生命过程与生物熵(一)
生命过程与生物熵
１６ 年 法 国 物理 学 家 克牢 修 斯 提 出 了一 个 物 理 量 和新 函 ８４
的非平衡系统 ， 生命现象也 与熵有着密 切关 系，生命体 和一 切无机物的一个 根本 区别是它具有高度 有序性。根据这一特
点 用 “ ” 描 述 生命 是较 为恰 当 的 。引 入广 义熵 的 概 念 来 度 熵 来
７ 刘振华 ， 陈晓红． 裘法祖 院士关 心误诊研究． 临床误诊研 究， ０ ７ ２０ ，
２ １ ２ Ｏ： ～ ．
４ 陈小嫦． 国医疗事故赔偿责任分担模 式的弊端及改进． 我 中国医院
管 理 ，０ ８２ （ ）２ ￣ ３． ２０ ，８ ４ ：９ １
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（ 新疆 医科大学 医学工 程技 术学 院
摘 化进行 了分析 ， 探讨 了生命过程中负熵流与熵增 的变化趋势以及原因。
关键 词 ： 生物 熵 ； 耗 散 结 构 ； 生 命 过程
乌鲁 木齐 ８０ １ ） ３０ １
要 ： 利用耗散结构理论通过生物熵在生命过程的变化分析 ， 建立了正常生命过程的生物熵变数学模型 ， 并对模型的数值变
ｅ ｔｂ ｉｈｎ ｓｉｕ ｉｎ ｏ ｄ ｃ ｌ ｉｂｌ ｙｉ ｓ ｒ ｎ ｅｉ ｕ ｏ ｎ ｒ ． ｓａ ｌ ｉｇ ｉ ｔ ｔ ｆｍｅ ｉａ ａ ｉ ｔ ｕ ａ ｃ ｏ ｒｃ ｕ ｔｙ ｓ ｎ ｔ ｏ ｌ ｉ ｎ ｎ Ｋｅ ｒ ｓ Ｂａ ｅ ｏ ｍ ｕａ ｍ ｏ ｅ ； ｅ ｉａ ａｐ ａ ｔｃ ；ｏ ｐ ｎ ａｉｎ；ｎ ｔｔ ｔ ｎ ｏ ｅ ｉａ ｉｂｌ ｙ ｉ — ｙｗｏ ｄ ｙ ｓｆ ｒ ｌ； ｄ ｌｍ ｄ ｃｌｍ ｌ ｒ ｃｉｅ ｃ ｍ ｅ ｓ ｔ ｏ ｉｓｉｕ ｉ ｆｍ ｄｃ ｌｌ ｉ ｔ ｎ ｏ ａ ｉ
生命、信息与熵
生命、信息与熵曾强（西北农林科技大学，712100）摘要熵的概念自150余年前被提出后，就变得越加热门，不仅是在物理学和化学领域，各种有关信息论、政治经济和生物系统的研究也引用了熵。
而对于熵概念的认识、理解与应用一直在探讨和争论之中。
本文主要熵与生命过程以及信息传播的关系。
关键词熵；负熵有序；生命过程；耗散结构；引言：1865年“熵”由克劳修斯最先提出，并用来量度热力学过程不可逆程度的；随后玻耳兹曼说明了“熵”的统计意义，把“熵”作为物质系统内部无序程度的量度。
但他们的”熵”的概念都仅限于热力学范畴。
1948年克劳德·艾尔伍德·香农把“熵”的概念引入信息论中，作为随机事件不确定性的量度。
他的这一发展使“熵”的概念超越了热力学的范畴，从此“熵”便在许多领域中广泛的被引用。
在概念上薛定谔提出“负熵”的概念，布里渊提出“负熵有序”说，普利高津提出“熵流”等，使“熵”的发展达到了新的高峰。
1 对生命过程中的熵变分析薛定谔说，生物体“要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境里不断吸取负熵，有机体就是依赖负熵为生的。
”一个无序的世界是不可能产生生命的，有生命的世界必然是有序的。
生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂、从低级向高级进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化，这是一个熵减的方向，与孤立系统向熵增大的方向恰好反，可以说生物进化是熵变为负的过程，即负熵是在生命过程中产生的。
如动物从环境获取正熵值小的食物，却对环境排出正熵值大的粪便、二氧化碳、水蒸气以及由体内散发出的汗和热等，相当于减少了“正熵”，从环境中吸取了负熵以维持其生命序。
植物借光合作用吸进二氧化碳和阳光，正熵增大，但又通过根部吸进液态的水并由叶面表孔蒸发掉大量的气态水带走大量的正熵以形成葡萄糖，进而降低熵值，构成淀粉和纤维素等植物的主体，总体上来说也是减少了“正熵”。
普利高津提出"耗散结构"，认为一个远离平衡态的开放体系，通过与外界交换物质和能量，在一定条件下，可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态，这个新的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的。
