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耗散结构 Dissipative Structure Theory 时间之矢 非平衡态 开放系统 耗散结构 时间之矢 “人不能两次踏入同一条河流” dS孤 0 S = k log W -S = k’ log1/ W 生命是什么? 系统一旦进入远 离平衡区,少量的热涨落 就足以使它进入完全不同的新状态。即引起系统的突 变,从而导致按照熵产生极小原理所确定的热力学关 系变得不稳定,表现出复杂的时空行为,引起宏观结构 的形成和宏观有序的增加。 耗散结构:非平衡突变中出现的自组 织的有序结构为耗散结构。 因为这一定是出现在能量耗散的系统, 与平衡结构相对比,这些物理结构或化 学结构要求有更多的能量来维持它们。耗散结构需要远离平衡的条件。 熵与细胞 肿瘤细胞 细胞发生恶变时, 其生长和分裂不再 服从常规的调控机制,则表现为自主性生长。(方式 和数量都是无序状态增大) 基因治疗 肿瘤细胞在某种情况下,表现为基因 过度扩增(基因突变),传递错误信息;把发生突变的 基因片段切除掉,并进行DNA修复,在一定程度上促 使生物体趋于有序的稳定状态. 自由基 生物体氧化过程会产生一些高活性的自 由基,它们是生物氧化过程的副产物或中间体,正常 情况应该被自由基抑制剂(辅酶Q、维生素E，维生素C、维生 素A、巯基化合物(半胱氨酸、谷胱甘肽)、超氧化物歧化酶（SOD)、过 氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和谷 胱甘肽还原酶(GSSG-R))清除. 自由基与疾病 肿瘤,心血管疾病,衰老等. 熵与药物 活性小分子 顺铂, 阿霉素,秋水仙碱等抗肿瘤药物. 武汉大学屈松生等用间歇式微量热计和活塞流微量热计,结合光谱法, 循环伏安法等技术,研究了阿霉素,博莱霉素等抗肿瘤药物与DNA的相互 作用机制和一系列热动力学性质,实验结果证明:ADM与DNA作用是较大 的放热反应,并伴随着明显的熵减. 靶向药物 小分子药物 (与受体的特异结合) 熵与人的情绪 人的情绪过激，如大喜、大怒、大哀、大乐，都不 利于养生；从分子生物学的角度看，都是功能分子正 常的有序结构被部分破坏；从熵的角度看，是导致了 该部分结构的熵增加，还能因其非线性相互作用，诱 发其他组织的病变，形成生命之熵的反馈增长。如果 此时外界采取某种适当的方式，比如药物治疗(表现为 提供一种物质负熵流)，挚友的开导(表现为提供信息 负熵流)，或改变环境并加以自身有意识的反省(表现 为对熵增的一种负反馈)，均可以使情绪好转，恢复低 熵状态。因此，从信息熵流的角度看，避免生命之熵 突然增值，是有利于健康长寿的. 生物膜中的耗散结构 细胞膜是高度选择的半透性屏障,它含有专一性的分子通道,在细胞与外界进行物质,能量,信息交换等方面起重要作用。 P-糖蛋白的外排作用 细胞膜上的受体表达 * * 第2页 第3页 “人不能两次踏入同一条河流” 牛顿定律存在时间反演，即规律具有时间反演的对称性。 然而，一旦熵介入，情况就截然不同了。一涉及热现象， 本质上都是不可逆的。 我们所观察的自然现象不可逆性，与熵增加是一致的；熵 成为演变的指示器——时间之矢：对一切孤立系统，未来就 是熵增加的方向。 第4页 生物进化，其图像却截然不同，指向了相反的方向。即，从简单到复杂，从生命的“低级”形式到“高级”形式，从无区别的结构到层次众多、复杂无比的结构，意味着从无序到有序的演变。 生物学的有序性既指结构上的，也是功能上的。在细胞的或超细胞的水平上，通过一系列不断增长复杂性和层次特点的结构和耦合功能表现出来。 生命是什么？ 神学家认为，生命是最大的奇迹， 人类生命是上帝宇宙计划的最高成就， 对科学家来说，生命是自然界最令人惊讶 的现象。 熵增加是有序向无序转变； 系统能量不断贬值； 结构将变得缺少组织性， 随机性增加，功能减少； 第5页 第6页 薛定谔（1887～1961） (奥地利物理学家。概率 波动力学的创始人 。 1933年与狄拉克共同获 得诺贝尔物理学奖。 一个生命有机体,在不断地增加着它 的熵—你或者可以说是在增加正熵—并 趋于接近最大值的熵的危险状态,那就 是死亡。要摆脱死亡,就是说要活着,唯 一的办法就是从环境里不断汲取负熵, 我们马上就会明白负熵是十分积极的东 西,有机体就是赖负熵为生的。 ----薛定谔生命是什么? 第7页 深入讨论离开平衡态不远的非平衡状态的热力学系统的物质、能量输送过程， 即流动的过程，以及驱动此过程的热力学力，并对这些流和力的线性关系做 出了定量描述，指出非平衡系统（线性区）演化的基本特征是趋向平