熵和人体.doc

熵与人体摘要：熵是一个古老而又年轻的概念,虽然教材上内容不多，但它有极强的生命力及非常广的应用。本文首先补充了如耗散结构、负熵等关于熵的一些热力学概念以及从热力学第二定律推导出的应用于生物体的两个公式，然后对熵与人的疾病（如感冒、肿瘤）、衰老、生、死等现象的关系做出了一些浅显的说明。关键字： 熵 人体 熵变1864年，根据热力学第二定律，法国物理学家克劳修斯在热之唯动说一书中，首次提出一个物理量和新的态函数熵。1877年玻耳兹曼从现微观角度对熵做出了统计解释，首次提出了熵公式S=kln， 1943年，薛定谔在生命是什么一书中首先提出了负熵的概念，指出有机体是依赖负熵为生。从此，生命与熵进入了众多科学家研究的视野。一熵变概念的拓展：耗散结构：对于一个热力学过程,其熵变为=/.如果过程是不可逆的,则0. 在如何阐明生命有机体自身的进化过程时提出了耗散结构的概念。耗散结构是指当体系处于非平衡时，通过体系与外界交换能量和物质而形成和维持的一种稳定化了的宏观体系结构。它突破了热力学定律只适用孤立系统的限制，将其运用到开放系统。一个正常的生命体现可视为一个处于非平衡的开放系统，即是一个耗散结构。在开放系统中, 普利高津（Pringogine）将熵变写成dS=diS+deS(1) diS表示系统内不可逆过程导致的熵产生,deS表示熵流。热力学第二定律指出,diS恒为正,是熵变的正增量。deS可为正,也可为负。对于孤立系统,des=0,热力学第二定律可写成dS=diS0；对于开放系统,当deS为负值(负熵流)且deSdiS时,则有dS=diS+deS0，即负熵流可使总熵减少,由相对无序状态向相对有序状态发展；若dS=0,有diS=-deS,系统处于有结构的平衡状态。负熵：是无序的度量，它的倒数1/可以作为有序的一个直接度量，玻尔兹曼的方程式还可以写成这样：-S=kln(1/),即负熵。负熵的来源有两类：一类是“有序来自无序”即有机体吸收外界无序经过加工变为自身有序，这就是所谓“加工成序”，如氧气。另一类是“有序来自有序”即将从外界获得的秩序进行同化变成自身的秩序，这就是所谓“同化成序”，如，碳水化合物、液态水等。有机体生成过程就是从外界吸收这些低熵物质并消耗以满足正常生命活动和脑力活动需要，同时产生大量废渣等高熵物质，如CO2：、尿、汗及其他排泄物，以此来与熵增作斗争。熵具体应用于生物体 根据开放系统的热力学理论可以算出,其熵变S=Q/T- jeNj/- jiNj/T(2).式中,代表生命系统与外界环境交换的总热量,eNj代表生命系统与外界所交换的第种组元物质的摩尔数,iNj代表生命系统内部各种生化反应所引起的第种组元物质摩尔数的增加,j为第种组元物质的化学势,为生命系统(人)的温度。如果我们用吸表示生命系统从外界吸收的热量,用放表示生命系统向外界放出的热量;用0表示生命系统在某一时刻的定态熵,表示生命在其后任意时刻的定态熵,则系统与外界交换的热量=吸-放,系统的熵变=-0=吸-放-jeNj/T-jiNj/T(3)。 二、熵与人体生命有机体不断与周围环境进行物质与能量的交换，通过新陈代谢从外界吸收低熵物质，并将其消耗以满足正常生命活动的需要，同时产生大量的高熵物质，使得机体系统的总熵变小于零(dS|diS|时，SdeS时就可以理解为是人体的老年时期，S0，系统总熵值不断增大，人也不断衰老；而当S达到最大时，整个生命体呈现出高度无序性，系统高度混乱，人也就不可避免的面对死亡。