生命与熵
生命与熵摘要主要通过对克劳修斯熵和玻耳兹曼熵的讨论，把孤立系统的熵的概念延伸到开放系统，即生命系统中去，并分析生命系统的自然变化及患病变化的过程在本质上与熵的联系。
关键词熵；生命过程；生命系统；耗散结构1 克劳修斯熵与玻耳兹曼熵的讨论1.1克劳修斯熵根据卡诺循环，可推出克劳修斯不等式，即dS ≥( dQ/T)。
由于各种热力学过程其不可逆性都可以归结为热功转换的不可逆性，所以，克劳修斯不等式适用于各类热力学过程的方向及限度的判断。
据此，热力学第二定律可归纳为“孤立系统中发生的任意过程总是向着熵增大的方向进行。
”显然热力学第二定律对于生命系统来说是不正确的，这是因为生命系统不是一个孤立系统，它与外界既有能量交换也有物质交换。
1.2玻耳兹曼熵玻耳兹曼熵S = k lnΩ，k为玻耳兹曼常数，Ω为热力学概率，即某热力学状态对应的微观状态数，也就是系统处于该状态时混乱度的度量。
这从微观上解释了熵增加原理所表示的孤立系统中热力学过程的方向性,相应于系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态过渡, 直到热力学概率最大的平衡态为止。
熵的本质就是系统无序度的量度，这不仅适用于孤立系统，同样适用于生命系统这个开放系统。
2生命系统的耗散结构一些非生命物质的运动通常会自动趋向于热力学平衡状态，而生命现象，如生长、发育、结构进化等呈现出远离热平衡态。
它们从环境中吸取能量，降低自身内部的熵值，获得结构和功能上更高的有序度，维持着耗散结构。
作为开放系统的生命体内过程熵变可写作: dS = deS +diS ，其中deS 表示生命体通过代谢活动（与外界交换能量、物质和信息）由外界引入的净熵，其值可正可负；diS 表示生命体内部的熵产生，是由生命体内部各种不可逆过程（异化作用或同化作用）引起的，其值恒为正。
生命活动正常与否可由dS =deS +diS 进行讨论,包括以下3种情况:（1）若dS/dt >0, 即diS/dt >-deS/dt ,这时生命体所引入的负熵流不足以抵消内部的熵产生,熵变为正,此时生命体将面临消亡，（2）若dS/dt =0, 即diS/dt =-deS/dt ,此时系统由外界吸取的负熵流抵消了内部熵产生,于是生命体处于正常稳态。
熵与生命的关系
熵与生命的关系熵的定义：表示物质系统状态的一个物理量(记为S)，它表示该状态可能出现的程度。
在热力学中，是用以说明热学过程不可逆性的一个比较抽象的物理量。
孤立体系中实际发生的过程必然要使它的熵增加。
定义2：热力系中工质的热力状态参数之一。
在可逆微变化过程中，熵的变化等于系统从热源吸收的热量与热源的热力学温度之比，可用于度量热量转变为功的程度。
熵指的是体系的混乱的程度，它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义，是各领域十分重要的参量。
熵由鲁道夫·克劳修斯提出，并应用在热力学中。
后来在，克劳德·艾尔伍德·香农第一次将熵的概念引入到信息论中来。
按照一些后现代的西方社会学家观点，熵的概念被其移植到社会学中。
表示随着人类社会随着科学技术的发展及文明程度的提高，社会“熵”——即社会生存状态及社会价值观的混乱程度将不断增加。
按其学术观点，现代社会中恐怖主义肆虐，疾病疫病流行，社会革命，经济危机爆发周期缩短，人性物化都是社会“熵”增加的表征。
现在让大家看看我在网络中看到的熵与生命有着何种联系，下面是我看到的一篇论文中的部分内容，自我感觉它写的很好：1 熵理论的宏观意义及其与生命体系的关系生物体最基本的特征之一是物质代谢,伴随着物质代谢所发生的一系列能量转变即能量代谢,是生物体基本特征的另一方面。
生物系统不断地从周围环境中摄取物质,经一系列生化反应合成、转变成自身需要的组分,又将原有的组分通过一系列生化反应变为废料,排出体外,并伴有能量变化。
熵作为一种状态函数,其改变值可正可负,所谓负熵是指生命通过各种能量交换传递使体内或局部熵减小。
阅读材料：生命系统与熵定律
生命系统与熵定律熵，平均信息量，熵在封闭的热力体系中不能做功的一定数量的热能的计量单位，随机计量单位在封闭体系中对无序和随机的计量单位，在信息论中，对被传送的信息进行度量所采用的一种平均值。
