生命过程与生物熵
作者：马远新 安虎雁 毛莉萍
【摘要】 利用耗散结构理论通过生物熵在生命过程的变化分析，建立了正常生命过程的生物熵变数学模型，并对模型的数值变化进行了分析，探讨了生命过程中负熵流与熵增的变化趋势以及原因。
【关键词】 生物熵； 耗散结构； 生命过程
1864年法国物家克牢修斯提出了一个物理量和新函数——熵，熵是热力学系统的态函数，在绝热系统中熵变永远不会为负。统计物理学研究表明,熵就是混乱度的量度。20 世纪60 年代,比利时普利高津提出了耗散结构理论（把那些在非平衡和开放条件下通过体系内部耗散能量的不可逆过程产生和维持的时-空有序结构称为耗散结构）,将熵推广到了与外界有能量交换的非平衡态热力学体系。熵的内涵不断扩大,逐渐形成了热力学熵,黑洞熵、信息熵等概念［1］。这种广义熵的提出, 阐明了非平衡态与平衡态热力学体系熵的本质是一致的,均受熵定律支配,从而也揭示了物理系统与生命系统的统一性［2］。
各生命体的生命活动过程是具有耗散结构特征的、开放的非平衡系统, 生命现象也与熵有着密切关系, 生命体和一切无机物的一个根本区别是它具有高度有序性。根据这一特点用“熵”来描述生命是较为恰当的。引入广义熵的概念来度量生命活动过程的质量, 称为生物熵。本研究将耗散结构理论用于生命过程的研究,建立了生物熵随年龄正常变化的宏观数学模型, 用以描述生命过程的熵变。
1 生命的自组织过程中的公式模拟
一个无序的世界是不可能产生生命的，有生命的世界必然是有序的。生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂、从低级向高级进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化，这是一个熵减的方向，与孤立系统向熵增大的方向恰好相反，可以说生物进化是熵变为负的过程，即负熵是在生命过程中产生的。但是生命体是"耗散结构"，耗散结构认为一个远离平衡态的开放体系，通过与外界交换物质和能量，在一定条件下，可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态，这个新的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的。生命体通过不断与外界交换物质、能量、信息和负熵，可使生命系统的总熵值减小,从而有序度不断提高,生命体系才得以动态地。生物进化是个熵变为负的过程，即负熵是在生命过程中产生的。
一个系统由无序变为有序的现象称为自组织现象。自组织现象可以通过下面过程说明：
① 蛋白质大分子链由几十种类型的成千上万个氨基酸分子按一定的排列起来组成。这种有组织的排列决不是随机形成的，而是生命的自组织过程［4］。这表明生命体的有序自组织的形成与随物质、能量和信息带进生物体而引起的负熵有关。大的负熵状态,必然有利于有序自组织的形成。而自组织有序度的提高, 也必然会导致生物熵的进一步减少。
②生命的成长过程是生命系统的熵变由负逐渐变化趋于0的过程，可以说随着生命的成长，生物熵是由快速减少到逐渐减少的过程，这个过程中生物组织的总量增加，有序度增加，生物熵总量减少，所以熵增为负。
③衰老是生命系统的熵的一种长期的缓慢的增加，也就是说随着生命的衰老，生命系统的混乱度增大，原因应该是生命自组织能力的下降造成负熵流的下降，生命系统的生物熵增加，直至极值而死亡，这是一个不可抗拒的自然规律［5］。
生命过程是一个开放的热力学系统，熵变可以用一个耗散型结果进行描述。
dS=dSi+dSe
