从热力学第二定律的角度解析生命活动的本质

从热力学第二定律的角度解析生命活动的本质

姓名：张俭伟学号：1120111524 班级：05911101

摘要

热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向。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。

正文

一、热力学第二定律与生命活动的联系

首先，明确热力学第二定律的内容：

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。

这几种表述都说明这样一个问题：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。

这只是从热力学角度上来解释热力学第二定律，但如果我们用“熵”对第二定律进行表述，那么热力学第二定律就是：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”（这里认为世界在进行一个不可逆的过程）。

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。

二、用热力学第二定律解析生命活动的可行性

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”。这时，我们就可以利用热力学第二定律来思考问题了。

三、用热力学第二定律对几种常见的生命现象进行解析

①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”。

②老

薛定谔曾经说过：“生命以负熵为生。”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。

③死

生命的结局是什么？对于这个问题，很简单，就是死亡，也可说是同化，尘归尘，土归土，将生命中的物质，能量回归系统，与系统同化，而物理学中指出，这种想对于独立的混合具有更大的混乱度，其所拥有的熵也是最大的，这是整个系统遵循热力学第二定律的必然结果，所以“死亡”、“同化”、“熵增”是必须的，不可违抗的，生命的活动是一个不可逆的过程，因为这个系统必须遵循热力学中熵增的规律。

四、用热力学第二定律解析生命活动的本质的意义

热力学第二定律不仅揭示了许多热力学上的问题，同样对其他学科的其他问题有着重要的意义。熵，是在热力学中提出的概念，但经过科学的不断发展，我们发现，其实“熵”是一个十分宏观的概念——混沌。这个概念解释了自然界中一切过程具有方向性的原因，同时也给时间的研究带来了一些启迪。我想，热力学第二定律的意义已经远远超出了热力学的范围，用热力学第二定律解释生命活动的本质则是一个非常有趣的过程，不仅加深了对这条定律的理解，同时也让人看到了科学的美。