热力学有两个定律，第一定律也称为能量守恒定律，指出宇宙的能量总和是一个常数，既不可能增加，也不可能减少。
热力学第二定律就是著名的熵定律，她指在一个封闭的系统里，能量总是从高的地方流向低的地方，系统从有序渐渐变成无序，系统的熵最终将达到最大值。
这是一个不可逆的过程。
生命系统就是根本不服从熵定律的一个庞大的世界。
那么生命系统真的不服从熵定律吗？让我们先看看一个人的生命周期过程：受精卵在母体内开始进行细胞分裂和复制，逐渐形成胚胎的各种器官，成熟后便诞生出世。
随着婴儿的成长，各种器官与器官功能日趋完善，越来越有序化。
谁也不会否认，当孩子渐渐长大，他体内储存的能量也就与日俱增了。
不仅一个人是如此，每当我们观察任何一种生命个体时，都会发现这个“能量从低向高流动”的熵定律的逆过程。
不但每个生命个体是如此，整体生物进化过程本身就代表着日益增长的秩序的不断积累。
就连某种生物群体内部也一样，例如主人群组成的人类社会。
人类社会本身也是一个封闭系统，无疑是附合熵定律条件的。
可恰恰在人类社会这个系统中，同样存在着实实在在的熵定律的逆过程。
古往今来，人类社会的历史总是贫的越贫，富的越富，社会变得越有序，直到爆发一场社会动荡，例如农民起义或世界大战。
动荡使世界在瞬间从有序变回无序状态，再重新开始新一轮有序化过程。
此外，从原始社会到今天的后工业社会，人类一直进行着能量积累，而且积累的能力和速度越来越快。
正反馈与负反馈使人向着熵定律的反方向发展，这也可以说是生命的共性吧。
这不禁使人联想到，我们过去把生命定义为“能够自我复制的过程”，而今天，我们似乎应当给生命下一个更深刻的定义：“生命是一个从无序到有序的发展过程。
”这是一个与非生命的自然界截然相反的过程，而且是一个主动的过程。
熵与生命
熵与生命一个健康的生物体是热力学开放系统，基于处于非平衡态的稳态。
生物体内有血液流动、扩散、各种物质生化变化等不可逆过程发生，体内熵产生ds/dt>0.对人体而言，摄入的食物是蛋白质、糖、脂肪，是高度有序化、低熵值得大分子物质，排出的废物是无序的、高熵值的小分子物质。
保持d e s<0,以抵消机体内不可逆过程引起的熵产生d i s>0,以维持生命。
自然界并没有负熵的物质。
熵是物质的一种属性，可将物质区分为高熵和低熵物质。
生命的基本特征是新陈代谢，从熵的角度看新陈代谢实际上是生命体汲取低熵、排出高熵物质的过程。
动物体摄取的多糖、蛋白其分子结构的排列是非常有规则的，是严格有序的低熵物质，而其排泄物却是相对无序，这样就引进了负熵流。
植物在生长发育的过程中离不开阳光，光不仅是一种能量形式，比起热是更有序的能量，也是一负熵流。
当系统的总熵变小于零时，生命处在生长、发育的阶段，向着更加高级有序的结构迈进。
当总熵变为零时，生命体将维持在一个稳定、成熟的状态，而总熵变大于零的标志则是疾病、衰老。
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干预机体，促进吸纳低熵、排出高熵。
生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂、从低级向高级进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化，这是一个熵减的方向，与孤立系统向熵增大的方向恰好相反，可以说生物进化是熵变为负的过程。
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，原因应该是生命组织能力的下降造成负熵流的下降，生命系统的生物熵增加，直至极值而死忙，这是一个不可抗拒的自然规律。
李宏柳1333101513药升（1）班。
生命与熵
生命与熵（物理053 唐静亚 2005032031）摘要：熵的概念来自物理学研究，但是它的应用早已超过物理学的范畴，对许多自然科学领域产生了重要的影响。
本文研究生命现象中的熵，期望对丰富熵的内涵从而理解生命过程能有所裨益。
