n07第二章 生命-典型的自组织耗散结构
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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
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
蛋白质:由20种氨基酸组成
核酸:由8种核苷酸组成 各种生物编制基因程序的遗传密码是统一的, 各种生物都是以ATP(三磷酸腺苷)为贮能分子
蛋白质由20种氨基酸组成
2.严整有序的结构
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 群落 种群
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
1.化学成分的同一性
生物体是由蛋白质、核酸、脂类、糖类、维生素等多种有 机分子以及C、H、O、N、P、S等无机元素组成
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)。 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。
•
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
7.繁殖与遗传
• •
生态系统
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 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
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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 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? 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
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。 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。
每一个周期似乎是周而复始地再现,正如物理学上 最简明的例子——钟摆 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
谢 谢!
2、生命是熵减小,信息值增大的过程
生命系统在与外界进行物质交换的同时,也必将从外界得到信息。 另一方面,生命体总是在将自身的特性传递给外界
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
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》
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
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 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
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
册子”。
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。
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)
非线性
在因变量与自变量之间不存在必然固定公式
总体不等于各部分之和,不符合叠加原理
吸引子attractor
每一种生物节律,在不同的时间序列都处于不同的 状态,我们习惯称之为“动态”,记录这种动态的 曲线称为动态曲线,如心电图、脑电图
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
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
任何一个生命系统都是远离热平衡的
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
三、生命的本质是什么?
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
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
这本小册子是一位理论物理学家对大
约四百名听众作的一次公开讲演
讲演者力图把介于生物学和物理学之
间的基本概念向生物学家和物理学家
讲清楚
对一个重大的问题的一点小小的评论
为了不迷失我们的方向,预先很扼要地把计划勾画出来也许是有用的。
这个重大的和讨论得很多的问题是:
在一个生命有机体的空间范围内,在空间上和时间上发生的事件,如何用物理 学和化学来解释?
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
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
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。
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
极限环 Limit cycle
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