1220140230 樊晨芳 生命系统、生态系统的熵分析

加拿大不列颠哥伦比亚大学动物学教授布鲁克斯和美国堪萨斯大学分类学与生态学教授威利曾指出⑧：生物进化是一个熵过程，生物的复杂性（种群系）与熵有关，生物进化的谱系越复杂，熵值就越大。生物的组织化（个体结构）与信息有关。可是在这个庞大多样的生态环境中，因为各种不确定因素的限制，使得实际存在的状态数要比最大可能产生的要少的多，换句话说就是实际熵比最大可能的熵要小，将他们放在一个适合他们生存的环境中时，熵与信息将会增加，那么生物进化必然要向着由低到高、由简单到复杂的过程进化。这与生物中达尔文提出的进化论是完全一致的。
本科生毕业论文
生命系统、生态系统的熵分析
Entropy analysis of ecological system in life system
姓 名：樊晨芳
院 系：物理学院
专 业：物理学
学 号：1220140230
指导老师：贺小光
教师职称：教授
生命系统 生态环境的熵分析
摘 要
本文开篇简单的介绍了熵的概念，明确表示了熵代表着混乱度；然后，在这篇文章中，我主要从两方面来阐述：1、从生命系统开始着手，通过生命系统的概念、生命系统在自然界中存在的原因以及进化等方面，于熵进行联系，详细赘述了生命系统与熵之间的关系；并体现了熵对于生命系统的意义。2、从生态系统开始着手，通过对生态系统的介绍，运用热力学第二定律来描述熵，将熵的物理意义与生态系统紧密结合，在此，详细举例描写了城市生态系统和湿地生态系统的熵分析，同时还描述了可持续发展的概念，通过其生态系统的熵分析如何使我们的生态系统可持续发展等等。最后，我通过总结写出了负熵对于生命活动和生态环境有着举足轻重的意义。值得我们学习。
Key words: lifesystemecologicalenvironmentsustainable developmententropy
绪
在２１世纪中，随着经济全球化和技术全球化的发展，生命系统、生态环境的问题日益突出，生态环境系统评价标准逐渐引起了政府及相关机构的关注。生命系统可以持续健康的发展宇生态环境是密切联系的，而人类正在以史无前例的规模和速度改变着生态环境，使生命系统的可持续发展遭到了空前的损害，同时给人类健康生存带来了严重的威胁。为了保证生态系统持续、有效的发展，成为了当今迫不及待的研究主题。而生命系统是以负熵为生，从生态环境中得到更大的熵增，因此减缓生态环境的熵增过程，是保证人类生命系统、生态环境健康、持续、活力有序的发展。
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熵S是描述热力学系统的一个态函数，用公式表示①:
dS= 或Sb-Sa
其中，Sa代表初状态的熵值，Sb代表末状态的熵值，T表示的是绝对温度，Q为热量，Sa-Sb则代表熵变，而公式中的等号表示的是可逆过程，大于等于号则代表的不可逆过程。
由上可知，在整个过程中，对于可逆过程来说，熵一直保持不变，对于不可逆而言，熵则一直增加。这就是熵增加原理。因此，我们根据熵变原理，当系统保持在平衡态时，熵值增加到了最大值。从宏观上来讲②，熵是不可用能的量度，熵愈增，不可用能愈大。而Boltzmann将熵与系统的微观状态联系起来建立了著名的Boltzmann关系式③：
关键词：生命系统 生态环境 可持续发展 熵
Abstract
This paper begins with a brief introduction to the concept of entropy, it is clear that the entropy represents the degree of confusion; then, in this article, I mainly divided into two aspects to describe in detail:1, from the system life began, through the concept of life system, life system in nature exist and evolution, from the entropy of contact, redundancy and detailed the relationship between the life system and the entropy, and embodies the entropy for the meaning of life system.2, from the ecosystem began through the introduction of ecological system, to describe the entropy using the second law of thermodynamics, the physical meaning of entropy and the ecological system will be closely integrated. Here, a detailed example describes the analysis of the entropy of the urban ecosystem and wetland ecological system, and also described the concept of sustainable development, through entropy analysis of the ecological system of how to make our ecosystem sustainable development and so on. In the end, I have made a summary of the significance of the negative entropy in life activities and ecological environment. Worthy of our study.
