熵的世界.doc

生物熵生命的许多基本问题与熵有着密切的联系。1945年，量子力学的创始人之一薛定谔发表了他的杰作生命是什么?活细胞的物理学观。书中提出，对生命现象进行普遍的物理解释是可能的。他认为：生物体要维持自身的非平衡态，就要通过熵从生物体流向周围环境来维持。在19世纪有两个光辉的演化理论，一个是达尔文的生物进化论，即生物由单细胞向多细胞进化，这是一个朝着有序化方向进行的演化；另一个是孤立系的热力学系统演化论，即熵增加原理，孤立系始终朝着无序化的方向演化。这两个演化论并无矛盾，因为生物系是一个开放系统。 生物是一个开放系统，开放系统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，一个正常的人是一个开放系统，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。于是总熵变为 dS=diS+deS因为diS0，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-diS=deS 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年轻人，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再处于这种稳态。人要持续生存，就要防止自身的熵增，或者尽量减缓自身的熵增，这就是生命在其一生中不停在做的事情。人们总是吃一些蔬菜、肉类，这些东西的纤维机构和蛋白质排列是相当规则的低熵物质；而人们每天又向体外排泄着一些东西，这些东西相比我们吃进去的东西来说是相当无序的高熵物质。我们就是在这样的饮食和排泄中维护着体内的熵。当人体不再吸取有规则的食物或者无法排泄无序的废物的时候，生命就要终结了，因为它无法再维持熵的平衡。在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， 信息熵实际上信息就是熵的对立面，因此熵是体系的混乱度或无序度的数量，但获得信息却使不确定度减少，即减少系统的熵。为为此，香农把熵的概念引用到信息论中，称为信息熵。信息论中对信息熵的定义是S=-ki=1NPilnPi香农此定义的信息熵，实际上就是平均信息量，这可如下去理解S=ki=1NPiln1/Pi而Pi为i事件的概率，而ln1/Pi为i事件的不确定度。(例如，当Pi=1，即100可能性出现时，则ln1/Pi=0，表示不确定度为零；当Pi =0，即100不可能出现时，则ln1/Pi，表示不确定度为无穷大)。由信息量的定义可知，k= ln1/Pi为第i事件的信息量。既然为Pi为第i事件出现的概率，则由利用概率分布求平均值的公式可知，信息熵的表达式就是平均信息量，很易证明，对于等概率事件有如下关系：S=-klnN（N为等概率事件的不确定度）由此可见，信息的利用(即信息熵的欠缺)等于信息熵的减少，因而有信息量欠缺I，等于负熵(熵的减少)，I=S信息对决策的影响，可以从两个方面来解释：其一，从决策环境上看，有确定型决策和不确定型决策，两者比较起来，在确定性环境下进行决策，使主观认识和客观存在比较容易一致，因此，我们希望把不确定性环境转化为确定性环境，而这种转化只有靠获取有关信息才能使环境的不肯定性减少；其二，从决策者的信念上看，信息之所以能对决策有作用，它是通过对决策者的信念产生影响来体现的。决策者对事物原来有一些看法。形成了自己的信念，当获得了有关信息后，信念就发生了改变，这种改变就是信息对决策的影响，体现了信息在决策中的价值和作用。 熵和信息在统计分析与推断中也有广泛的应用，比如，在已知随机变量的均值情况下，利用最大熵准则，来推动它的分布；在平稳随机序列分析中，利用最大熵谱估计，以及在评价预报质量时，利用信息量去评定优劣等。生命与负熵既然信息等于负熵，则我们也可把负熵的概念应用到生物中。DNA分子在按照亲代的遗传密码转录、翻译并复制后代的蛋白质分子时造成信息量的欠缺，它造成生物体熵的减少，这就是生物中的负熵。现在科学前沿人们正在把熵引入到遗传学的基因研究中，提出了生物熵的概念。