作用和调节。
这种相互作用和调节可以促进自组织性的产生。
例如，在一个生长的微生物群体中，每个微生物细胞之间都存在一定的相互作用，这些相互作用可以促使整个群体的生长和扩散。
其次，自组织性可以维持和调节耗散结构的运转。
由于自组织性的存在，生物体系中的各种组件可以相互协同和协调，这有助于保证耗散结构的完整和稳定。
例如，在一个细胞代谢网络中，各种代谢产物的转化和消耗需要通过复杂的调节控制才能保证正常进行。
最后，耗散结构和自组织性相互支持，维持了生物体系的动态平衡和稳定性。
生物体系中的组件之间的不断调节和适应可以使系统稳定，并能够应对外界变化。
同时，耗散结构的存在保证了生命体系中必需的物质和能量的不断供应。
自组织理论、耗散结构
自组织理论关注的是系统如何自发地形成有序结构和功能， 强调系统内部的自主性和自我完善能力。它不依赖于外部指 令或预设模式，而是通过内部相互作用和演化，实现从无到 有的结构和功能的涌现。
自组织特性
总结词
自组织具有自主性、开放性、非线性、远离平衡态等 特性。
详细描述
自组织的自主性是指系统内部各要素具有相对独立性， 能够自主地进行决策和行动；开放性则指系统与外界环 境保持物质、能量和信息的交换，以维持系统的动态稳 定；非线性则说明系统内部各要素之间的相互作用是非 线性的，这种相互作用导致系统整体的行为无法简单地 通过各部分的性质来预测；远离平衡态则强调系统内部 各要素之间的差异和不平衡，这种不平衡状态是系统自 组织演化的驱动力。
宇宙学
宇宙中的星系、星云等结构是通过自组织和耗散过程形成的，这些 过程包括引力、电磁力等相互作用。
固体物理学
固体中的晶体结构、缺陷和相变等现象也是通过自组织和耗散过程形 成的，这些过程涉及到原子或分子的相互作用和能量交换。
化学领域的应用
01
化学反应动力学
化学反应的动力学过程涉及到反应物分子的自组织行为和能量的耗散，
理论发展
随着研究的深入，科学家们不断发展和完善耗散结构理论，将其应用 于更广泛的领域，如生物学、经济学和社会学等。
03 自组织理论与耗散结构的 关系
自组织理论与耗散结构的相似性
强调系统内部自发的秩序和结构
自组织理论和耗散结构都认为系统在一定条件下能够自发地形成有序的结构和功能，而不 是完全由外部因素决定。
果。
耗散结构理论的发展历程
早期探索
耗散结构理论的起源可以追溯到20世纪初，当时的一些科学家开始研 究热力学中的一些问题，发现了开放系统的自组织现象。
生命的自组织
能 量 才能 维持 其有 序 性 的稳 定性 且 不 因 外 界微 小 的 扰 动 而 消 失
。
这 种 在远 离 平 衡 的
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彭 存智
张 银东
( 热 带作 物 生 物技 术 国 家重 点 实验 室 )
摘要
以 耗 散 结构 理 论 为 基 础 从 生 命 的 平 衡 和 不 平 衡 生 命 的 有序 和 无 序 以 及 生 命 的 自 组
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7.繁殖与遗传
• 生物体能不断地繁殖下一代，使生命得以延续 • 生物的遗传是由基因决定的，生物的某些性状会发生变异；
没有可遗传的变异，生物就不可能进化
8.适 应
• 适应的含义： （1）生物的结构都适应 于一定的功能 （2）生物的结构和功能 适应于其在一定环 境条件下的生存和 延续
• 适应是生物界普遍存在的 现象
一个死亡的细胞，同样具有核酸、蛋白质，但它是死的， 看来细胞死与活的区别在于它们有没有活力。
Muller（1942年）认为生物具有特殊的能，这种能被称 为生命或活力（Vital force)。他将生命与生物体分开。
3.机械论 Mechanism
Harvey等人认为生命现象可以用机械的原理加以 阐明。
生命是一个特殊的信息体
3、对称性破缺与生命起源
生命起源中的对称性破缺——生物分子的手性均一是生命科学 中长期未解之谜
由于生命是高度有序的，世界上大多数学者认为”没有手性就 没有生命”、”手性起源于生命”
为什么生命在起源时，组成生命的蛋白质只由L氨基酸组成， 而RNA与DNA 中的核糖只由D糖组成?
