耗散结构是一个.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 把从外界获取的物质转变成更加复杂的结构 如前面所介绍的那样，生物体内每天都有许多新细胞诞生，同时又有许多老细胞死亡，两者处于一种动态平衡。在细胞分裂时，记录遗传信息的DNA分子复制成两个完全相同的新分子。这些原料来自于从外界摄取的营养物质以及分解不需要的细胞所产生的物质。也就是说，每当DNA复制或细胞增多时，构成机体的物质就会更新。 DNA分子具有高度复杂的结构。复制时，它以从外界摄取的营养物质或分解不需要的细胞所产生的物质为原料，来构建高度复杂的结构。就像DNA的复制那样， “建立有序的机体结构”就是所谓的“熵减”。 物理学家薜定谔在《生命是什么》这本书中提出了负熵的概念，声称“生命以负熵为生”。也就是说，生物利用从外界获取的物质和能量来建立有序的结构　(熵减)，从而使得自发增大的熵值维持在一个较低的水平，不再增大。 生命设计图　─ DNA (遗传信息)中记载着建立有序机体结构的方法。 生物体按照DNA信息，利用从外界获取的原料 (无机物)不断建立自身结构 (有机物)。 能量代谢所建立的高度秩序 － 这就是生命 自然界中存在着一种现象，这就是有些事物随着时间的推移从无序走向有序。例如：夏天在南部海洋上空所形成的台风就是一个代表性的例子。积雨云团形成热带涡旋，发展到一定强度就形成了台风。 从外界获取能量或物质，并把其中的一部分以热量的形式释放出来，一旦形成这种环境，就能自然地形成台风那样的有序结构，这种结构称为“耗散结构”。 耗散结构理论是由俄罗斯化学家伊里亚．普利高津(llya Prigogine, 1917-2003)最早提出的。 从外部获取能量或物质，并将其中的一部分排放到外部，从而建立有序结构，这就是生物体”活着”的本质。现在，许多科学家都认为，普利高津所创立的耗散结构理论可以很好地从物理学角度来诠释生命原理。 生命是什么?面对这一困惑了人类几千年的问题，今天科学家给出了一个答案，这就是：“生命(生命体)是通过与周围环境进行能量和物质的交换，从而形成和保持有序结构(耗散结构)的存在。” 生物利用从外界获得的物质和能量，形成和保持有序的耗散结构，从而使得熵值保持在一个较低的水平。 能够停止所有生命活动的“水熊”的秘密 生物都必须从外界获取物质和能量进行新陈代谢活动，才能生存下去。但是，自然界中偏偏存在着一些动物，它们竟然违反了这个法则。 水熊(也称水熊虫)体型极小，大部分不超过1毫米。当周围环境干旱时，它们可以将身体含水量从通常的80%减少到百分之几，蜷缩成圆桶状，进入低湿隐生（Anhydrobiosis）状态，静静地忍耐蛰伏。在这种状态下，它们将停止一切活动，不再从外界获取营养。也就是说，处于隐生状态的水熊没有显示出任何生命现象。但是，当它们再次接触到水的时候，身体就会复苏，不仅可以恢复到以前的尺寸，而且也能像以前一样活动。 此外，在地下埋藏了2000多年的古莲子也曾发芽，绽放出美丽花朵。一般来说，植物种子的含水量较少(约10%)，没有任何生命特征。但是，当水分、温度等条件适宜时，种子就会发芽，显示出勃勃生机。 隐生的水熊和古莲子可能会在一个相当长的时间内不进行新陈代谢，它们并非死了，当环境条件适合时就会重现生机。但是，它们并没有采用前文所介绍的那种不断更新细胞，保持动态平衡的方法，而是通过停止细胞内本应进行的化学反应的方式来保持身体结构的有序和稳定。 我们把暂时停止生命活动的状态称为隐生（cryptobiosis），意思是“隐藏的生命”。 只有做好了能够重新开始生命活动的准备之后，水熊和植物种子才会停止生命活动，进入隐生状态。其证据是：如果干燥过程太快，即使它们再次接触到水，也不会“复活”。这是因为干燥过快时，细胞来不及为将来重新开始生命活动做好准备，从而导致了水熊的死亡。 无序程度的指标 －－ 熵 熵是在热力学、统计物理学领域应用非常广泛的一个概念。然而，此处我们并不打算对熵的专业定义进行详细介绍。简单来说，熵是表征物体或空间状态的“无序程度”或“混乱度”的参量。 热力学和统计物理学奠基人、奥地利物理学家路德维希．玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann 1844-1906）于1877年提出用“熵”来量度一个系统的无序程度。熵并非一个抽象的概念，而是一个像温度和压力那样可以计算和度量的物理参量。 在封闭的空间，熵总是增加的。如果将一个物体放置不管，听任自然发展，无论其结构如何，随着时间的推移，一定会按照熵增的方向演化（熵增定律）。例如，在盛有水的杯子里放入冰块，冰块将慢慢融化。其实，这也是熵增的一个例子。冰是水分子有序排列形成的结晶。冰融化为水则意味着水分子的有序排列被打乱，处于无序状态，也就是说熵值趋向