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ds0，便出现了短期或局部的混乱、无序状态，这就是生病。（1）熵与疾病 熵与感冒 感冒有两类：一类是受凉感冒，人在剧烈活动时体内新陈代谢加快，产生比正常情况下更多的热，人呼吸加速，皮肤的毛孔也张开加速向外排热，以维持系统总熵不增加。如果这时突然受凉皮肤就会把这一感觉传给大脑，大脑指挥身体产热暖肤，同时又令毛孔收缩，阻止体内热量排出，这样体内原来产生的熵不能排出，又产生了新的熵使体内积熵大大超过正常值造成 s0，系统的无序增加出现紊乱就有可能发生感冒，表现为头晕眼花、四肢无力等症状；另一类是受热感冒，人在高温环境下工作时间过长，由于环境温度较高，人的代谢加快产生较多的熵，同时由于环境温度高于人体较多使人体向外排熵困难，长时间在这种高温环境下人体内积熵增加(s0)就出现了头晕、恶心等感冒症状，这类感冒也叫中暑或热感冒。再如内热、上火等都是由于体内熵增多、排熵不畅而引起的“熵病”。人体具有自我调节机能。热力学理论可以导出单位时间内通过辐射体单位面积辐射出的热(熵)与温度的三次方成正比，也就是说体温越高排热成三次方加快，有利于人恢复到S0的状态，因此发烧可以理解为人体自动加快排熵的现象。感冒起因是因为人体系统S0，治疗是为了使系统熵不增加或减少即s0。如中医的原则是“发热清汗”(排熵)，而西医则是用药物“灭菌消炎”(增加负熵)。从熵的角度来看,二者实质相同,都是为了“清除积熵”。至于护理则要在饮食方面应多吃一些易于消化的(高能低熵)食物：以葡萄为例，其S=-5858J(molk)。要多喝水，液态水不具有化学能，但具有较高气化热(18calmolk)且能将废物溶解变为高熵物质排出体外，带出大量熵。当然，预防是主要的，我们发现许多微量元素的S都小于零，如Ca2+的S=-53.1 J/(molk),Fe2+的S=-138J/(molk),Zn2+ 的为-112 J/(molk),Mg2+的为-138.1 J/(molk)，这也可以从一方面帮助理解为什么微量元素能在人体中起到的保障人体正常运转、防病等重要作用。由此看来我们虽然没有意识到熵减的概念，但却在生活中进行着熵减的行为，这正符合热力学指导的作用。熵与肿瘤 肿瘤在人体内的发生、扩散是导致了人体混乱度的增大,熵值的增加。肿瘤的发生、癌细胞的扩散改变了人体的熵平衡循环状态,加速了人体的熵增速率, 缩短了机体的生命周期,人体在短期内就达到了最大熵值负荷状态,即生命停止代谢。越恶性的肿瘤,使人体的混乱度的增加越大。肿瘤是通过非自发反应从人体中得到负熵同时释放正熵来增大人体熵值的。因为假设肿瘤的发生是自发的,而常人所有细胞内都有原癌基因,这意味着肿瘤在人体内发生的可能性为百分之百，这显然是不正确的。我们知道:化学致癌剂、物理性因素、紫外线、辐射、病毒等因素会诱导肿瘤的发生，即需要外界环境能量与体系发生作用，而不是自发发生。因此，肿瘤的发生是非自发形成的,其结果是熵值减小,即肿瘤细胞正常细胞。由于一个系统熵的损失会受到环境的补偿,肿瘤细胞是在人体内发生物质能量交换,人体这个系统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,而导致了人体这个总系统熵的增加为代价来承担,即内部系统的熵越小,则外部环境的熵增就越大。所以说肿瘤的发生总的熵增都得由人体来承受。同时也可看出:越恶性的肿瘤,熵值越小,与系统分化越明显,而导致人体的熵增也相对越大。从某中程度上来说，这也就像人类从环境得到负熵维持生命却导致了环境总熵的增大（如全球变暖）。（2）熵与衰老. 