生物熵在医学研究中的应用

【摘要】  　　从熵的角度解释生命体状态变化的物理本质，生命体的各系统在不同的状态下，都对应着一定的熵值。疾病状态时，体内微生态平衡发生变化，相应的熵值也就发生改变。

【关键词】  生命体； 生物熵； 医学应用

　　熵的概念最初是由R.J.克劳修斯在19世纪中叶建立的，以后，由普利高津和哈肯建立的非平衡态统计耗散结构理论及协同学理论，使人们对熵有了更新的认识，尤其是在无序中产生有序机制的出现，使得熵在许多方面都显示出它的重要性。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］，在生物学中，生命现象也与熵有着密切关系，形成了生物熵。生物熵概念正逐渐引入生物医学的研究之中，成为现代医学研究的一种新思路、新方法。本研究介绍了熵的意义及生物熵在现代医学研究中的应用。

　　1  熵概念的
   
　　热力学第二定律是指明热力学过程方向的规律，它指出了自发过程的方向，并且说明所有实际热力学过程都是不可逆过程。由此可见，在发生热力学过程的初态和终态之间存在重大性质上的差别。这种性质如果用一个物理量来量度的话，那么这个物理量应是一个态函数，而且可从它的变化说明系统发生变化过程的方向性。克劳修斯把它称做熵。
   
　　对于绝热系统，因dQ=0，则
   
　　dS ≥0 。（1）
   
　　式中等号对应可逆过程，不等号对应不可逆过程。式（1）表明绝对系统的熵永不减少。因为实际的绝热过程总是不可逆的，因而熵总是增加的。在此可得到下述结论：在绝热系统中发生的不可逆过程，或孤立系统中发生的自发过程，其熵总量是增加的。或者说，这些过程总是沿着熵增的方向进行。这一结论称为熵增原理。

　　2  熵的统计表述
   
　　通常将一个宏观态所包含的微观态数目称为该宏观态的热力学几率。统计分析表明，平衡态所包含的微观态数目大大超过非平衡态，所以，在不受外界影响时，系统总是处在平衡态上。如果系统受到外界影响，使它处于非平衡态上，则过了一定时间后，系统就能自动过渡到平衡态。
   
　　综上所述，可以得出结论：在孤立系统中发生的自发过程总是从包含微观态数目少的宏观态向包含微观态数目多的宏观态转变。或者说，从热力学几率小的宏观态向热力学几率大的宏观态过渡。

　　3  信息熵

　　3.1  信息量
   
　　一个信源包括着若干条信息，一般地说，这些信息都不是确定出现的，设第i条信息的概率为P（i），当信源发布其中某一条信息后，它的不确定性就减少为零。就好像掷一个骰子，第i面朝上的几率为P（i），但当这个骰子落地，只有某一面朝上，其概率为1，其他面朝上的概率为零，不确定性就不存在了，这个不确定性的变化反映了信源中包含信息量的大小。所以，信息量是一个具有不确定性的信息集合的信源中获得一个确定信息时所减少的不确定性的度量，具体地说，用
   
　　H=-?ip(i)log2p(i)（2）
   
　　来表示，H为信息量，P为得到该信息的几率。

　　3.2  信息熵
   
　　在一个信源的信息量时，全部信息应为各信息量之和
   
　　H=?iHi（3）
   
　　各信源的信息量通常是不一致的，因此需要引入平均信息量的概念，所谓平均信息量是指一个信源信息量的平均大小。
   
　　=?ipiHi=?ipilog21Pi（4）
   
　　在获得信息都是相等几率的情况下
   
　　H=?iPilog21p=log21P=Hi（5）
   
　　精简化后，可以把第i个信息的信息量看作是平均信息量或信息熵，在这种意义上，信息量即信息熵［2］。

　　3.3  生物熵
   
　　1945年，量子力学的创始人之一薛定谔发表了《生命是什么？活细胞的物观》一书。书中提出，对生命现象进行普遍的物理解释是可能的，他把生命现象归结为少数几个基本物理问题。第一个问题是：生物体如何维持自身的非平衡态？他的回答是：非平衡态是通过熵从生物体流向周围环境来维持的。第二个问题是：生命体为什么一定要由大量的原子组成？回答是由少量几个原子所构成的系统不可能是有序的，即便有序，也会被热运动的起伏破坏。生命的许多基本问题与熵有着密切的联系。

   
　　生物是一个开放系统，开放系的熵决定于系统内产生的熵、外部流入的熵及系统流向外部的熵的数量。比如，人体是一个开放系，其熵的改变由两部分之和决定，一是机体内产生的熵diS，二是流入的熵deS。于是总熵变化为：
   
　　ds=diS+deS(6)
   
　　因为diS>0，而deS取决于环境。当开放系统处在非平衡的稳态时，dS=0，故有：
     
　　-deS=diS   (7)
   
