生命与熵

生命与熵

摘要主要通过对克劳修斯熵和玻耳兹曼熵的讨论，把孤立系统的熵的概念延伸到开放系统，即生命系统中去，并分析生命系统的自然变化及患病变化的过程在本质上与熵的联系。

关键词熵；生命过程；生命系统；耗散结构

1 克劳修斯熵与玻耳兹曼熵的讨论

1.1克劳修斯熵

根据卡诺循环，可推出克劳修斯不等式，即dS ≥( dQ/T)。由于各种热力学过程其不可逆性都可以归结为热功转换的不可逆性，所以，克劳修斯不等式适用于各类热力学过程的方向及限度的判断。据此，热力学第二定律可归纳为“孤立系统中发生的任意过程总是向着熵增大的方向进行。”显然热力学第二定律对于生命系统来说是不正确的，这是因为生命系统不是一个孤立系统，它与外界既有能量交换也有物质交换。

1.2玻耳兹曼熵

玻耳兹曼熵S = k lnΩ，k为玻耳兹曼常数，Ω为热力学概率，即某热力学状态对应的微观状态数，也就是系统处于该状态时混乱度的度量。这从微观上解释了熵增加原理所表示的孤立系统中热力学过程的方向性,相应于系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态过渡, 直到热力学概率最大的平衡态为止。熵的本质就是系统无序度的量度，这不仅适用于孤立系统，同样适用于生命系统这个开放系统。

2生命系统的耗散结构

一些非生命物质的运动通常会自动趋向于热力学平衡状态，而生命现象，如生长、发育、结构进化等呈现出远离热平衡态。它们从环境中吸取能量，降低自身内部的熵值，获得结构和功能上更高的有序度，维持着耗散结构。作为开放系统的生命体内过程熵变可写作: dS = deS +diS ，其中deS 表示生命体通过代谢活动（与外界交换能量、物质和信息）由外界引入的净熵，其值可正可负；diS 表示生命体内部的熵产生，是由生命体内部各种不可逆过程（异化作用或同化作用）引起的，其值恒为正。生命活动正常与否可由dS =deS +diS 进行讨论,包括以下3种情况:

（1）若dS/dt >0, 即diS/dt >-deS/dt ,这时生命体所引入的负熵流不足以抵消内部的熵产生,熵变为正,此时生命体将面临消亡，

（2）若dS/dt =0, 即diS/dt =-deS/dt ,此时系统由外界吸取的负熵流抵消了内部熵产生,于是生命体处于正常稳态。

（3）若dS/dt <0 ,即diS/dt < -deS/dt ,则系统由外界吸取的负熵流足够大,从而使生命体变得更有序而充满活力,生命体将进行和发展。

基于第三种情况，有人提出了负熵的概念，即必须有足够大的负熵流（deS）供给生物体来抵消正的diS。如生物体吸取的食物,通常含有高度有序的低熵高分子，如淀粉、蛋白质等，而排泄出高熵物质，使熵不断流出（deS < 0），抵偿其内部由不可逆过程所产生的正熵（diS > 0）。

3生命过程中的熵变化

0 岁到10岁左右是生命成长发育的过程，生物体的结构从有序发展为更有序，此时dS应小于0，即|deS|< diS，系统得到负熵，熵减少，有序度增加。10岁到20岁作用是生命体基本生长的过程，此过程中系统的熵变由负逐渐趋近于零，

这是因为随着生命体的增长，生物体内组织增多，伴随的生命活动引发的熵增也越来越多，使得生命体的熵变逐渐趋近于零。20岁到35岁左右，是生命体的成熟期，此时生命旺盛，负熵流和熵增流都很大，使得机体的整体熵变微负并趋近于零。35到50岁，生命体即将步入衰老，尽管负熵流和熵增流也很大，但是生命体征较前一阶段下降。50岁以后，生命已经步入衰老期，人体各项功能伴随着人体内部自组织能力的下降而下降，负熵流和熵增流都减小，但是此时的熵变为正，意味着人体内部正渐渐偏离自稳状态而最终迈入死亡。

4疾病与熵的变化

生命体中一些疾病的发生总是伴随着机体的紊乱状态，即病体较正常机体内部的熵会增加的状态。例如，DNA的复制、RNA的转录和蛋白质的合成在正常情况下都处在高度有序的状态，即使偶尔发生错误，也会通过机体的自我修复而改正错误。一旦这种高度有序被打乱，机体熵变急剧增加，就会导致肿瘤等疾病的发生。同时，肿瘤的生长不像正常细胞的代谢具有规律性，它会不仅会入侵正常的细胞，进入血管，生成肿瘤血管，还会发生转移，在一些部位形成病灶，这种无序性也代表着机体的熵增加。这似乎形成了一个熵增的循环，熵增疾病熵增... 这些例子还有很多，在此不一一列举。

5总结

综上，可以看出物理系统和生命系统在熵概念上的高度统一性。根据熵增的原理，我们可以知道避免机体的熵增可以提升机体的性能，延长生命体的寿命。从而，在更高的层次上了解到维持生命体的自组织性与有序性是多么重要的一件事。所以，在平时的生活中，我们不仅要通过加强各种锻炼、保证均衡的饮食等来提高机体的自组织能力，还应知道一旦机体患病，就意味着机体的内可能出现

了熵增现象，为了避免这种现象的持续发生超过机体的自组织能力，我们应该及时就医，因为给药也是降低体内熵值的一种方式。

参考文献

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姓名：王慧

班级：临床医学八年制1401

学号：2204140120