希望通过人工对DNA遗传信息密码，进行切割和重组，并在里面引入外来基因，人为地改变遗传密码，形成新转基因生物，从而使之具各人们需要的性质。例如弄明白人体器官是怎样按时间顺序和空间位置发育的，则就能克隆新的器官；同时正在研究进行基因治疗，对一些由于基因突变所导致的癌症，可进行转基因治疗。现在弄清人的全部全长基因的计划正在进行。基因的研究将提供关于人类及其它生物的DNA结构组成和特性的详细信息，对人类认识自身，揭开生命奥秘，奠定21世纪生命科学发展的基础具有重要意义。生物中的集富效应是生物中负熵的典型例子。如海带能富集海水中的碘原子，若设想一个模型，海水中的碘原子是在海水背景中的理想气体分子，则海带集富相当于把碘“气体”进行等温“压缩”。显然在这样的过程中碘原子系统的熵是减少的(也就是说碘从无序向有序转化)，这时海带至少必须向外释放丁ST的热量。注意到理想气体等温压缩中外界要对系统作功，但在海带集富中外界并未作功，而是利用了一定的信息量(即造成信息的欠缺)，从而使海带的熵减少。从海带集富碘这一例子可清楚地看到，生命体是吸取了环境的负熵而达到自身熵的减少的。在这里“吸收环境的负熵”可理解为是向外界放热，也即形成负熵流。1938年天体与大气物理学家埃姆顿(Emden)在“冬天为什么要生火?”一文中指出，冬季在房间内生火只能使房间维持在较高的温度，生火装置供给的能量通过房间墙壁、门窗的缝隙散逸到室外空气中去了与我们生火取暖一样，地球上的生命需要太阳辐射。但生命并非靠入射能量流来维持，因为入射的能量中除微不足道的一部分外都被辐射掉了，如同一个人尽管不断地汲取营养，却仍维持不变的体重。我们的生存条件是需要恒定的温度，为了维持这个温度，需要的不是补充能量，而是降低熵。埃姆顿的这一段话道出了生命体要维持生命的关键所在从环境吸取负熵。以人类为例，人可数天不吃不喝，但不能停止心脏跳动或停止呼吸。为了维持心肌和呼吸肌的正常作功，要供给一定的能量，这些能量最后耗散变为热量。而人体生存的必要条件是维持正常的体温，所以要向外释放热量(也即从环境吸取负熵)。人虽然能数天不吃不喝，但不能数天包在一个绝热套子内，既不向外散发热量，也不与外界交换物质(如呼吸)。这说明了，生命是一个开放的系统，它的存在是靠与外界交换物质和能量流来维持的，如果切断了它与外界联系的纽带，则无异于切断了它们的生命线。从外界吸取负熵就是一条十分重要的纽带。薛定谔在生命是什么?一书中指出，生命的特征在于它还在运动，在新陈代谢。因此，生命不仅仅表现为它最终将死亡。使熵达到极大，也就是最终要从有序走向无序，更在于它要努力避免很快地衰退为惰性的平衡态，因而要不断地进行新陈代谢。薛定谔认为单纯地把新陈代谢理解为物质的交换或能量的交换是错误的。实际上生物体的总质量及总能量并不因此而增加。他认为，自然界中正在进行的每一种自发事件，都意味着它在其中的那部分世界(它和它周围的环境)的熵的增加。一个生命体要摆脱死亡，也就是说要活着，是使有机体能成功地消除它新产生的熵 (这些熵是它活着时必须会产生的，因为这是一个不可逆过程)，并能使自己的熵变得更小，其唯一的办法就是不断地从环境中吸取负熵。因此，我们可以将上述论点以“生命赖负熵为生”予以概括。基于熵理论的可持续发展 人类社会系统的正熵主要来源于环境能量物理灾变、生物灾变和人类生产消耗等过程中产生的熵增。自然环境系统的熵增主要体现在环境的污染和恶化上；生物灾变的熵增主要表现在人类行为引起的生物物种的不利变异及对人类社会发展和自然环境系统的稳定的不利影响上；人类社会系统的熵增则主要体现在人类对物质资源的过度开发、低效利用、极度浪费和生产废弃物不当处理上。因此，人类社会的发展应当从以牺牲自然环境系统和生物系统为前提的高消耗、高污染为代价的经济发展模式中转变出来，建立一种以生态工业为主体，以维护人类社会和自然环境系统及生物系统的和谐为目标，以资源高效、循环利用为核心，以减量化、再利用、再循环为原则，以低消耗、高利用为基本特征的可持续发展经济方式。这种可持续经济的发展方式源于有限、代价：节约、共生和适应等观念和对传统工业的反思，摒弃了