熵增过程是一个自发的由有序向无序发展的过程，熵减不可能自发进行的能耗过程，因此熵增具有其不可逆的特性。当生命进行到一定的阶段时,由于各种组织系统的“自然磨损”,各项功能退化,与外界因交换物质而获得的负熵流变小,而内部的熵产生成分却在不断增加,于是便导致了熵变的长期缓慢地增加。人体的熵增是一种长期、缓慢而不可抗拒。人们只能尽可能地设法降低的增长速度,放慢衰老的进程。由式(3)可以看出,有两种办法可望能够达到上述目的:一种是增加 ,即吃多一些,吃好一些。但是同样由于有机体的退化,老人对食物的利用、同化已大不如前,所以吃的太多反而有可能不易消化，多余的食物反而要以废热的形式耗散掉。由于废热是以熵的形式反映出来的,而对于老人，此时机体中某一部分的功能极有可能是受阻的,使这一部分废热的熵增不能及时排出体外,反而在体内积聚,增加人体的熵值。所以,对于老年人来说,要特别注意饮食适度。从熵的角度来看,老年人的饮食宜以产热量低、有营养、易消化的清淡食物为好。同时，由麦克斯韦妖引出的争论得出的结论是信息也是熵，因此我们可以说老人清静、快乐的生活、不为世俗事物所烦恼也是减少熵增、延年益寿的方法。有个反面例子：诸葛亮鞠躬尽瘁，劳心劳力，于是信息熵非常大，而他吃的又少，即负熵吸入少，结果肯定是熵增，于是他很早就死掉了。 （3）熵与生、死从熵的角度来看,生长就是熵减的现象，是生命系统从一定的有序结构过渡到更高层次的有序结构,从一定的定态熵向更低水平的定态熵过渡，如人从一个一无所知的婴儿长成一个聪明的成年人，他的脑细胞排列更有序了、身体运转也更有序了，即熵变小了。这只有靠增大负熵流才能办到。由于人是恒温的,为常量,因此增大负熵流- /的最有效的办法是增加食物的化学势及数量。前者指的是食物的质,它要求食物的有序性要高,要易于为人所“同化”,就是说要富于营养,易于消化。而后者指的则是食物的量,也就是说要吃饱,吃好。熵增具有其不可逆的特性，虽然人们想尽办法延缓死亡的到来，但它毕竟不可避免。当人体的积熵达到最大时,整个机体便会呈现出高度混乱的无序状态,使人体处于热力学的平衡之中。这时,人体各器官的功能都会因为混乱度极大而丧失,于是人的一生到此终结。玻耳兹曼曾说:“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”。死亡大概可以理解为生命在与熵增经过几十年的斗争后最终不可避免的失败了。三.有人曾经为热力学写了首诗：“热就是工作（功），而工作是该死的东西。宇宙中所有的热，因为不能再增加，都在逐渐冷下去。此后，不会再有任何工作了，将是天下太平，永远的休息。真的吗？真的！老兄，这就是熵，所有这些都是因为热力学第二定律！”虽然热力学第二定律在提出后的一百多年中的发展是相当曲折的，熵理论也还没有发展完善，如“生物体内的混乱度到底如何随着机体衰老不可避免地增加?”就尚有待解决。但其作为生产、研究的指导意义并没有消失，而是永远值得我们探索。参考文献：1. 廖耀发廖彬 吕桦 生命与熵 现代物理知识 2004年 16卷 1期起止页码：10-112. 薛定谔生命是什么？活细胞的物理学观.上海外国自然科学哲学著作编译组译3朱曙华 李科敏 苏卡林 生命信息与负熵 湖南理工学院学报 2005年 18卷 4期起止页码：44-464. 陈月强 生命现象与熵 生物学通报 2003年 38卷 2期起止页码： 29-305. 李宗荣 周建中 张勇传 关于生命信息学研究的进展以不违背热力学第二定律的方式理解生命自然辩证法研究 2004年 20卷 3期 起止页码：63-