用热力学第二定律解释生命生存发展(北航物理小论文)

熵的本质与生命体的生存发展

班级：120223 学号：12021067 作者：徐伟嘉

摘要：本文试图从物理学的角度，从物质能量流动的角度对人类生命现象给出一些解释，通过热力学第二定律与自组织、自成长的“增势”过程到自衰落、自死亡的“熵增”演化过程，更全面的看待熵的本质。从宏观来看生命（正常死亡的生命）过程就是一个熵增的过程，始态是生命的产生，终态是生命的结束，这个过程是一个自发的、单向的不可逆过程，从而为生命现象找到了合理物理学解释。

关键字：熵热力学第二定律生命

一、为什么用热力学第二定律和熵解释生命过程：机械论与动力论之争

尽管生命科学，特别是与遗传有关的分子生物学已取得了长足的进展，但是，在我们的理解中，生命现象与非生命的物理现象仍然有着巨大的差别。生命现象能否用物理规律给予解释呢？在历史上，关于生命的本质，曾有过“机械论”和“活力论”之争，甚至直到现在，这种争论还在以某种方式延续着。

“机械论”认为，生命现象，不管其多么复杂，最终都可以从物理学的角度给出解释。只不过生命系统是一个超大规模的复杂系统，对生命现象的物理解释是一个十分繁杂的事情。发生在生命体上的任何过程，生物的任何举动，都是有

原因的，都是由当时的外界条件和生物体以往的历史唯一的确定，所有这些原因

所产生的结果，都服从已知的物理规律。因此，“机械论”也是“决定论”。而

这些物理规律，也就是决定那些非生命过程的物理规律。生命过程与非生命的过程，除了复杂程度不同外，无任何实质性的差别。生命体就其本质而言，就是一

种复杂机械。

活力论认为，生命体中有一种不能用现有的机械的物理规律给予解释的神秘

的活力。

这两种观点由于相关学科的发展还不够成熟，都没有能对具体的生命现象给出具体的解释，自从热力学第二定律提出之后，人们才认识到，生命的“活力”可以用一个熵增过程来说明，至此，生命现象才真正与物理学联系了起来，物理学也才真正找到了解释生命现象的钥匙。如果认为早期的“机械论”和“活力论”之争是生命现象物理学解释的第一阶段，是哲学上的争论阶段，则用熵增过程来解释生命现象，就可以看成是生命现象物理学解释的第二个阶段，是给出某种程度的实质性解释的阶段。这也是我们用热力学第二定律以及熵增解释生命现象的原因。

二、明确熵以及热力学第二定律的概念：

熵的问题最早是19 世纪60 年代德国物理学家克劳修斯(Clausius)作为热力学研究中的概念提出来的。1867 年，克劳修斯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，引起了科学界乃至欧洲社会各阶层人士的极大关注。熵用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意可逆循环过程都适用的一个公式：dS=dQ/T。这是熵的热力学解释，结合热力学定律的以下描述：

①克劳修斯表述：不能把热从低温物体传给高温物体，而不引起其他的变化。

②开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全转化成有用功，而不

产生其他影响。

③微观意义：一切自然宏观过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

不难说明这样一个问题：自然界的一切实际热力学过程都是按一定方向进行的，是不可逆的，其逆过程是不能自动发生的。

从熵的问题来解释即自然界的一切自发性过程都是向着熵增大的方向进行的；换句话说，我们这个世界在不断地变得更加“混乱”。

自然界中的生命也是一种自发性过程，所以从出生到死亡，且这个过程不可逆，所以实质上生命体进行了一个熵增的过程。可以这么理解，生命体诞生之后，当生命体的熵增大到一定程度，生命体便会发生不可逆转的死亡变化。（这里的

死亡均指正常死亡）那么我们发现其实各种生命活动都是可以用热力学第二定律

来解析的。

三、熵与生命活动的联系

在生命自然演化的意义上，熵概念的本质是生命系统（机体）创造机能下降，熵

增的过程是生命系统自衰落自死亡的老化过程。如果我们以单一的生命体作为一

个系统，那它是一个开放系统，与环境既有物质交换，也有能量的流通；基于此，而生命体可以进行众多的生命活动，而这又是为了摄取“负熵”——或者认为是

通过外界的能量来减少生命体本身的熵，就如同一个热机与另外的热库进行热交

换使这个系统恢复到原始状态。如果这么看似乎无法满足熵增原理中条件“孤立

系统”，但是，每个生命体都必须维持自己生命活动的稳定性状态，也就是生命

学中的“稳态”，而这个状态则必然与整个环境相不同，因此当我们粗略的看待

一个生态系统时，可以将这个生命体当作“孤立系统中的一份子”。

从物质能量流动的角度讲，生命过程是一个物质能量的传输和集中过程，物

质能量的集中就是生物的生长。当生物不再生长时，生物的生存过程就是纯粹的

物质能量传输过程。从热力学的角度讲，生命过程可以认为是一个符合热力学第

二定律的区域性的自发的熵减过程，在包括生命体及其生存环境的总系统中，熵是增加的。熵减过程就是生物的生长过程。当熵减过程结束后，维持已有的负熵值的过程就是生物的生存过程。为了生产负熵，更为了维持已有的负熵值，系统必须始终存在一个熵增的物质能量传输过程。新陈代谢过程中，除了包含有一个熵减的物质能量集中过程外，还包含了一个使生物生长不违反第二定律的熵增的物质能量的传输过程。显然，只有当生命系统是一个与外界有物质和能量交换的开放系统时，符合第二定律的熵减过程才有可能发生。下面我们简单地通过生命体生存发展的几个过程加以阐述：

（一）生

从一个受精卵开始，生命体拥有了一个属于自己的系统，这个系统独立于所生活的自然，而生命的一个必然进程就是“抵抗熵增”——为了避免死亡而摄取“负熵”。

（二）老

薛定谔在他著名的《生命是什么》一书中，认为生命体是“以负熵为生的”。生命体为了维持它的有序结构，必须“吃进负熵”，耗散结构理论的创始人普里高津也认为，系统的熵由系统自身不断产生的正熵和外界流入系统的熵两部分组成。因此，要维持一个有序的、具有负熵值的系统，则必须由外界不断的向系统输入负熵。正是指这个道理，衰老是一个长期的持续性的过程，为了对抗这个过程，吸取负熵是其途径，不同的生命体吸取负熵的方法不同，对于绿色植物则通过光合作用来减少自身的熵，而对于动物（当然包括人类）来说，食物就是负熵，这就是我们需要不断进食的原因所在。

之所以食物是负熵，其实更准确的说法是将食物中的能量用于减少生命体自身的熵，类似于一个热机与另外的热库进行热交换使这个系统恢复到原始状态这个过程。实际上，进食摄取能量进而回归机体稳态就是生命的主要意义。

但是摄入负熵的能力会随着时间而减弱，当人类摄入的负熵少到体内的平衡受到破坏时，体内的熵达到了一个限度时人的生命也就要终结了。而这之前“摄入负熵能力下降”的过程就是衰老。

（三）死