关键词：熵；麦克斯韦妖；生命1 生物体的熵1877 年,一生致力于用统计力学研究热运动的玻耳兹曼(Boltzmann) 指出:熵( S ) 是分子无序的量度，熵与无序度Ω(即某一宏观态对应的微观态数) 之间的关系为S = kln Ω (其中k 为玻耳兹曼常数)这就是最著名的玻耳兹曼关系式，从此式可以看出,系统微观态数越多,系统越混乱,熵越大。
熵不是一个模糊的概念, 它和其他物理量一样，可以定量地计算出来,显然从玻尔兹曼的微观定义式不便算出(其中的微观状态数Ω 不便给出)。
然而, 在玻尔兹曼提出他的熵公式之前的1865 年，克劳修斯(Clausius) 就在对可逆过程的宏观分析中引进了熵的概念并导出了熵的计算公式. 温度处于绝对零度时,任何一种物体的熵都等于零。
当你以缓慢的、可逆的、微小的变化使物体进入另一种状态时，熵的增量为d S =d Q/T 式中T 为过程中系统的温度，d Q 为该过程系统吸收的热量。
对于有限的过程,经可逆过程从平衡态1 到平衡态2 时，其熵的变化为⎰=-2112TdQ s s 我们知道，对于开放系统，其熵变有两个来源，一是由于系统内部的不可逆过程引起的熵产I dS ，它总为正；另一部分是由于系统和环境交换物质或能量而引进的熵流R dS ，它可以大于零、小于零，也可以等于零。
而系统总熵变则为这两者之和，即d S = d S I + d S R系统能否朝有序的方向发展即系统总熵变是正还是负，取决于熵产与熵流的大小与正负，一个系统的熵产总是正值，即d S I > 0，如果d S R < 0，且d S R > d S I 就会有d S < 0，此种情况下系统的总熵值会减小，系统会朝着更有序的状态发展。
关于生物熵的讨论
关于生物熵的讨论生物熵是一个重要的概念，在生物学领域有着广泛的应用。
它是生物学中的一种重要的统计概念，被广泛用来描述生物系统的复杂性和多样性，也作为生物系统的一个统计指标，在研究生物系统的属性时被广泛应用。
本文将围绕生物熵的定义、计算方法、生物学意义等方面展开讨论。
一、生物熵的定义生物熵是一个相对抽象的概念，但它在生物学中具有重要的意义。
它是一种统计概念，被定义为一个生物系统中存在的不确定性，即这个系统中可能存在多种可能性状况，它反映了生物系统的多样性和复杂性。
二、生物熵的计算计算生物熵的方法有多种，其中最常用的是Shannon-Wiener熵计算公式，它的计算方法是：首先，选取一个包含某一种属性的总体，将它分成若干个组；其次，计算每组中属性的概率；最后，计算概率的乘积，即可得出生物熵的值。
三、生物熵的生物学意义生物熵概念的发展使生物学研究中的不确定性有了一个统一的描述，可以更好地反映物种的多样性和复杂性。
生物熵可以用来衡量一个物种的多样性和复杂性，并为研究各种特异性系统提供重要的定量分析方法。
此外，生物熵也可以用来评估环境的变化，比如森林砍伐、湖泊污染等，从而更有效地进行生物资源管理。
而且，通过对生物熵的进一步研究，也可以更好地了解生物系统的变化，有助于我们更有效地保护地球的生态环境，保护和恢复植物的多样性。
四、结论生物熵是一个重要的概念，它可以用来衡量一个生物系统的复杂性和多样性，也可以用来评估环境的变化，更好地了解生物系统的变化，有助于我们更有效地保护地球的生态环境和保护植物的多样性。
本文仅就生物熵的定义、计算方法、生物学意义等方面进行了简单介绍，有待于进一步研究。
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生命过程与生物熵(一)
作者：马远新安虎雁毛莉萍
【摘要】利用耗散结构理论通过生物熵在生命过程的变化分析，建立了正常生命过程的生物熵变数学模型，并对模型的数值变化进行了分析，探讨了生命过程中负熵流与熵增的变化趋势以及原因。
【关键词】生物熵；耗散结构；生命过程
1864年法国物理学家克牢修斯提出了一个物理量和新函数——熵，熵是热力学系统的态函数，在绝热系统中熵变永远不会为负。
统计物理学研究表明,熵就是混乱度的量度。
20世纪60年代,比利时普利高津提出了耗散结构理论（把那些在非平衡和开放条件下通过体系内部耗散能量的不可逆过程产生和维持的时-空有序结构称为耗散结构）,将熵推广到了与外界有能量交换的非平衡态热力学体系。
熵的内涵不断扩大,逐渐形成了热力学熵,黑洞熵、信息熵等概念〔1〕。
这种广义熵的提出,阐明了非平衡态与平衡态热力学体系熵的本质是一致的,均受熵定律支配,从而也揭示了物理系统与生命系统的统一性〔2〕。