式中, dS为微熵即熵变,表示热力学体系在某一状态时的熵变；dSi 为系统内不可逆过程产生的熵,dSi ≥0；dSe 是开放系统与外界环境交换物质、能量产生的熵流,其符号可正可负。
根据生命过程可以建立一个简单数学模型描述生命过程的熵变。
以S(t) 表示t 时刻的生物熵值,那么1/S dS/dt 表示t 时刻生物熵的相对生长率, 从宏观上分析它应用由两部分组成：一部分是由于生命体内部发生的不可逆过程所引起的熵增加f(t) >0 ； 另一部分是该生命体生命过程中自组织生成的熵流g(t)，所以
1/S dS/dt=f(t) + g(t)［6］
分析生命体的发育过程,我们知道由生命体内部发生的不可逆过程所引起的熵增流f(t) 总是先增加(生命体的出生到逐步成熟) 再减少(逐步衰老)［7］。生命过程中自组织生成的负熵流g(t) 也总是先增加(生命体的出生到逐步成熟) 再减少(逐步衰老)。根据生命活动的全过程可以等到dS的解为：
dS=S0b(1-e-dt)-S0a(1-e-ct)
对比公式： dS=dSi+dSe
其中：负熵dSe=-S0a(1-e-ct) ，熵增 dSi=S0b(1-e-dt)
a,b是婴儿出生时的负熵、熵增系数，不考虑后天影响a,b应该是常量，起始时a ?b ；c、d分别是的时间变化系数，在生命过程中随时间有小的变化，且有d ?c 。其中, S(0) = S0 表示生命体刚出生时的熵值,也就是模型的初值, 一般认为其值较大。
假定以35岁为平衡点，即dS=0，可以得到：在小于35岁区间，dS由负值（较大）先快后慢减为0；大于35岁区间，dS由0先慢后快增加为正值（较大）；只是后期dS增加过程较前期变化过程慢许多。
2 对正常生命过程中的熵变分析
0岁左右~10岁左右，这是生命成长发育的过程，负熵大于熵增，这时，且从大到小变化。从公式可以看出婴儿出生时的熵变为负熵且较大，促进婴儿快速生长（生物组织的增加，有序的扩大）。在生命成长中熵增也在增加，并且比负熵增加的快，造成生命成长是从出生到长成过程中是逐渐变缓的，这与生命成长过程是相符合的。这个时期由于生命组织的快速正常发育，组织细胞大量增长，代表熵减的有序组织快速增加。由于生命组织的快速增加，伴随生命活动的呼吸、新陈代谢等生理活动引发的熵增也必然增加。但总体来说，生物熵在快速下降中，熵变为负且有一定数值，生命在快速成长中。
10岁左右~20岁左右，这是生命基本长成的过程，负熵大于熵增，负熵与熵增从有一定差值到20岁左右接近相等，熵变为负，且逐渐接近零。到20岁左右，生命基本长成，这时负熵约等于熵增，熵变约等于零，生物熵进入低熵状态，生命开始进入巩固时期。这个时期由于生命组织的较快的正常发育，组织细胞继续大量增长，代表熵减的有序组较快的增加。由于生命组织的增加，伴随生命活动而引发的熵增也继续增加。生物熵已经降下来了，熵变为负，从一定数值下降到约等于零，生命在继续成长中。
20岁左右~35岁左右，这是生命的巩固时期。负熵从约等于熵增到与熵增相等，熵变为微负，熵变从约等于零到等于零，生命处在一个熵比较低的平衡状态中。这个时期负熵和熵增都处于比较大的平衡状态，生命的各项指标也都在最佳状态，生命处于旺盛阶段，负熵流和熵增流都比较大。
35岁左右~50岁左右，这是生命的衰老的预备时期。负熵从与熵增相等到约等于和小于熵增，熵变为微正，从等于零到约等于零，生命仍处在一个熵比较低的平衡状态中。生命处于旺盛阶段，负熵流和熵增流都比较大，生命体征同前一阶段比较略有下降。
50岁左右以后，生命开始进入衰老时期。负熵略小于熵增，熵变为正，生命过程中的负熵和熵增都在减少中，但熵已经开始缓慢增加了。这个时期由于人体各项功能的下降，组织再造能力下降，人体组织中自由基等垃圾成分增加，组织的有序度开始下降，负熵流下降，熵增流也下降，但熵变是增加的。随着时间的推移生物熵渐渐增大起来，有序度也渐渐降下来了。
