熵补偿原理与生物有序性

熵补偿原理与生物有序性 Ξ 杨 　金 (蒙自师范高等专科学校化学系 ,云南 蒙自 661100) 　　摘　要 : 　本文简要介绍了熵补偿原理 ,应用熵补偿原理解释和讨论了自然界普遍存在的生物有序性. 关　键　词 : 　熵补偿原理 ;生物有序性 ;熵流 ;熵产生 中图分类号 : 　O64 　文献标识码 : 　A 　文章编号 : 　1008 - 9128(2001) 02 - 0007 - 03 1 　引言 从热力学第二定律可知 :孤立体系的熵永 不减少 ,其发生变化的方向是明确的 ,向熵增 大的方向进行 ,即从有序趋向无序. 然而 ,这个 结论与我们所观察到的世界是不相符的. 许多 树叶、花朵、动物的毛皮和蝴蝶翅膀的花纹都 呈现出美丽的颜色和规则的图案 ,人的身体也 是高度有序的. 自然界总是不断地向着复杂化 和多样化发展 ,特别是向着高度有序化发展 , 甚至把整个社会作为一个“体系”,也是趋向于 更加有序 ,更加有组织. 那么 ,是否是热力学第 二定律不正确 ? 如果不是 ,又应该如何说明自 然界广泛存在的生物有序性 ? 2 　熵补偿原理 一个体系 A ,只要当它与一个或多个辅助 体系相互作用 (物质和能量) ,并在相互作用过 程中辅助体系的熵增大值足以能补偿体系 A 的熵减小方可能发生或说体系 A 才能从无序 转变到有序. 图 第 3 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　蒙自师范高等专科学校学报 　　　　　　　　　　　　Vol. 3 　No. 2 　2001 年 4 月 　　　　　 　　　 　　Journal of Mengzi Teachers’College 　　　　　　　　 　 　　Apr. 2001 Ξ 收稿日期 :2001 - 04 - 02 作者简介 :杨金 (1973 - ) ,男 ,云南个旧人 ,助教 ,主要从事化学理论研究 A :敞开体系 ,生物体就属于这一类体系 ; A‘:A 的辅助体系 ,与生物体有物质和能 量交换的环境就属于这一类体系 ; A 3 :由 A 和 A‘组成的孤立体系 ,生物体 与环境组成的体系就属于这一类体系. A 3 的熵变 (ΔS) 等于 A 的熵变 (ΔSA) 与 A ‘的熵变 (ΔSA‘) 之和 :ΔS = ΔSA +ΔSA‘ ,A 3 的 熵变ΔS ≥0 ,即ΔSA +ΔSA‘ ≥0 ,A 的熵变 (ΔSA) 与 A‘的熵变 (ΔSA‘) 是否都要大于等于零 ? 不 一定 ,只要 SA‘的增大量足以补偿 SA 的减小量 , 也能满足ΔSA +ΔSA‘ ≥0. 从体系 A 来看 ,A 的熵变 (ΔSA) 包含两部 分 :一部分是由于体系内部发生不可逆过程而 引起的熵变 (ΔSI) ,称熵产生 ,对于内部发生多 种不可逆过程 ,ΔSI =ΔSI (1) +ΔSI (2) +ΔSI (3) + ⋯⋯;另一部分是体系 A 与辅助体系 A‘发 生物质和能量的交换而引起的熵变 (ΔSE) ,称 为熵流.ΔSA =ΔSI +ΔSE ,虽然体系 A 内部发生 的不可逆过程ΔSI > 0 ,但是只要流入体系的负 熵流足以补偿不可逆过程引起的熵产生 (ΔSI) , 体系A 的熵变可保持ΔSA ≤0 ,即体系A 保持有 序或向有序转化. 生物体就是通过与环境的物 质和能量交换 ,使环境的熵增大 ,从而使自身 的熵减小或保持不变 ,进而实现自身的有序 性 ,并向高度有序发展. 3 　生物有序性 无论是简单的细菌或复杂的人 ,生物体生 命的维持都需要与外界连续不断地进行物质 和能量的交换. 把生物体作为研究对象 ———体 系 ,它应属于非平衡态的敞开体系 ,由热力学 第二定律得出的熵增加原理只适用于孤立体 系 ,对生物体这样的敞开体系不适用 ,生物体 的有序性应该用熵补偿原理给予说明 ,当把生 物体和环境作为一个体系时 ,才符合熵增加原 理. 生物体内部也要连续不断地进行各种不可 逆过程 ,如 :化学反应、扩散、血液流动等等. 生 物体的熵变ΔSA =ΔSI +ΔSE ,ΔSI 是生物体内不 可逆过程引起的熵产生 ,就体系内部变化而 论 ,我们可以把体系看成是与环境隔离的 ,根 据熵增加原理 ,其值为正 ;ΔSE 是生物体与外界 进行物质和能量交换而引起的熵流 ,其值可为 正、负零 ,我们可把ΔSE 分成两项 :ΔSE (能量) 和ΔSE (物质) ,ΔSE (能量)是生物体与环境进行 热交换引起的 ,ΔSE (物质) 是生物体与环境进 行物质交换引起的. 