各生命体的生命活动过程是具有耗散结构特征的、开放的非平衡系统,生命现象也与熵有着密切关系,生命体和一切无机物的一个根本区别是它具有高度有序性。
根据这一特点用“熵”来描述生命是较为恰当的。
引入广义熵的概念来度量生命活动过程的质量,称为生物熵。
本研究将耗散结构理论用于生命过程的研究,建立了生物熵随年龄正常变化的宏观数学模型,用以描述生命过程的熵变。
1生命的自组织过程中的公式模拟
一个无序的世界是不可能产生生命的，有生命的世界必然是有序的。
生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂、从低级向高级进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化，这是一个熵减的方向，与孤立系统向熵增大的方向恰好相反，可以说生物进化是熵变为负的过程，即负熵是在生命过程中产生的。
但是生命体是"耗散结构"，耗散结构认为一个远离平衡态的开放体系，通过与外界交换物质和能量，在一定条件下，可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态，这个新的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的。
生命体通过不断与外界交换物质、能量、信息和负熵，可使生命系统的总熵值减小,从而有序度不断提高,生命体系才得以动态地发展。
生物进化是个熵变为负的过程，即负熵是在生命过程中产生的。
一个系统由无序变为有序的自然现象称为自组织现象。
自组织现象可以通过下面过程说明：①蛋白质大分子链由几十种类型的成千上万个氨基酸分子按一定的规律排列起来组成。
这种有组织的排列决不是随机形成的，而是生命的自组织过程〔4〕。
这表明生命体的有序自组织的形成与随物质、能量和信息带进生物体而引起的负熵有关。
大的负熵状态,必然有利于有序自组织的形成。
而自组织有序度的提高,也必然会导致生物熵的进一步减少。
②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。
③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，原因应该是生命自组织能力的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〔5〕。
生命过程是一个开放的热力学系统，熵变可以用一个耗散型结果进行描述。
dS=dSi+dSe
式中,dS为微熵即熵变,表示热力学体系在某一状态时的熵变；dSi为系统内不可逆过程产生的熵,dSi≥0；dSe是开放系统与外界环境交换物质、能量产生的熵流,其符号可正可负。
根据生命过程可以建立一个简单数学模型描述生命过程的熵变。
以S(t)表示t时刻的生物熵值,那么1/SdS/dt表示t时刻生物熵的相对生长率,从宏观上分析它应用由两部分组成：一部分是由于生命体内部发生的不可逆过程所引起的熵增加f(t)>0；另一部分是该生命体生命过程中自组织生成的熵流g(t)，所以
1/SdS/dt=f(t)+g(t)〔6〕
分析生命体的发育过程,我们知道由生命体内部发生的不可逆过程所引起的熵增流f(t)总是先增加(生命体的出生到逐步成熟)再减少(逐步衰老)〔7〕。
生命过程中自组织生成的负熵流g(t)也总是先增加(生命体的出生到逐步成熟)再减少(逐步衰老)。
根据生命活动的全过程可以等到dS的解为：
dS=S0b(1-e-dt)-S0a(1-e-ct)
对比公式：dS=dSi+dSe
其中：负熵dSe=-S0a(1-e-ct)，熵增dSi=S0b(1-e-dt)
a,b是婴儿出生时的负熵、熵增系数，不考虑后天影响a,b应该是常量，起始时；c、d 分别是的时间变化系数，在生命过程中随时间有小的变化，且有。
其中,S(0)=S0表示生命体刚出生时的熵值,也就是模型的初值,一般认为其值较大。
假定以35岁为平衡点，即dS=0，可以得到：在小于35岁区间，dS由负值（较大）先快后慢减为0；大于35岁区间，dS由0先慢后快增加为正值（较大）；只是后期dS增加过程较前期变化过程慢许多。