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1、第17卷第5期大学化学2002年10月知识介绍生命体系与熵高文颖刘义屈松生(武汉大学化学与分子科学学院武汉430072)摘要阐述了熵对生命体系进行物质、能量、信息交换与交流所起的支柱性作用。运用熵理论描述了生命体系在非平衡条件下的有序现象。从宏观上描述了熵与病理学、遗传学、药物学、细胞学的关系;从微观上阐述了熵与细胞恶变的联系及其在抗癌机制中的应用。阐明了熵理论在研究人类的健康和治疗各种疾病中举足轻重的地位。随着社会发展步伐的不断加快,能源短缺、食品不足和环境污染更加成为人们关注的焦点。对于生命体系的运行机理和规律的进一步研究和探索具有必要性和重要性。熵理论从诞生到发展扩
2、充过程中,逐渐展示了它的普遍意义,受到各界学者的关注。国内也出现了聚焦此类热点问题的文章。北京大学高盘良曾发表论文,点明了熵理论对现代科学的重要性及熵概[1]念的应用。还有学者探讨热力学第二定律,同样强调了熵理论在信息学中的应用及耗散结[2]构和自组织现象。在众多探讨性观点中,有文章指出真实系统的本质特征是不可逆性,因此熵概念成为整个科学的第一法则,并认为熵理论的提出最早预言了生存环境的潜在威胁,[3]提醒人们保护生存环境的重要性。在此基础上,信息熵的引入不仅解决了信息的定量描述问题,而且为熵概念的进一步泛化奠定了基础。熵在生命科学中的应用已经历了一个由定性到定量,由简单到深入的过程。
3、本文就此问题作简要论述。1熵理论的宏观意义及其与生命体系的关系生物体最基本的特征之一是物质代谢,伴随着物质代谢所发生的一系列能量转变即能量代谢,是生物体基本特征的另一方面。生物系统不断地从周围环境中摄取物质,经一系列生化反应合成、转变成自身需要的组分,又将原有的组分通过一系列生化反应变为废料,排出体外,并伴有能量变化。熵作为一种状态函数,其改变值可正可负,所谓负熵是指生命通过各种能量交换传递使体内或局部熵减小。根据不可逆过程热力学,作为开放系统的生命体内元过程熵变可写作: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
4、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:24(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[4]体变得更有序而充满活力,生命体将进行和发展。熵不仅仅
5、是热力学中的一个重要函数,还可以运用于许多领域。生命是自然界中无生命物质经过无数物理和化学过程长期演变进化的结果,它的基础是物理变化和化学变化,因此,物质变化和能量代谢仍然服从热力学的基本定律。但是生命现象是比化学运动更高一级的运动,从热力学角度来看,生命是一个开放系统,它通过能量流动和物质循环而不断增加内部的有序程度。热力学熵增原理,即S孤立0自发趋向平衡,是自然界的现象(主要指无生命现象)普遍遵从的规律。孤立体系自发变化是向着混乱程度最大的方向进行,即向熵增的方向演变,从有序趋向无序。但生命机体内部维持着高度的有序性,生物进化是由单细胞向多细胞生物体方向演化,在生物体系为数众多严格受控
6、的反应中,反应物是通过自组织作用而有序化的。生物体的自组织过程是从无序趋向有序,以完成其生长发育等过程。然而生物系统是一个远离平衡的开放系统,一般生物体摄取能量总大于或等于散发掉的能量,即生物体的能量变化一定有Q0,因此生命体的熵变S=Q/T0。因为维持体内代谢需要消耗掉一部分[5]能量,而且还要向环境散热,这样S<0。有人认为生物是一个恒温体,作为一个等温过程,不能应用S=Q/T公式,而应该用自由能公式G=H-TS或F=U-TS。其实,普利高津也曾指出此式不适用于生命系统,其根本原因在于生命系统虽然也存在热现象,但是生命系统不是以热运动为主要特征。因此,仅用热力学特征量难以完全
7、描述生命系统,热力学熵也难以描述生命有序。1943年,薛定谔在都柏林三一学院所作的讲演中首次利用热力学和量子力学理论来解释生命的本质,提出了负熵的概念。他指出:一个生命有机体的熵是不可逆地增加的,并趋于接近最大值的危险状态,那就是死亡。生命体作为一个非平衡的开放系统要摆脱死亡,从物理学的观点看,惟一的办法是从环境中不断吸取负熵来抵消自身的熵增加,可见有机体是依赖负熵维生的。更确切地说,新陈代谢
