熵原理解读人类疾病和衰老.docx

一、熵及其对人类疾病和衰老的影响

熵，是德国物理学家于1865年所提出的一个物理量，即热力学系统的状态函数，也是四大热力学定律中的第二定律的另外一种表达形式。热力学第一和第二定律（即能量守恒与转换定律）并称为放之四海皆准的物理学定律和自然规律。

最初，熵是根据热力学第二定律导出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量和规律：在孤立系统中，体系与环境没有能量交换，体系总是自发地向混乱度增大或者说是能量失去做功能力的方向变化，使整个系统的熵值增大，直至达到最大熵值，但系统的总能量并无变化（符合能量守恒的热力学第一定律）。这就是熵增定律或熵原理，也即热力学第二定律的内涵。

熵增原理告诉人们，宇宙万物包括生命体在内都具有同样的归宿，那就是从其诞生之日起，便在一个转折点上开始向消亡的终结点发展，即其熵变的发展方向或趋势都是，也只能是不可逆的熵增过程（即从有序走向无序），没有例外，只有熵增速率之不同而已！但是，熵增法则在生命系统与非生命系统之间有一个重要的不同点，那就是生命系统有能力在一定的时期内和一定的条件下阻止熵增进程，甚至逆熵增过程而发生熵减。当将熵概念应用于生命系统时，无序状态意味着机体各层次结构的退化。例如，蛋白质、DNA和RNA等大分子的错误折叠或变形，或组织和器官的破坏。由于熵增而导致的“丧失做功能力”是指分子、细胞、组织或器官的生理功能下降或丧失。生命系统即有机体在发育过程中（如发育和生长的早期阶段）和在特定条件下（即给予足够的营养摄入、有效的代谢活动、强大的自我防御能力和自愈能力），具有逆转熵增的能力。这是因为，作为一个远离平衡的、具备高度有序耗散结构的开放系统，有机体可以与周围环境交换物质、能量和信息，从而获得“负熵”（即减少机体的无序性）来对抗熵增加；同时，开放系统还能够将体内所产生的热熵释放到环境中，使机体系统进入熵减过程，用于抵消机体自身的熵增，并使自身的无序状态转变为一种在结构和功能上有序的非平衡状态，从而维持生命。

越来越多的科学证据表明，熵增是人类健康恶化和人类衰老过程加速的根源。研究团队发现，人类个体在其寿命期间（以自然死亡为准），即一生中所产生的累计总熵增或熵的生成（entropygeneration）是一个固定值（即熵增上限值），大约为11404kJ?kg-1?K-1。这个值被称为熵增上限或极限熵或寿命熵。同时，他们计算出熵产速率。他们根据熵产速率值预测出美国人平均年龄分别为：男性73.78岁和女性81.61岁，这与实际人口统计数据（男性74.63岁和女性80.36岁）的平均寿命非常接近。因为寿命熵是一个固定值，我们可以推断，熵增速率快的人，其达到寿命熵上限值所需时间较短，故其寿命也较短；相反，熵增速度慢的人，其达到熵增上限值所需时间较长，故其寿命也较长。

“生”与“死”的区别，无非就是生命系统有序与无序的区别。“生命”的维持有赖于机体机构和功能的高度有序性，亦即机体的低熵状态；而“死亡”则是机体逐渐丧失维持低熵状态能力的后果。同理，“健康”意味着身体处于结构与功能高度有序的低熵状态，而“疾病”则意味着生物体的结构和功能陷入无序或高熵状态。换句话说，熵的增加——在分子、细胞、组织、器官或系统水平上失去秩序或功能和结构的无序性增加——必定会导致疾病。

同理，我们也可以运用熵原理来审视人体的“健康”与“疾病”状态。“健康”代表机体系统处于高度有序化的低熵状态，而“疾病”则表明机体系统内部结构和功能受损而进入或处于混乱无序的（即有序性降低）高熵状态。机体有序度越高，其系统熵值就越低，机体健康状态就越好；反之，机体有序度越低，其系统熵值就越高，机体健康状态就越差，疾病就越多或越严重。科学研究发现，人类个体（即使是年轻人）在处于疾病状态时，其机体熵值升高，具体体现在患病器官的熵值增加，但也常常会表现为整体熵值的升高。这种异常熵值升高已经在各类疾病中测得，包括代谢性疾病（如单纯性肥胖症、糖尿病、代谢性高血压、癌症、痛风、骨质疏松症等）、代谢综合征（胰岛素抵抗、肥胖、高血糖、高血压、血脂异常、高血黏、高尿酸、高脂肪肝等）、代谢性炎症，病毒和细菌感染，慢性阻塞性肺炎及各类心脏疾病（冠心病、心力衰竭、心律失常等）。

特别值得注意的是，科学研究证明，熵增发生于各类癌症患者身上，如肺癌、胃癌、肠癌、肝癌、乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、黑色素瘤等。而且，这些疾病的发病机制都可以追溯到细胞、亚细胞、蛋白组、转录组、基因组水平的有序性丧失。此外，科学家用免疫熵来衡量免疫系统的完整性和功能及其与人群健康状态的关系，发现被感染或患乳腺癌的人群比无患病的健康人群具有更高的免疫熵值，表明患者的免疫系统混乱度高、有序度低。因此有学者建议将根据免疫特征所测得的免疫熵用于监测个人和人群健康的一个简单方法和指标。

虽然熵增加已被公认为疾病的根