耗散结构及生物医学的研究与应用

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1、耗散结构及生物医学的研究与应用-->1.耗散结构概念的提出耗散结构(DissipativeStructure)是1967年由比利时物理学家I·Prigogine提出的概念，它是指某些远离平衡的开放系统在适当条件下自发形成宏观时空有序的现象。这种时空有序结构的形成和维持需要不断消耗能量.并与外界进行物质交换，故被称为耗散结构，有时也称之为自组织结构。在不同反应体系中，耗散结构的形成可以很不相同，但总体说来，所有这类有序结构与平衡态系统中出现的有序结构之间存在本质不同。后者如表现在原子或筒单分子水平上的固体或液体有序结构，它们可以在平衡态条件下产生和维持，而前者则只能在远离平衡的条件下形成和维持。

2、生命体中有不同水平的非平衡开放系，诸如生物大分子、细胞、组织和个休等，所以，耗散结构概念对于认识这一票列水平上的有序行为都有帮助。2.耗散结构产生的必要条件根据热力学观点，耗散结构应是系统在失稳条件下，某些内部涨落被放大，而使系统到达的一种新的稳定态。因此，要分析耗散结构的产生条件，就是要确定系统失稳的条件。理论和实验指出系统非平衡是失稳的一个必要条件，系统动力学过程中含有适当的非线性反馈是失稳的另一个心丁条件。.............防着实验水平的提高，非线性理论和计算机技术的进步和应用，目前对较简单的非线性非平衡系统的失稳、反馈机制及耗散结构行为等已能从理论上进行初步分析，有些理论结果己

3、得到实验上的验证。在具有耗散结构祝力的化学反应中，有一类称为BelousV-Zhabotr-nsky反应(简称B-Z反应)。上述化学反应体系中之所以能形成和维持时空有序的耗散结构，正是由于体系处远离平衡的条件下，体系内部存在自催化反应这种非线性反馈，并且体系能与外界进行物质交换，以保持体系内反应物和反应产物的适当浓度。...................4.耗散结构在生物医学方面的应用因为生命体系一般均为远离平衡的开放系统，生分体系所表现出的时空有序往往与某些化学耗散结构很相似所以对化学反应体系耗散结构的研究，在生物学领域可以有良好的应用。例如人体生物钟现象，它是一种整体节律了行为，根据传统

4、的生理和生化观点，该节律性的产生是生命体内多神代谢过程的综合结果结合某些生化反应体系托散结构行为的研究，可以加深对上述综介过程及整体节律性产生原因的认识。实验上发现，糖酵解反应中存在明显的化学振荡行为，也就是存在时间有序耗散结构，这使得ATP的产出率具有时间周期性。因为ATP是向人体提供能量的物质，所以糖酵解反应中ATP产出率的周期性变化将对机体活动能力产生周期性影响。此外，实验上还观察到，化学振荡频率不同的生化反应体系，在发生相互作用后，有时发生频率同步，有时合成出新的振荡频率，这说明生命体的整体性节律现象有可能是体内多种代谢系统间相互作用的结果。又如有文献报道，在适当的B-Z反应体系中加入

5、表面活性剂，则在化学振荡停止后，间歇搅拌可使振荡重新产生并持续相当长时间。根据对该现象反应原理的初步分析，研究人员提出，在动物消化系统中的表面活性剂不仅可以起润湿和乳化食物的作用，而且这些表面活性剂对生物体内的周期现象也有重要作用。将间歇搅拌过程中表面活性剂对振荡反应的影响作为一种模型，可说明在心脏泵的间歇驱动下，消化系统表面活性剂一胆脂对消化过程中生化反应周期性的影响，同时建立起消化功能与心脏功能间的一种联系。在医学检测方面，耗散结构原理也已有一些应用。有文献报道，可将B-Z振荡体系用于糖尿病检测。常规检验糖尿病是采用Benedict尿糖定性分析法(班氏法)。该法受检验人员对颜色判断的主观影

6、响，对试样颜色变化不大的早期轻度患者诊断较困难。耗散结构的研究和应用已取的不小成果，但理论本身还有待新的发展，特别是由于实际体系内部存在的非理想性相互作用，住往使问题更加复杂，大量实际体系的耗散结构行为还未能得到圆满的解释。以生命沐票为例它断涉及的生物大分子溶液和电解质溶液，均为非理想溶液，其中大分子之间存在多种相互作用，如静电相互作用，氢键作用等。这些非理思们互作用对生命体存活是不可缺少的，没有这些作用生物大分子将变性和坏死，从而失去其原有的有序结构，因此，非理想性也是维持生物有序的重要因素。非理想性对形成实际耗散结构的作用已受到研究人员的重视，相信随着理论和实验工作的深入，耗散结构理论将不

7、不断完善，并进一步推动应国的开展。