生物大分子、多分子体系、原始细胞界膜的形成，以及细胞内部核 酸和蛋白质的相对分化和独立，都是在分子、分子体系、原始细胞 与外界环境物的相互作用中，以及在它们内部物质的相互作用中完 成的
原始生命又经过漫长的自身进化过程，通过不断与外界交流信息， 不断地进行自身的信息积累和重构，才使地球上生命从低级到高级， 一步步得以进化
如果是无阻尼摆(外加的推动 力正好克服阻力)，摆幅不变， 如图2
它在相平面中的运动轨迹是 半径一定、绕圆心的不断重 复的圆。运动轨迹被中心区 所吸引，这中心区就称为极 限环(吸引子）
奇异吸引子 strange attractor
如果是混沌摆(如两个钟背 靠背地并放在一起，两个 摆互相作用，可能出现混 沌摆，如图3
传统的学科一直都在回避复杂性，并认为它不过是一些 简单性的组合或是由于我们简单方程中的参数取得不够 精确所至
事实上复杂性是自然的本质现象，且有其内在规律。与 经典学科的步履维艰形成鲜明对照的是，对复杂性的研 究正方兴未艾，硕果累累
谢 谢！
生命 ——典型的自组织耗散结构
赵胜军 20010.3
一、历史上人们对生命的认识
1.直观论
凭直观（感性认识）和常识来理解生命。
“活的就是生命”这句话在哲学家看来是 “同义反复”。
直观论者无法确认病毒是否有生命？
2.活力论 Vitalism
活力论认为生命的本质是一种未知的或起源于神的灵魂 或活力(Vitality)。
这就是说，这种分形具有最小体积，最长路线的 特点
它作为信道可以将更多的信息联系起来，最利于 生命体与外界或生命体内部的信息交换
分形结构是一个理想的开放系统
最重要的是，一个分形体具有近无穷多个悬挂点或开放 点(末端)，而这些悬挂点又恰恰是信息交换的场所，可见 分形利于最大容量的信息交换
这好比是在冶金中将矿石碾成粉末是为了增大参与反映 的面积，在化学反应中的第一步总是分子电离而产生悬 挂键一样
生命的基本单位是细胞 细胞的结构 整个生物界是一个多层次的有序结构
细胞 组织 器官 系统 个体
生态系统 群落 种群
细胞的结构
植物细胞结构图
3.新陈代谢
• 生物体不断地吸收外界的物质，在生物体内发生一系列 变化，最后成为代谢最终产物而被排出体外
• 合成作用（anabolism） 从外界摄取物质和能量，将它 们转化为生命本身的物质和贮存在化学键中的化学能
认为人和一个用杠杆和弹簧装配起来的机器没有 本质的区别。
4.还原论 Reductionism
认为生命现象可以用构成生命体的生命物质的物 理、化学运动规律来说明
蛋白质分子或核酸分子就其本质来说并不是活的， 在这个意义上，它同其他任何分子并没有什么区 别
5.整体论 Holism
生物体是一个整体，它的各组成部分（如分子、细胞等）的 规律，加起来不等于整体的规律
局部的规律只有在整体的调节下才有意义，单靠生物体内的 分子层次的规律是不能解释生物整体的属性的
目前，还原论和整体论这两种意见还在继续争论
二、生命的主要属性
尽管很难给“生命”下一个科学的定义，但 是生命有一系列的属性，即生命现象的一些共性。
生命的主要属性
化学成分的同一性 严整有序的结构 新陈代谢 应激性和运动 内稳态 生长发育 繁殖与遗传 适应
薛定锷的负熵论
热力学第二定律告诉我们，在一个孤立系统中发生的自发过程，其熵总
是增加的，表现为从有序向无序的演化方向。
生命的表现形式就是能不断地从外界环境中吸取“负熵”（以食物形式
存在的物质和能），通过新陈代谢，把它们转化为高熵状态后，排出体 外，从而使生物体这一开放系统的总熵不致增加。
生物体是通过增加环境中的熵值，使环境的无序性增加来创造并维持自
维持人体手性均一的、有赖于D-氨基酸氧化酶、D-天冬氨酸氧 化酶的分解作用。
D-氨基酸对人体有害，上述两种酶就起着解毒剂的作用。
生物分子的手性起源与宇称和电荷共轭联 合不对称原理密切相关！
4、生命中的分形结构
无机世界
闪电、海岸线、云海、沙丘 雪花、冰晶、晶体的分形生长
有机世界
树叶枝干和树根的外形结构 人体中的呼吸系统、神经和血管等
三、生命的本质是什么？
有关生命的理解
Crick