所以说，生命之所以存在，是因为它能够不断地从环境中吸收负熵。因此，我们作为生命体中的一员，要使生命能够繁荣的繁衍下去，就必须控制好负熵的吸收，使生物体处于生长阶段或者成熟阶段；但如果我们短时期的从外界吸收过多的负熵，使得局部的熵值积累，则会导致局部出现混乱的状态，出现这样的情况，则表明生命体不健康，处于有病的状态，因此医生对此病采取的各种措施都是为了降低生物体内过多的熵，使其恢复到健康状态。
第一条定律：ΔH=Qp+Wp(1)
第二条定律:ΔH=ΔG+TΔS(2)
捕食
生物（植物、动物等等）
竞争
非生物（土壤、空气等等）
合作
生产者……………………………第一营养级
初级消费者…………第二营养级
消费者次级消费者…………第三营养级
三级消费者…………第四营养级
分解者
图二生态系统关系图
如图所示，在这个生态系统生产者、消费者和分解着图中，生产着的增加或者减少，都直接或者间接影响着一级消费者的增加与减少。而此时，能量流动就是维持生态系统的关键源泉，生态系统中所有的生命活动都需要能量的转化。这些能量存在于整个生态系统中，包括生物体内，也包含外界的环境。生态系统中能量流动是遵循热力学的两条定律⑥：
生命的进化是与时间相关的，而熵则代表着时间的箭头，在整个生命系统中一切生命都是不可逆的。熵与时间紧密相连。倘若时间静止，那么熵增也就失去了意义。正如我们大学所学的《热力学统计物理学》中提到的一句话⑦：“任何我们已知的物质能关住”的东西，不是别的，就是“时间”。低温关住的也是“时间”。生命是物质的有序“结构”。“结构”与具体的物质不是同一个层次的概念。可以用一个例子简单描述一下，譬如一个桌子的构造和建造这个桌子使用的原料不是同一个层次一样。
熵在物理学中是用来描述和探索生态环境中普遍存在的运动形式的不可逆性。自从1865年克劳修斯状态函数---熵后，它已经从一个孤立的、平衡的、线性的系统发展成为一个开放的、非平衡的、非线性的系统。随着科学的不断融合发展，熵已不仅仅局限于物理学范畴，已不断出现热力学熵、信息熵、统计熵等适用于自然科学、生物学、社会科学等学科领域中。使其成为各学科融合的“关节”和“引线”。
des=ds.(3)
然而，对于一个非平衡的热力学过程，如一个开放的系统，即与外界发生物质和能量交换的系统，普利高津理论认为③：其熵变由两部分组成，
即：ds=dse+dsi (4)
其中，dse为来自系统外的熵流（Entropy flow）,是系统在dt时间内与外界交换的能量或物质而引起的熵流。它可以是正，是负或零。Dsi为内部的熵产生（Entropy production）。按熵增加原理：ds>=0.等于号对应于可逆过程，大于号对应于不可逆过程。Ds为系统总的熵变。所以就孤立系统而言，若dse=0，ds=dsi>=0，这就是熵增加原理。
2.
在生命活动进行过程中，总是存在着许多不可逆的过程，而我们由上式中（4）可知：生命体之所以能够形成，就必须从外界获得与dsi一样大的负熵流进行相互抵消。生物有机体的生命活动可用下图解释：
图一生命活动图
由上图可知：当生物体在外界得到的负熵流数值如果大于生物体自身所产生的熵，即（|dse|>dsi）时，那么在生命系统中熵变ds<0，整个系统的熵将减少，而系统的有序度将会增加，生命体从有序不断的向更加有序转变，这就表示着生物体正处在生长阶段；但如果负熵的数值恰好和熵产生相等（|dse|=dsi），即熵变ds=0，系统处在一种稳定的有序结构，生物体将进入成熟阶段；若负熵流数值比熵产生的要小（|dse|<dsi），也就是生物体的熵变ds>0,系统的熵增加，生命体就会出现衰老、退化等症状，当熵慢慢增大到最大时，意味着生命体已经步入高度混乱状态，不能继续维持一切正常的生命活动，直至死亡。
S=k (1)
式中w表示系统可能有的微观状态数；k是Boltzmann常数，其值为1.38*10-23J/K.
W个微观状态中，每个微观态中出现的概率为均为1/w，所以（1）式又可化为：
S=-k (2)