“熵”与生命.ppt

熵 与生命 感冒了 中医说 内有虚火 外感风寒 西医说 感冒了 有炎症 物理说 积熵过剩 如何治疗呢 中医说 发汗清热 西医说 退热消炎 物理说 消除积熵 一 什么是熵1867年 德国物理学家克劳修斯 Clausius 在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生代表大会上 提出熵的概念和宇宙热寂说 引起人们的极大关注 从此 什么是熵 在科学史上引起了广泛的讨论 一 什么是熵1867年 德国物理学家克劳修斯 Clausius 在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生代表大会上 提出熵的概念和宇宙热寂说 引起人们的极大关注 从此 什么是熵 在科学史上引起了广泛的讨论 爱因斯坦 Einstein 说 熵理论对于整个科学来说是第一法则 所谓熵 是表征一个系统组织结构的混乱程度 是一个系统无序性的量度 熵是反映一个系统宏观态所具有的微观态数目或与热力学几率有关的物理量 它是系统无序性的量度 什么是熵 了解两组概念 有序与无序 宏观态与微观态 有序与无序 有序 无序 熵低 熵高 容易 困难 有序 无序 较有序 熵低 熵较低 熵高 容易 困难 有序与无序是相对的 熵是反映一个系统宏观态所具有的微观态的数目 宏观态与微观态生活中我们常说到有序和无序这两个词 一副扑克牌 按黑桃 红桃 草花 方块的顺序 而且从小到大排列 我们说它是有序的 洗牌之后有序变成了无序 当然也可以规定奇数牌在先 偶数牌在后 等等 只要确定了某种规则 符合这个规则的 就对应一个宏观态 在符合此规则下有不同的情况 每一种情况就是一个微观态 一个宏观态常常会包括多个微观态 规定 宏观态 黑 红 草 方 且从小到大 规定 宏观态 黑 红 草 方 规定 宏观态 任意摆放都行 对应的微观态有多少种可能 对应的微观态有多少种可能 对应的微观态有多少种可能 如果一个宏观态对应着较多微观态 此宏观态较为无序 由这个例子可以看出 平时说的 有序 对应着较少的 微观态 而 无序 对应着较多的 微观态 为什么有序到无序容易 摆成小房子积木 和 盛在箱子里的积木 可以看成两个宏观态 两者相比哪一个对应的微观态较多 摆成一定形状的小房屋虽然也有不同的摆法 但变化的余地很小 也就是说 对应于一定形状的小屋的微观态数目很小 但对应于乱糟糟的 盛在箱子里的积木 的微观态就多得多 现在我们若将这些积木随意倒在箱子中 这些积木的各种排列都可能发生 其中碰巧排成图中房子的可能性几乎不可能 而排成乱糟糟的可能性岂止千万种 容易 困难 微观态少 微观态多 集合排队 与 自由活动 这两个 宏观态 对应的 微观态 的多少不同 自由活动 的 微观态 多得多得多 有序 无序 较有序 熵低 熵较低 熵高 容易 困难 微观态少 微观态多 活动 请大家以 3名学生站队 为例子 规定 宏观态 并就此说明对应的 微观态 我们所说有序状态 是指对应着较少微观态那样的宏观态 大量事实表明 自发的过程总是倾向于出现与较多微观态对应的宏观态 因此自发的过程总是从有序向着无序发展的 统计论告诉我们 系统的宏观表现源于组成系统的微观粒子的统计规律 热力学第二定律也称熵增原理 即 孤立系统发生的任何自发过程系统的熵总是增加的 热力学第二定律说明热现象的实际宏观过程都是不可逆的 这种不可逆性是分子的微观统计行为的一种表现 以 气体向真空的扩散 为例 进一步说明系统 事物 自发的过程从是从有序走向无序 密闭容器用隔板分隔 一边盛气体一边真空 将隔板取走 气体会均匀地分布在整个容器中 为了简便 我们假设容器只有4个分子 现在做统计分析 图甲乙丙丁是4个不同的微观态 但甲乙属于同一个宏观态 丙丁属于另一个宏观态 左2右2 这种宏观上看来均匀分布的情况 所对应的微观态的个数最多 左0右4 左4右0 这种极端不均匀的宏观态所对应的微观态的个数很少 结论 与较多微观态对应的那些宏观态 