熵与生物学.pdfVIP

维普资讯 ·第15卷第4朝 重庆师l范学麂学报(自然科学版) 1998年 12月 Vo1．15 No．4 Journal ChongqingTeachersCollege(NaturalScieaceEdition) Dec．1998 @ 10_] 熵与生物 0L{、7 g13 林 传 利 (重庆师范学院物运孚写希l夏术．系，重庆，400047) 播 要 简单回顾 了熵的发展史，对熵应用于生物学领域的现状进行了分析t并从 负熵漉的角度阐述了应用熵于生物学的新观点 关麓词 负墒， 叠白． 热力 二 2， 中图法分类号 Q一1}O551 引 言 生意掌． 在非生命世界中，自发进行的过程总是从有序向无序转化，并且这种转化具有不可逆 性。为了描述这种不可逆性，克劳修斯引人了熵的概念，并确立了熵增加原理。在生命世界 中，生物总是从简单到复杂，从低级向高级进化，并且不受任何强加的限{爿。按照生物学家的 观点，时间上或空间上或功能上的有序是生命世界的一十基率特征。 热力学第二定律与生物进化论同是十九世纪自然科学中最伟大的发现。在自然进化观 点上的这种矛盾已持续了一百多年．不过矛盾的双方基本 和平共处”，这在科学发展史上实 属罕见。发生这种现象的重要原因之一在于一些科学家认为生命科学和非生命科学可能受 箭约于不同的自然规律作用n】。 从二十世纪中叶起，人们逐渐弄清楚了生命体系必须是远商平衡态的开放系统，这个系 统的演化遵循着与传统的平衡态热力学不同的规律 ，充满了许多新奇的现象。 1944年，薛定谔在 《生命是什么》一书中提出了著名的 负熵’兑。他将负熵定义为负熵 值圆。对此，有人从纯热力学的观点持反对意见，认为根据热力学第三定律，绝对零度不可艟 达到，而熵值只有在绝对零度时才可能为零，所以系统的熵值不可能达到零，更不可船为负 熵Is]。但是，在生命科学里普遗将负熵理解为负熵变，即： 一△S一 一 其中， 为系统初态的熵值 ，S为系统终态的熵值 。 具有生命现象的生物 ，为了维持它率身的生存和发展，必须与周围环境进行物质、能量、 信息的交换。因此 ，从平衡态热力学得出的嫡增加原理无法解释开放的生态系统及其生命活 动 为此，普里高津通过把非平衡态系统看作由许多局部平衡的子系统构成，从而将平衡态 扩大到近商平衡态。 对于开放系统 ，熵的改变由两部分组成 =出S+d (d 0) +1998-06-04 收藉 ”林传利 ．男，35岁，讲师，硬士 维普资讯 第4期 林传利：熵与生物学 71 式中 为系统与外界交换物质、能量、信息等 I起的“熵流”，它可正可负；五S为系统内部 的不可逆过程引起的熵产生 只要一出 a ，即当系统从外部获得的“负熵沆”大于内部的 熵产生，系统的熵变就可能为负[I]。 进一步，在近平衡态下，有 “最小熵产生原理”。在远离平衡态的非线性非平衡区，还引入 了“超墒”的概念 ，并由此来判断系统的稳定性 当约束条件的值超过某一闭值时，微小的扰 动可能使系统离开不稳定的定态而进人一个离平衡态更远的有序状态。耗散结构理论的产 生和发展，使我们从熵的角度研究生物学成为可能。本文从负熵流的角度将熵的概念应用于 生态学、生命系统，并提出了一些新的观点，在人类面临有限资源，如何才能做到可持续发