动力学与生命

专业与班级：生物科学六班；学号：

12334337；姓名：赵雪泥

在宇宙的形成过程中，物质的运动从未停

止。自然界物质的自发反应始终包含着这样

两个定律，随机性和不可逆性。这本书出版

的目的在于，描述无生命的物质怎样能够获

得自组织及其他的性质，而那些性质一贯认

为是属于生命的。我选择书时，考虑到化学

动力学是已经学完的内容，近期数学学习微

积分。这本书的内容需要的基本知识我已经

具备，通过学习其中的研究方法，可以促进我更好的运用已学过的知识。

本书分为三部分，评述了化学动力学、热力学与分子生物学。运用数学的语言，热力学的定律以解释生命系统中有序性的出现。

第一章物质的结构,作者引导我走过原子结构发现历程,从本质上探讨化学反应的发生。物质的结构决定它的性质,人类在物质结构的探索中逐渐深入到它的性质的根源，通过对结构与性质之间对应关系的规律的探索，诞生了元素周期表。随着近代物理学的发展，我们进入量子力学时代，宏观与微观实现统一。第二章化学动力学从自然现象入手,通过宏观现象的分析让我认识化学动力学的思想，即化学动力学就是研究化学反应速率的科学，它还研究化学反应速率与化学反应机制之间的关系。作者还用微积分的方法表示化学反应速率，即速率方程。通过阅读这部分内容，结合学习过的有效碰撞理论，我了解了化学反应中反应级数，反应分子性与化学计量数之间的区别。反应级数是速率表达式浓度因子上方所写的指数，是一个完全由实验测得的量。根据参与反应步骤的分子种类数对基本反应进行分类，即反应的分子性。反应的分子性从有效碰撞原理角度，将一个复杂的化学反应分解成几个基本元反应。只有在基本步骤中这三个概念才能重合在一起，一旦反应级数与化学计算方程式出现分歧时，这个化学反应是复杂的。了解反应机理，作者继续介绍了反应过程中量的测定，我学到一些有用的微积分分析化学反应方法。实验科学的研究，不单纯依靠实验，还可以通过数学分析的方法简化实验过程，同样可以得出真实有效的结果，甚至可以事结果更加严谨可靠。第三章平衡热力学，概述平衡热力学的应用，主要介绍了热力学研究对象是一个反应的状态。作者由浅入深，首先介绍一个

热力学系统的概念，平衡热力学的概念，热力学零号定律将温度概念延伸到温度计

了热力学领域研究内容。第一热力学定律即

能量守恒定律，我学习了内能的测定；第二

热力学定律，无穷慢的膨胀与无穷慢的压缩

过程叫做可逆过程，绝热可逆的反应过程中

熵恒定不变，而不可逆反应过程中熵增加，

使反应气体内能减少。平衡热力学的方法具

有一定的普遍性，基本可以满足日常的需要，

如糖在细胞内被氧化成水和二氧化碳的过程，热咖啡在室内变冷的过程，但大量的自然现象是在非平衡力的作用下从而产生的能量循环，因此需要用热力学的宏观方法推广到不可逆过程的非平衡系统。所以作者第四章介绍非平衡热力学。能与物质的恒定的输入与输出可以把系统保持在一个恒定的非平衡状态中，唯有在非平衡系统中才有可能看到不可逆过程。在自然状态下,各种能量流动都表现出一定得对称性,通过昂萨格倒易关系，我读出自然界的规则是可以通过数学语言来描述的。例如系统的温度差可以产生流体内化学组分浓度的变化，即产生热扩散。一个不可逆过程

本质上是一个动力学过程,对于一个给定的系统,

二是产生内部熵。平衡系统只有在熵穿越系统边

界才能改变系统的熵，孤立系统的熵只会增加。

生物膜本身是一不连续系统，同时也是各向异性

介质。生物膜对物质具有高度选择性，它可以通

过消耗ATP将离子逆浓度梯度运输。第五章演化

判度自发改变,体系进入一个新的热力学状态,因此需要用热力学的稳定性理论来研

究据主要讲述了一切热力学系统都不可抗拒地向平衡态发展。在线性不可逆过程热

力学的有效范围内，定态的特征是最小熵产生的。第六章稳定性的判据,由于体系温

这个新状态是暂时的还是永久的。

第二部分主要介绍了一种化学研究方法，用数学建模来分析化学现象。第七章新化学的诞生，主要介绍了耗散结构和化学震荡两中化学概念，作者在分析它们概念的同时引入许多生物学相关实例，如生

物体的周期性行为与空间形态有序的形

成。第八章伯洛乌索夫扎波廷斯基反应

（BZ反应）中介绍了许多有趣的化学振荡

实验。如柠檬酸在酸性条件下被溴酸甲氧

化，颜色呈现淡黄色和无色振荡。（如图

8.1）再如在一支试管中加入BZ反应试剂，

最后加硫酸，出现一条条相继交替的水平

红带与蓝带的带纹（如图8.7）。作者详细

分析了BZ反应的原理。BZ反应的精妙之处在于发生反应

的物质基本不受外界环境的影响，如光照，温度等，只

是四种简单易溶的化学物质的本身或者来自于水的对流

与化学反应之间的耦合。生命的形成是许多复杂的化学

反应构成，其中有一部分远离热力学平衡条件下发生，

可以预测许多化学反应与流体力学的现象结合在一起，

创造生命。第九章新化学的一种数学研究主要介绍了BZ

反映的两个数学模型，俄勒冈模型和布鲁塞尔器。由于

自己的数学功底不够深，大部分内容没有读懂。

第三部分生命系统中的自组织与相干性。生

命是节律，模式，相干，协同与变化。非平衡条

件是一切生命的普遍需要，以正反馈和负反馈形

式出现的非线性动力学实际上是生物体形成过

程的化学规律。从化学热力学和化学动力学角度

研究生命现象的本质，并利用数学模型作为工具

是本章内容的主题，也是这本书的核心理念。第十章生命的起源介绍了生物大分子的形成，作

者提到自组织系统参与了无生命物质演化出

生命。我的理解是作者将非平衡约束条件作为

一种自然力，驱使无生命物质向有生命方向组

合并形成一种自催化循环系统来完成生命活

动。作者总结分子的自组织性质立足于三个重

要概念基础上，即自催化，非平衡约束以及物

质的协同行为。第十一章细胞水平上的自组