在<<论分子与人>>一书中写道:“给生命这个词下定义是极 为困难的”。
至今还没有一个为大多数科学家所接受的关于生命的定义。
经典生物学
认识到有细胞才有生命。
现代生物学
把生命理解为比细胞更小的蛋白质、核酸等生物大分子。
生命是什么？
《生命是什么？ ——活细胞的物理学观》
蛋白质和核糖核酸在起源时的这一特性，公认为生命起源中的 谜中之谜，称为生物分子的手性起源
手性均一为生命起源的必需
流行的看法认为生物体中只含有L一氨基酸，唯细菌细胞壁中 含有少量D-氨基酸
近年研究发现，人体中D-氨基酸广泛存在，这是由于人体中L氨基酸在进化过程中随着年龄、疾病发生混消旋作用而造成
将这些健康的节律动态曲线按混沌学方法重构吸引子，结果是奇异吸引 子，是混沌的。
假如等时节律越来越多，即目前人们多称之为“心率变异性”的改变， 表明心功能在恶化，而“钟摆律”是不再混沌了，是临终前的表现。
所以，20世纪80年代后期，人们开始提出“混沌才是健康” 的口号
“生命”的定义
生命是主要由核酸和蛋白质组成 的具有不断自我更新能力的多分子 耗散结构体系，是一种过程，是一 种现象
这本小册子力求阐明和确立的初步答案概括如下：
当前的物理学和化学在解释这些问题时明显的无能为力，决不是成为怀疑这些 事件可以用物理学和化学来解释的理由。
唤起生物学革命的小册子
1944年薛定谔在英国出版《生命是什么？》一 书，启发了人们用物理学的思想和方法探讨生命物 质运动的兴趣。该书被誉为“唤起生物学革命的小 册子”。
生命的涵义
生命的物质基础是蛋白质和核酸
生命运动的本质特征是不断自我更新，是一个不 断与外界进行物质和能量交换的开放系统
生命是物质的运动，是物质运动的一种高级的特 殊存在形式
生命与复杂性
生命现象是自然界中诸多复杂现象中最复杂，也是最让 人感兴趣的一种，对它的认识无疑会使我们从整体上去 了解自然
• 分解作用（catabolism） 分解生命物质，将能量释放出 来，供生命活动之用
4.应激性和运动
• 生物接受外界刺激后会发生反应，生物的 运动受神经系统的控制
5.内稳态
• 生物体在没有强烈的外界因素的影响下，有某些 机制使其内环境能保持动态稳定性
6.生长发育
• 生物体能通过新陈代谢的作用而不断地 生长、发育，其中遗传因素起决定性作 用，而外界环境也有很大影响
任何一个封闭系统是不可能与外界进行任何物质或信息 的交换，只有开放系统才可以，而分形结构是一个理想 的开放系统
4、生命中的混沌
在自然界中，绝大多数系统是非线性系统， 通常表现出混沌现象
生命系统是公认的非线性系统，因此，表现 出大量的混沌现象
线性
是数学上的一种关系，如ax=3y+b
特点
符合叠加原理，既总体等于各部分之和 从式中可以知道过去，也可以计算出未来(决定论)
将钟摆摆锤每一时刻的势能(或速度)取值，也可得 出一条动态曲线
定点吸引子
如果是阻尼摆，摆幅会逐渐减少， 最终停止，如图1，
将它转换到相平面(相空间)中的运动 轨迹将是从周边逐渐趋向中心点绕 圈，最后终止于中心点，这个点叫 做“定点”，也称吸引子，摆的运 动轨迹被它所吸引
极限环 Limit cycle
其中一个摆的运动轨迹将 被另一个吸引区所吸引， 而轨迹线永不相交，这个 吸引区被称为奇异吸引子
生物节律的混沌
时间医学不断地在揭示人体生物节律，我们不难看到这些节律、周 期的时段决不是整整齐齐、相互均等的
我们仔细测量一段时间内的心电图，会发现健康的心脏几乎没有两处 P—P间期完全相等的，应该说是“绝对不齐”才是健康的。
科学家把这类分形结构的特点贯以一个新的名词— — 自 相似
自相似性又可分为严格的自相似和统计意义上的自相似 一般来讲，自然界中是不存在严格自相似的，都是统计意义上的
自相似，是宏观意义上的自相似
分形的意义
生命体本身都是三维的，但就其体内的分形来讲， 如果忽略其截面线度，则不难看出，其体积为零， 而长度为无穷大
身的有序性的。生物的这种有序结构称为耗散结构。
耗散结构形成的条件
开放系统 远离平衡态 涨落 正反馈 非线性相互作用
1、生命是一个开放系统
它必须与外界进行物质和能量上的交换，否则轻 则生病，重则死亡