　　这表示机体内产生的熵正好全部流出机体。一个发育完全的健康的青年成年人，在较长一段时间内保持稳定的体重，就是处在这种非平衡的稳态。发育中的儿童及更年期后的成年人的机体则不处于这种稳态，体重增加或减少。
   
　　生物机体与外界交换物质时，生物体排泄的熵往往大于生物体吃进的营养物质的熵。因此，总熵仍是增大的，这并不违反热力学第二定律。关于生物体与外界的交换，薛定谔有句名言：“生物体以负熵为食”。
   
　　生物界有生命的生长过程是从单细胞到多细胞生物演化而来。从氨基酸、蛋白质分子到组成各种组织、器官系统直至高度发达的大脑，蛋白质分子有高度的有序排列及极其复杂的空间构象。因此，不同的蛋白质，熵也不同；由蛋白质再组成不同的组织、器官，其复杂程度也各异。低等生物体的复杂程度较高等生物低，其熵就较高。
   
　　下面是两个生物熵的例子：
   
　　① 大肠杆菌的生长过程中熵的变化，为此我们利用熵的公式：
   
　　S=klogeP
   
　　K是玻兹曼常数，P是微观态数，熵S的单位是焦/度或卡/度，可以证明熵S和信息H只差一个常因子。
   
　　S=(kloge2)H
   
　　因此熵也可用比特来度量，两种的关系为：
    　　
　　1比特≈10-23焦/度≈2.3×10-24卡/度
   
　　一个大肠杆菌含2.1×104分子DNA，4.2×104分子RNA，每个DNA或RNA分子平均长4000核苷酸，每个核苷酸有log24=2比特的信息量（因为有4种碱基），所以核酸信息量为5×108比特，一个大肠杆菌含4.7×108分子蛋白质，每个蛋白质平均有1000氨基酸，每个氨基酸有log220=4.3比特的信息量，所以蛋白质信息量为2×1010比特，两项合在一起，总信息量仍为2×1010比特。核酸、蛋白质的形式，好比发布信息，它具有的信息量为2×1010比特，这对应于2×10-13焦/度的熵，换句话说，由于序列形成中物质的有序化，系统的熵减少2×10-13焦/度，这里忽略了核酸、蛋白质以外其他大分子包括的信息，也没有考虑其他过程中产生的熵，如果核酸、蛋白质序列形成的热力学效率为12%，那么实际排出的熵应为2×10-13/0.12=0.17×10-11焦/度，如何排出呢？熵是由于分子热运动，所以可通过向外界传递热量的方式使系统的熵减少，设细菌培养是在绝对温度310K进行，那么排出热量应为0.17×10-11×310=0.5×10–9焦，每个大肠杆菌的干重为6.7×10-13克，复制时间为1200秒，因此每克大肠杆菌成长过程中耗散热功率为0.6瓦，这个理论结果和实验完全一致［3］。
   
　　② 在肿瘤生长过程中，熵与肿瘤熵增加原理也可以解释肿瘤在人体内的发生、扩散。细胞基因癌变，造成人体正常基因组的异常活化,细胞无节制地扩增,使有序向无序转化,加速生命的耗散，熵值异常增大，在短期内熵值就增到极大值，人的生命便终止了。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。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。
   
　　熵与抗癌药物的研究熵增原理对人们研究抗癌药物也有启发。例如利用体细胞杂交法可获得分泌抗体的杂交细胞系，当导入的抗体素抑制癌细胞的恶变、削弱它的增殖时，细胞本身的混乱程度将会减小，趋向于稳定的低熵状态，这就相当于给体系内部输送了负熵，使体系趋于有序状态。又如DNA是许多抗肿瘤药物的靶分子，这些药物通过嵌入、沟槽等方式与癌细胞的DNA结合，抑制肿瘤细胞的分裂增生，最终使肿瘤细胞增生停滞，或使其向正常细胞分化，或诱导肿瘤细胞发生程序性死亡，从而产生抗癌作用。阿霉素（ADM）这个抗肿瘤抗生素就是以典型的嵌入方式与DNA相互结合的［4］，破坏DNA的模块功能，阻止转录过程，在抑制DNA、RNA蛋白质合成的同时，也改变癌基因的结构或影响癌基因的表达。由于ADM?DNA复合物比独立的DNA和ADM分子更有序，因此导致一定程度的熵减，有序度增加。
   
　　应用生物熵研究生命现象的目的在于预测目前尚未被人类所知的现象，为医学的提供新思想和新建议，促进医学的发展。

【】
  　　1 陆德源,主编.医学微生物学.第3版.人民卫生出版社，1993.

　　2 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.

　　3 姜丹,编著.信息论.第1版.中国技术大学出版社，1987，1.

　　4 罗辽复，编著.物理学家看生命.第1版.湖北出版社，1998.