如果把生物体与外界隔离 ,则ΔSE = 0 , ΔSA =ΔSI < 0 ,生物体熵值不断增大 ,生物体就 会趋向混乱而死亡. 对于一般活着的生物体 , 它的状态在相当长时间内几乎维持不变 (如 24 小时内) ,它处于非平衡的稳定态 ,在这期间 , ΔSA ≤0 ,由ΔSI > 0 ,ΔSA =ΔSI +ΔSE 知 ,必须有 足够的负熵流供给生物体来抵消熵产生. 负熵 流是如何产生的 ? 当环境的温度低于生物体 的体温时 ,则热量由生物体流向环境 ,环境的 熵增大 ,而生物体的ΔSE (能量) < 0 ,环境向生 物体输入负熵流 ,因此环境温度适当低于生物 体体温是有利生物体存活的 ;当环境的温度接 近生物体的体温时 ,生物体代谢加快 ,大量流 汗 ,通过蒸发散热 ,以另一方式使热量由生物 体流出 ,环境的熵增大 ,ΔSE (能量) < 0 ,也是环 境向生物体输入负熵流 ;当环境的温度超过生 物体体温时 ,热量由环境流向生物体 ,环境的 熵减小 ,环境向生物体输入正熵流 ,这种情况 对生物体生存不利. 一般情况下 ,生物体的体 温低于环境温度 ,ΔSE (能量) < 0 ,环境的熵增 大. 生物体摄取含有高度有序的低熵值聚合分 子食物 ,如 :淀粉、蛋白质等 ,并排泻废物 ,它们 8 蒙自师范高等专科学校学报 　　　　　　　　　　　　　　第 3 卷 含有有序度较小的高熵值小分子 ,因此被摄取 的食物之熵小于重新排回环境的产物之熵 ,这 就使ΔSE (物质) < 0 ,负熵流入生物体内 ,环境 的熵增大. 从ΔSE 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 看出 :通过环境的熵增 大 ,向生物体输入负熵流 ,补偿生物体不可逆 过程中的熵产生 (ΔSI > 0) ,从而使生物体维持 有序. 在 Schrodinger 的《生命是什么 ?》一书中写 道 :“一个生命有机体不断地 ⋯⋯产生正的熵 (ΔSI > 0) ,因此就势必接近具有极大熵值的危 险状态 ,即死亡. 有机体只有不断地由环境吸 取负熵才能维持生命 ⋯⋯. 新陈代谢作用最基 本的内容是有机体成功地使自身放出它活着 时不得不产生的全部熵. ”这样 ,生物体长期保 持有序结构 ,不但不会趋向简单和混乱 ,反而 会越来越复杂 ,有序地走向演化和发展. 自然界普遍存在的生物有序性并不违背 热力学第二定律 ,熵补偿原理对生物有序性能 作出合理的解释. 参考文献 : [1 ] 　韩德刚 ,高执. 化学热力学[M] . 北京 :高等教育出 版社 ,1997. P123. [2 ] 　高盘良. 化学热力学 [M] . 北京 :北大化学系物理 化学讲义 ,1999. 21 - 32. 248. [3 ] 　傅献彩. 沈文霞. 姚天扬. 物理化学 [M] . 北京 :高 等教育出版社. 1990. 167 - 174 [4 ] 　北京大学教学参考书. 物理化学[M] . 上册 三年级上册必备古诗语文八年级上册教案下载人教社三年级上册数学 pdf四年级上册口算下载三年级数学教材上册pdf . 北京 : 北大出版社. 1990. 202. [5 ] 　D. Wilkie. Thermodynamics and Biology [J ] . Chem. Brit ,1970 , (6) :473. Compensation Primciple of Entropy And Order Character of Creature YAN Jing (Department of Chemistry , Mengzi Techers’College , Mengzi 661100 China) Abstract :This article simply introduces the compensation principle of entropy and applies it to explain and discuss the order character of creature which is ubiquitous in nature. Key words :compensation priciple of entropy ; the order character of creature ; entropy flow ; entropy production 9第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　杨 　金 :熵补偿原理与生物有序性