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1、从热力学第二定律的角度论述生命活动的本质 王博 04121102 1120111021一摘要：热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人们就用态函数熵来描述这个差异，薛定谔曾经说过：“生命以负熵为生。”从宏观来看生命（正常死亡的生命）过程就是一个熵增的过程，始态是生命的产生，终态是生命的结束，这个过程是一个自发的、单向的不可逆过程。二知识背景1850年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理，指出：一个自动运作的机器，不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律。不久，开尔文又提出：不可能从单一热源取热，
2、使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。奥斯特瓦尔德则表述为：第二类永动机不可能制造成功。在提出第二定律的同时，克劳修斯还提出了熵的概念S=Q/T，并将热力学第二定律表述为：在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。但在这之后，克劳修斯错误地把孤立体系中的熵增定律扩展到了整个宇宙中，认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温，直至一个时刻不再有温差，宇宙总熵值达到极大。这时将不再会有任何力量能够使热量发生转移，此即“热寂论”。作为描述热力学系统的重要态函数之一，熵的大小反映系
3、统所处状态的稳定情况，熵的变化指明热力学过程进行的方向，熵为热力学第二定律提供了定量表述。三基于热力学第二定律理论对生命活动本质的思考宇宙万物的一切变化都在热力学的掌控之中，包括两种形式的能量之间的转化，物体与物体之间热量的传递，做功与能量的转变。热力学第二定律是所有物理定律的基础，因为它界定了一切变化的方向，包括本文所要讨论的生命本质既时间流向。热力学第二定律与时间流逝早在1851年开尔文就根据热力学第二定律推测宇宙内所有的变化都会沿着有去无回的方向进展，他提出“时间是有箭头的”，这也是最初的以热力学对生命本质的解释。既然熵值只增不减，那么熵值最低的时候也就是一切变化开始的源头，即宇宙的起点
4、。由于熵值越来越大，最终一切能量的分布会达到平衡状态，此时根据热力学第二定律，所有的能量传递都将终止，所有做功的能量此时已经耗尽，也就是达到了宇宙的终点。由此，热力学第二定律给了我们一个对宇宙发展、时间流逝的合理解释。时间的流逝便是生命活动的本质之一，生命的发展本就是以时间为轨道一去不返的。这样，在时间的角度，我们得出了一部分的结论。热力学第二定律与物种进化热力学第二定律使基本粒子的轨迹产生差异，从宏观上讲使得熵值在自发的反应中不断加大。事实上，热力学第二定律是相对分裂的结果，相对分裂会使相同的东西出现差异，因此简单的状态会越来越复杂，聚集的粒子逐渐分开形成新的粒子，导致了原始的物种逐渐演变出
5、新的物种。这里从微观角度阐释了物种进化的本质。热力学第二定律与生命个体活动以一个日常生活中碰到的问题为例，热力学第二定律会令时间储存在房间的灰尘里，而这些灰尘就是熵值很大的物质。我们使用扫帚扫灰尘，房间里的熵值就会降低，然而所消耗人的能量会使人的熵值增高，所以整体而言，房间熵值的降低（时间倒退）抵不上环境熵值的增加（时间走向未来），所以说任何生命的熵都随着时间的进展而变大。也就是任何生命在生命活动中所经历的本质。我们把时间作为一个熵值的载体，由热力学第二定律可知：一切的变化都是整体时间的增加和个体时间之间的传递。那么在变化时，整体流逝掉的时间必然是增加的，而个体时间之间的差异在不断减小，所以年
6、轻的生命必须把未来的时间传递给老年的自己而使自己的年龄增长。所以从这个角度，我们给出了生命逐渐衰老这一过程的解释。热力学第二定律与癌症生命体系本质上是一个开放体系，其运转过程符合“耗散结构”的一般规律。而所谓癌细胞的发生和发展实际上就是对这一自然规律的逆反过程。要想从根本上攻克癌症，就必须对生命过程中癌细胞的这一本质逆反过程有深刻的认识。否则将会是无的放矢。人体是一个开放体系。生命过程，由单细胞到多细胞，由低级到高级，从无序到有序，向着熵减少方向转化（S0）。主宰这一过程的本质力量是人体基因DNA。DNA通过与各种调控因子（主要是各类蛋白因子）的特定专一性有序相互作用，基因表达与遗传信息的传递
7、受到生命这一复杂巨系统精确的协同与调制，从而保证生命体系各种物理、化学与生物学等过程的正常运转。生命过程的对立面即是死亡。人体内源的细胞基因，主要指调控基因及重要结构基因元件，由于各种体内、体外致癌因素，导致上述重要关键基因元件的异常突变即所谓的细胞基因癌变，因而造成人体正常基因组的异常活化，细胞无节制地扩增，使有序向无序转化，加速生命的耗散，熵值异常增大。当熵值增至无穷大时，人的生命便终止了。热力学第二定律与意识生命之所以区分于其他物质，就是在于生命有独立的意识。从某种角度讲，熵值的增加导致了整个宇宙由简到繁的发展过程，而这种历史轨迹就是为了增加“意识”的选择，熵值的增加使意识以时间为轴有了
8、方向。随着整个宇宙趋向于无序，随着生命个体的整个时间分配给不同的年龄而导致了年龄的增长，生命的意识也是由简到繁的过程，也与年龄的增长同步而接受了更多混乱的来自外界的知识和对环境的认知，从而是自己更加的智慧，头脑中的东西更为复杂。同时正是由于意识的增长人类的智慧不断发展，从而就有科学家发现了“熵”这一理论来解释宇宙万物的普遍规律。从这个角度来讲，所有以上推论满足了物理学中的“环”，也就是经过一系列的分析之后最终的推论与最初的猜测完美地吻合。四思考与结论我们看到热力学第二定律决定着宇宙万物发展变化的一切基本规律，它决定了时间的走向，宇宙的起源和灭亡以及一切生命活动的本质所在。越发发现，“热力学第二
9、定律”在生命科学中具有重大的作用，它将生命个体在理论上与生态系统，以至于整个宇宙相联系起来。这种说法与我国古代的“天人合一”，“天道永恒”想通。从宏观来看生命（正常死亡的生命）过程就是一个熵增的过程，始态是生命的产生，终态是生命的结束，这个过程是一个自发的、单向的不可逆过程。而这个过程中，生命体通过摄入负熵来抵抗熵增，但是最终也都由于体内熵达到了一定的限度而使生命崩溃。对于生命的本质，是一种走向毁灭的宿命，但是真正有价值的是走向衰亡中的过程。五致谢北京理工大学物理学院何建锋老师参考文献：1、热力学第二定律与时间的神秘走向2001年6月 宋建民 著 物理双月刊2、大学物理学热学2000年8月版 张三慧 著 清华大学出版社3、生命与熵
