2013第四部分能量与代谢.pdf

第四部分能量与代谢 1 生物应是相对独立的非孤立系统 热力学第一定律 即能量守恒定律。孤立系统的总能量是一个 常数，能量可以被转化和转移，但不可能被 创造，也不可能被消灭。 热力学第二定律 孤立系统的各个过程总是向熵值增大的方向 进行。即向随机和无序状态发展。平衡态 “宇宙热寂说” 生物的进化则是由低级到高级，朝熵减少、 向有序的方向进行。非平衡态 2 平衡态与非平衡态 平衡态：  系统内或系统与外界的一切不平衡势能均不存在， 系统内的各点参量是均匀一致的，尤其各点温度 是一致的，系统与外界不伴随熵流。 非平衡态：耗散结构(dissipative structure) 包含多基元多组分多层次的开放系统，处于远离 平衡态时在涨落的触发下从无序突变为有序的结 构。系统是开放的，与外界不断发生能量交换， 即有负熵输入。生命现象具有典型的耗散结构的 特征。 3 普利戈津与耗散理论 1. 普利戈津与布鲁塞尔学派的同事们创立了一种新的 关于非平衡系统自组织理论—耗散结构理论。 2. 按照耗散结构理论，一个远离平衡态的开放系统， 无论是力学的、物理的、化学的、生物学的，还是 社会的、经济的系统，如果不断地与外界交换物质 和能量，在外界条件变化过渡到一定程度，系统内 部某个参量变化过渡到一个临界值时，经过涨落系 统可能发生突变，即非平衡相变。该系统由原来的 混乱无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能 上的有序状态。 3. 由于对非平衡热力学特别是耗散结构理论所作的重 大贡献，普利高津于1997年荣获诺贝尔化学奖。4 普利戈津(Ilya Prigogine) 普利高津1917年1月25日在莫斯科出生, 于1941年在布鲁塞尔自由大学获化学博 士学位;1951年起任该校理学院教授， 1959年担任索尔维国际物理及化学研究 所所长。1967年他来到得州大学奥斯汀 分校任物理学和化学工程的教授,1977 成为Regental教授,1984年成为Ashbel Smith教授. 在奥斯汀时，他开创了研究统计力学和复 杂系统的伊利亚.普利高津中心,即后来的热力学和统 计力学中心。普利高津博士于2003年5月28日在比利时 布鲁塞尔的伊拉斯谟医院病逝,享年86岁。 5 生物体是远离平衡态的开放系统 1) 热力学第二定律指出, 在一个封闭体系内, 无序性趋向于增加, 即熵值增大。 2) 生物体是一个远离平衡态的开放系统, 与 外界环境不断发生能量和物质的交流。 生物体通过不断捕获新的能量来构建自身 的有序结构, 抑制无序性的增加。 3) 就整个系统而言, 能量的消耗仍伴随着无 序的增加, 并不违背热力学第二定律。 6 生物作为开放系统维持其相对稳定 的非平衡态需要不断有能量的输入 7 地球三极生态系统能量循环 能量是以物质形式呈递的 8 生物能学  生物能学是研究生物整个机体与环境互作中 的能