3 环境、疾病、死亡与生物熵
负熵是人体生命过程中产生的，正常情况下有较高的负熵流，当生理功能由于某种原因失常，生命过程的负熵流将下降，生物熵的上升必然造成生命体许多不适与损害。通常而言，低熵态对应着比较有序的状态，即体内有效能高转化状态［2］。
天气变化与生物熵：正常情况下，由于生命已经适应了正常的气候变化，所以正常的天气变化对生命过程的负熵没有影响，只有发生突变时，人体的正常生理调节功能无法适应变化造成负熵下降，生物熵上升，人容易生病或感到不适。
环境污染与负熵：环境污染必定造成生命组织的损害，结果使人体正常生理功能失常，负熵流下降，生物熵上升，人容易生病或感到不适。
一般疾病与生物熵：当生物体患病的时候,输入生物体内的各种无序的物质在细胞和机体中堆积起来,细胞和肌体的新陈代谢能力减弱,不能将它们分解消除掉. 随着时间的推移，负熵流下降, 生物熵上升，若得不到很好的改善,无序物的堆积就会越积越多, 生物熵增大，生命就越来越弱。
肿瘤与生物熵：熵增加原理也可以解释肿瘤在人体内的发生、扩散。医学研究表明，癌基因以原癌基因的形式存在于正常生物基因组内，没被激活时，不会形成肿瘤。原癌基因是一个活化能位点，在外界环境的诱导下，细胞可能发生癌变，即肿瘤的形成是非自发的。非自发的过程是一个熵减的过程，也就是说肿瘤细胞的熵小于正常细胞的熵［8］。然而肿瘤细胞是在体内发生物质、能量交换的，人体这个体系就相当于肿瘤细胞的外部环境，正是由于肿瘤细胞的熵减小，导致了人体这个总体系熵增大。越恶性的肿瘤，熵值越小，与体系分化越明显，使人体的熵增也相对越大，对生命的威胁越大［6］。
生命死亡与生物熵：理论上生物熵大到极值，生命过程就结束了。事实上绝大多数死亡人群都不是衰老至死的，而是在生物熵值较大时，由于疾病等意外原因使生物熵迅速增加到极值而死亡的。可以说生物熵值较大时，生命即进入一个危险时期，这也就是新生生命容易死亡的原因［9］。
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在生命系统中，负熵流是生命自组织过程中自主产生的，保持正常的负熵流是人体健康的保证。人衰老就是负熵流减少造成的，亚健康状态也是负熵流减少的一种表现，维持正常的负熵流可以增加人的寿命。对生命熵的研究为我们提供了认识和研究生命过程的新思路和新方法。
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1 陆德源，主编.医学微生物学.第3版.人民卫生出版社，1993.
2 张桂宾,马建华. 生物资源系统熵初步研究. 河南大学学报(版) ,1996 ,26(4) :81～86.
3 张岱.生物熵在医学研究中的应用. 数理医药学杂志 ,2008 ,1:86～87.
4 张岱.用耗散理论探讨生命负熵.数理医药学杂志 ,2007 ,5:712.
5 王鸿儒.主编. 医学物概念. 第1 版. 北京医大协和医科大学联合出版社,1993，171～192.
6 王开发. 年龄与生命熵. 四川师范大学学报(自然科学版) ,2001,5:320～322.
7 王梅生. 个体发育过程中生物体的熵. 华东师范大学学报(自然科学版) ,1996 ,3 :52～58.
8 姜丹 .编著. 信息论. 第1 版. 中国科学技术大学出版社,1987 ,1.
9 林传利. 熵与生物学. 重庆师范学院学报(自然科学版) ,1998 ,15(4) :70～73.
