耗散结构和生物有序.docVIP

参考书目 　G.Nicolis,I.Prigcgine, Self-Organization　in Nonequilibrium　Systems,John　Wiley Sons, New York,1977. 耗散结构和生物有序 - 正文 　　耗散结构泛指一个系统在非平衡和开放条件下，在与外界环境交换物质和能量的过程中，通过系统内部的能量耗散过程产生和维持的某种宏观的时(间)－空(间)有序结构。而时－空上或结构功能上的有序正是生命世界的一个基本特性──生物有序。这种有序是通过生物体内的新陈代谢过程得以产生和维持的。新陈代谢是一种典型的能量耗散过程。因此生物有序（至少从宏观水平上呈现出来的生物有序）属于耗散结构的范畴。耗散结构理论从原则上为从物理－化学的原理出发认识生物有序现象以及与之相关的生物进化现象开辟了一条新的途径。 　　耗散结构的概念，是由比利时物理化学家I.普里戈任在长期研究非平衡态热力学所取得成果的基础上，于1967年提出来的。结构一词泛指那些包含有大量结构单元（原子、分子、细胞等）的复杂系统在空间、时间或功能上呈现出来的某种宏观的有序行为。耗散结构一词强调能量耗散过程在建立有序结构方面所起的积极作用。 　　耗散和热力学第二定律?　耗散是指能量从某种比较容易利用的形式（如机械能、电能、化学能）向比较难于利用的形式（如热能）转化的一种特性。自然界中的一切自发过程（实际发生的过程）都伴随着能量的耗散。能量耗散过程是一种不可逆过程。例如摩擦生热是机械能转化为热能的一种典型的不可逆过程。能量耗散过程的不可逆性反映了能量转换过程的方向性，也反映了时间的方向性。随着时间的流逝，实际发生的过程总是使系统的状态向一个确定的方向发展。在一个与外界环境既不能交换物质也不能交换能量的孤立系统中，内部的过程总是使系统趋向于一种宏观静止的、没有宏观差别的平衡态──一种没有宏观结构的无序状态。因此孤立系统总是向着增加无序程度的方向发展。为描述自发过程耗散能量和增加无序程度的特性，德国物理学家R.克劳修斯引入了熵的概念。熵是一种状态函数,通常用S表示。对孤立系统，熵永不减少，恒有 　　　　　　　　　 dS≥0　　　　　 (1) 这是热力学第二定律在孤立系统中的一种数学表示形式。 　　生物有序?　在生命运动的各个层次上充满着物质在空间上的有序分布和时间上的有序运动。生命本身就是高度有序的系统。生物有序广泛地表现在生物的空间结构上，除了生物分子结构上的高度有序性，生物形态也是生物体空间有序现象的重要体现。生物有序还可以表现在生物过程的时间行为上，人们早就发现，生命运动的各级水平上存在着内在节律性。生物体的这种节律性俗称生物振荡或生物钟。分子水平上的生物振荡又称为生物化学振荡。生物化学振荡的一个典型例子是糖酵解振荡。在某些条件下，糖酵解反应过程中涉及的许多中间化合物和酶的浓度可随时间周期变化，而这种振荡过程有利于整个糖酵解过程适应环境突然变化的能力，并能提高能量的利用效率。这可能是生物在进化过程中发展和保留这种振荡过程的一个原因。生物振荡还表现在细胞、器官、系统甚至生物群体水平上，例如，在某一地区某些动(植)物的数量会发生周期性的变化（见生物节律）。因此可以认为：生命过程中的生长、发育、繁殖和新陈代谢全都是依靠生物体中成千上万个生物化学反应的高度有序和一致协同来实现的。破坏了这种有序性，生命就无法维持。 　　有序结构和开放?　长期以来，宏观时－空水平上的自发有序化现象（也称为自组织现象）曾被认为是生物体所特有的，是不能用物理－化学原理（特别是热力学第二定律）解释的。如历史上有所谓C.R.达尔文和R.克劳修斯的矛盾。热力学第二定律认为孤立体系总是朝着熵取最大值的状态即最无序的状态演化。而生物进化论认为，生物界的序是不断增进的，从简单到复杂，由低级到高级,是朝着高度有序的方向进化的。事实上,热力学第二定律关于体系的熵总是增加的结论只适用于孤立系统，而生物系统显然不是孤立系统。生物体一时一刻离不开环境。生物体和环境之间一刻不停地发生着能量和物质的交换，生物系统显然属于典型的开放系统。 　　对于开放系统，伴随着能量和物质的交换，系统和环境间同时必定有熵的交换。一个系统总熵的变化 (dS)取决于系统内部的不可逆过程引起的熵产生 (diS)和系统与环境间的交换过程引起的熵流 (deS)这两者贡献之和，即有 　　　(2) 热力学第二定律的本质是熵产生永不为负，即恒有 　　　 (3) 对于孤立系统deS=0,(3)式等价于(1)式。对于开放系统，若有 　　　　(4) 可有dS〈0。这就是说，对于开放系统,维持一个足够强的负熵流，系统就可以维持在一个低熵的、可能比较有序的状态。事实上，有机体要维持高度有序的生活状态，需要不断排出熵，正如E.薛