出现的概率更大 4个分子在左右两室分布情况对应的微观态数如下表 具体分析如下 四个分子都集中到A 或B 的那种宏观态出现的概率最小 实际热现象中的分子数N很大 1mol气体N 6 02 1023个分子 这些分子都自动集中到A 或B 的概率只有 有人计算过 概率这样小的事件自宇宙存在以来都不会出现 结论 与更多微观态对应的那些宏观态 出现的概率更大 熵增原理 孤立系统的熵总是增加的 即从有序向无序发展 熵增原因 事件的发生自然会从低概率向高概率发展 因此与更多微观态对应的那些宏观态 出现的概率更大 熵理论告诉我们 宇宙万物从一定的价值和结构开始 不可挽回地朝着混乱方向发展 无论在地球上还是宇宙或任何地方建立何种秩序 都必须以周围环境里的更大混乱为代价 能量既然守恒 为什么还提出节省能源呢 在我们日常照明烤火 生活用电 开车架船等各种各样的活动中 机械能 化学能 电能等都是密集度较高因而也是有序度较高的能量 当它们变为环境的热能后 就成为更加分散因而无序度更高的能量 除了大气 地球稍稍变暖一点 散发在空中的热能几乎不能再为我们提供有价值的能量 这个转化过程叫做 能量耗散 也就是人类在消耗能源的时候 将 高品质 的能量转化为 低品质 的能量 而且这个过程不可逆转的 节约能源 人人有责 机械能 化学能 电能 热能 人们在照明烤火 生产用电 开车架船等活动中 高品质 的能量 低品质 的能量 节约能源 人人有责 能量既然守恒 为什么还提出节省能源呢 但是近些年来 由于工业化污染的日益严重 地球正在遭受前所未有的破坏 环境恶化速度在加快 现代战争科技日趋先进 但带来的污染也是不可估量的 核污染在当今已是不可避免 未来会怎样 我们都很茫然 也许我们正在修筑属于自己的坟墓 让我轻轻地告诉你 哪些人是有罪的人类正在疯狂地向地球索取 我们把地球钻得千疮百孔 我们污染了河流 海洋和空气 我们拥挤在一起 用钢筋和水泥筑起稀奇古怪的建筑 将这样的场所美其名曰城市 我们在这样的城市里放纵着自己的欲望 制造着永难消解的垃圾 与乡下人比起来 城里人是有罪的 与穷人比起来 富人是有罪的 与不发达国家比起来 发达国家是有罪的 因为发达国家的欲望更大 发达国家不仅在自己的国土上胡折腾 而且还到别的国家里 到公海上 到北极和南极 到月球上 到太空里去瞎折腾 地球四处冒烟 浑身颤抖 大海咆哮 沙尘飞扬 旱涝不均等等 占世界总人口不足6 的美国 却要消耗三分之一的世界矿资源 莫言在东亚文学论坛上的演讲 二 熵与生命的过程玻耳兹曼也曾说过 生物为了生存而作的一般斗争 既不是为了物质 也不是为了能量 而是为了熵而斗争的 生命与熵有着密不可分的联系 熵是描述系统无序程度的物理量 如果生命系统出现短期或局部的熵积累过多 使得系统的熵变 则有机体出现短暂或局部的混乱状态 各种疾病由此产生 二 熵与生命的过程一切生物系统都不可能是封闭的 它们通过呼吸 进食 排泄以及放出热量 吸收热量和对外做功等活动与外界不断进行着物质和能量的交换 生物体都是一个开放的系统 对于开放的物质系统 其熵变由两部分组成 即 上式中 dSe叫熵流 它代表系统与外界相互作用中获得的熵 其值可正 可负 可为零 dSi叫做熵产生 它代表系统内部进行的不可逆转过程产生的熵增值 其值大于零 对于孤立系统 dSe 0 dS dSi 0 即熵增加原理 dS dSe dSi 熵变化 熵交换 熵产生 一个生命体是一个开放的系统 其系统熵的变化取决于系统与外界的熵交换和自身的熵产生 生命成长与衰老与熵增密切相关 若生物体从外界获得的熵流dSe 0 我们称之为负熵流 由高品质能量流提供 当负熵流大于生物内部的熵产生 dSe dSi 时 生物系统的熵变dS 0 系统的熵减少 有序程度增加 生物体从一定的有序结构上升到更高的有序结构 生物体就成长了 生命成长的过程熵减小 幼儿 婴儿 少年 若生物体从外界获得的负熵流恰好等于系统内部的熵产生 那么系统的熵变dS 0 系统便维持在一定的有序结构上 生物体就稳定在成熟阶段 青年 