熵变与生命

三、熵变与生命

1.熵的引入

生命是什么？生命不是一群分子的堆积，它是有着高度精细的细胞结构与组织分化，能与外界进行物质交换，通过新陈代谢的调控，有效地生长繁殖的生物机体。这就是生命与非生命的本质区别。生命演化与生命现象是可以用物理、化学定律进行某种阐述，但始终不彻底，不尽如人意，仿佛生命与非生命隔着一层活力论窗纸，还难以弄明白。

热力学第二定律告诉人们，任何自然物体发生过程，总是体系越来越无序即熵增加的方向变化。物理学上的这一条发生规律与生物进化完全相反，但生物学的有序是如何维持的呢？近代物理化学家发现两者并不矛盾，它们可以统一在更广泛、更普通的热力学理论之中。这一理论表明平衡态是远离热力学平衡的，生物体中大量的过程和主要过程是不可逆的，因此，生物才能存在和进化。物理学家认为生物体的熵变由两部分引起，即一部分与外界的交换称为“熵流”，另一部分来自内部的化学反应，不可逆过程产生的，称为“熵产生”。熵产生大于或等于零。新陈代谢的最本质意义就是使有机体成功地消除它自身活着时候不得不产生的全部熵，即负熵，否则，生命的死亡就难以摆脱。这正如薛定谔所言：“生命赖负熵生存”观点，新陈代谢所包括的能流、物质流和信息流就是一切负熵流作用而远行。

2.耗散结构与生命现象

1970年，比利时物理学家普利戈任（C.prigogine）提出耗散结构概念，从理论上证明了远离热力学平衡态系统可以出现有序结构。后来，有人把这种概念应用到生物演化上的开放系统中，生物进化就是一种缓慢变化的非平衡的连续过程。生命前体的复杂化合物团聚体的有序和组织可以通过一个“自组织”的过程，从无序和混沌中自发地产生出来。耗散结构内的物质粒子处于不断流入和流出，物质与能量不断地消散，只有与外界交换才能维持这种结构的存在与演化。

所以，耗散结构理论，原则上认为从物理—化学的原理出发认识生物进化现象以及与之相关的生物进化现象开辟了一条新的途径。譬如化学振荡之间与生物震荡之间、化学组分浓度形成的空间结晶花纹和生物形态之间以及化学波和生物信息传递（如神经活动）现象之间都存在高度的相似性。耗散结构还提出通过“涨落达到有序“的观点解释了生物进化现象，也适用达尔文的”适者生存“的进化学说。