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 壮年 若生物获得的负熵流小于内部的熵产生 那么生物体的熵变dS 0 生物系统的熵增加 生物便开始退化 衰老 当生物体的积熵达到最大时 整个机体呈现高度混乱状态 生命的有序活动已无法维持 这就是机体的死亡 中年 老年 中年 老年 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 原因是生命自我调节机能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 三 熵与健康的关系按照现代医学观点 处于健康状态的人体其熵通常都维持在恒定体温下的合成代谢与能量代谢相匹配的水平上 当能量代谢过剩时 机体将产生过量的废热 若超出身体调节功能 则会偏离健康状态 废热或导致发烧 或在维持体温不变情况下以熵的形式残存于体内 造成体内积熵 进而也偏离健康状态 正常情况下机体是靠热辐射 排泄废物等方式向体外排出多余的熵的 当机体热辐射受阻或排泄受阻时 都会导致熵流受阻而造成积熵从而形成 熵病 中暑是一种最典型的熵病 闷热的酷署天 由于环境温度高 湿度大 身体放不出热 使机体几乎向绝热状态逼近 结果体内积熵过多而引起身体机能的严重失常 感冒源于运动或劳累过度 身体消耗大量能量 产生大量废热 如能迅速排除 人就相安无事 但如此时或吹风 或着凉 皮肤感到过凉 此处传到大脑的调温中心 进行调温以暖皮肤 并下令皮肤毛细血管收缩阻止身体散热 这样体内原有的积熵排不出 还进一步产生积熵 以致积熵过剩 因此人体内各种化学反应开始混乱 使人头痛 发烧 畏寒畏冷 全身无力 抵抗力减弱 人因此感冒了 中医说 内有虚火 外感风寒 西医说 感冒了 有炎症 物理说 积熵过剩 如何治疗呢 中医说 发汗清热 西医说 退热消炎 物理说 消除积熵 癌症的发生是一个多阶段逐步演变的过程 根据熵理论 当生命体内某一部分细胞组织的熵突然大增 以致其中的微观秩序受到破坏时 细胞中的脱氧核糖核酸的合成及蛋白质的合成则会出现偏差 新 旧蛋白质间的信息传递也会出现差错 而蛋白质中氨基酸的排列或空间构型上的微小差错会导致蛋白质 核酸及酶功能出现长远性的差错 这种差错拨正极难 于是便出现了癌症 使细胞恶变 不再服从细胞生长和细胞分裂的调控机制 表现为自主性生长 每次细胞繁殖分裂时 细胞的数目呈指数增长的方式膨胀 这显然是体系从有序状态向无序状态快速转化的过程 体系的熵值自然会升高 肿瘤细胞在某种情况下 表现出基因过度扩增 蛋白堆积 细胞无限增殖的无序状态 疾病可以看作是生命体短期和局部的熵增加 从而引起正常生理功能的失调和无序 治疗则是通过各种外部力量 药物 手术 饮食 保健等 干预机体 促进吸纳低熵 排出高熵 如何延缓生命的衰老 天人相应 顺势而为 天 地 道法自然 顺应自然 把握好生命的节律 1943年薛定谔 Schrodinger 在柏林三一学院讲演中指出 一个生命有机体的熵是不可逆地增加的 并趋于接近最大值的危险状态 那就是死亡 生命体作为一个非平衡的开放系统要摆脱死亡 从物理学的观点看 唯一的办法就是从环境中不断汲取负熵来抵消自身的熵增加 有机体是依赖负熵为生的 1944年著名科学家薛定谔在其名著 生命是什么 中提出系统避免趋于最大熵值的唯一办法是从环境中吸取负熵 生命是倚赖负熵而生的 新陈代谢就是有机体成功地消除当自身活着的时候不得不产生的全部的熵 从而使其自身维持在一个稳定而又很低的熵的水平上 生命是倚赖负熵而生的 吐故纳新 形成开放生命系统 地球 靠水相变 把熵从地表传到外层维持生态平衡 生命体 负熵流 物质 碳水化合物 净水各种营养物质 能量 生化反应 合成代谢 低熵 物质 CO2 污水 排泄物 能量 做功 放热 正熵 人类赖负熵为生 有机体一定是一个开放的系统 生命是倚赖负熵而生的 人的情绪过激 如狂喜 大怒都不利于养生 从分子生物学角度看 都是功能分子正常的有序结构被部