生物熵在生命个体研究中的应用

德州学院2013届物理学专业毕业论文1生物熵在生命个体研究中的应用刘小龙（德州学院物理与电子信息学院，山东德州253023)摘要熵表示的是一个系统的混乱程度，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。从宏观角度，对正常生命过程中个体在不同年龄段的熵变进行分析，以及个体在不同环境下的熵变分析，如恶劣的天气，疾病等；从微观角度，通过蛋白质的相互作用，提出蛋白质网络结构熵和特征熵，并比较这两种熵在微生物进化上是怎样变化的，随着生物的进化，这两种熵都是递增的，但是特征熵的分析结果更为理想。最后，通过以上的分析，讨论了生命个体从生物熵这个角度，怎样保持自身的健康，这在医学领域有着重大的意义，可见熵在生物学发展中有着非常好的前景。关键词熵；生物熵；蛋白质网络结构熵；蛋白质网络特征熵1绪论自然界存在着各种各样的能量转变，它们可以分为两大类：一类是没有外界干预的自发的转变(即正转变)，另一类是必须在外界干预下才能实现的转变(即负转变)。为了度量正、负转变的数量及不可逆性，应该寻找一个“转变含量”或“变换容度”，将不同形式的转变相互进行比较，从而使热力学第二定律定量化。为此，德国物理学家鲁道夫。克劳修斯于1865年提出了热力学的熵概念。克劳修斯指出，对于可逆循环，如果物体从任意一个初态开始，连续地经过任意的一系列状态又回到初态时，物质系统吸收的热量与绝对温度的比值的积分TdQ总等于零，那么积分号里的TdQ必定是一个量的全微分，它只与物体当时所处的状态有关，而与物体到达这个状态所经过的路径无关。如果用S表示这个量，则可以规定：TdQds,(1.1)这个S就是克劳修斯的变换容度(或转变含量)。他建议称S为entropy，是来自意思为“变换”的希腊词“”，加了一个前缀en，以便与“能量(energy)”这个词相对应。熵这个中文译名，是考虑到它是热量变化与温度之比(TdQ，即熵)，又与热有关的缘故。热力学中把可逆过程中物质系统吸收的热量与绝对温度的比值TdQ称为熵的增量(ds)。熵是物质热力状态的函数，而与物质热力状态变化的路径无关。熵的提出，度量了正、负转变的数量及不可逆性，使热力学第二定律定量化。熵增加表示系统一部分热量丧失了转变为功的可能性。熵越小，可转变程度越高，不可转变程度越低；熵越大，可转变程度越低，不可转变程度越高。德州学院2013届物理学专业毕业论文2生物进化是由低等到高等的过程，达尔文通过大量的实地调查和分析，于1859年提出了生物进化理论，在其中，他指出，生物进行遗传变异，并通过自然选择完成优胜劣汰，由低等向高等进化。但是，他只是通过大量的调研和事实从宏观上说明了他理论的正确性；现代进化论也只是通过对遗传和变异的进一步深入研究来说明生物进化的方向。但是，它们都没有定量地论证生物进化的规律和准则[1]。Brooks-Wiley理论[2]接受自然选择学说，但同时认为生物进化是热力学第二定律的一个特例，生物熵与组织性的共同增长才是生物进化的根本原因。但是，在这一理论中，生物熵是在一个开放系统中，根据统计力学的基本观点可把生物系统（基因级,细胞级及机体级的集合）看作为一系综，每一系统中的单位（如基因，细胞或机体）作为系综内的粒子，将系综占有一切微观态的几率的统计平均值用来表征相应的宏观态而获得的统计熵，只是一个的统计结果，并没有考虑系统中粒子之间的相互关系，并在开放系统中得到了熵减的结论。随着后基因时代的发展，科学家们发现，蛋白质是生命活动的物质基础，其相互作用在生命活动中核心作用。随着蛋白质相互作用测定技术的发展，大量的蛋白质相互作用数据被获得，蛋白质相互作用数据以及在基因组范围内呈现所有蛋白质之间的关系,即蛋白质相互作用网络及其拓扑特性也越来越受到关注。蛋白质相互作用网络的现有研究拥有无尺度分布和小世界性质。近年来，学者们先后提出了多个无尺度和小世界网络的进化模型[3]。1999年Barabasi和Albert等提出的优先连接模型(preferentialattachmentmodel)。2003年和2005年，Eisenberg等和Joy等分别利用了不同的酵母蛋白质相互作用数据集检测了该模型。2002年到2003年，提出蛋白质相互作用网络的复制—分歧模型(duplication-divergencemodel，DDmodel)。2005年，Ispolatov等提出完全非对称复制—分歧模型，该模型只包含一个参数“相互作用保持概率”。2007年，Hormozdiari等发现，除无尺度性质外，蛋白质相互作用网络的关键拓扑学特性依赖于所选择的种子网络和进化模型。许多专家将基于度数的网络结构熵运用到蛋白质相互作用网络中，对DIP数据库中七种生物的八个蛋白质相互作用网络的互异性和可靠性进行分析和研究[4]。本文第三部分在现有蛋白质相互作用网络的研究基础上，利用蛋白质相互作用网络的信息熵对生物进化进行研究，不考虑生物在开放系统中的能量交换，在生物的封闭系统中，从生物蛋白质相互作用网络的角度揭示熵与生物进化之间的联系。德州学院2013届物理学专业毕业论文32熵与生物2.1生物熵的提出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。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。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。2.2生物熵与生命个体的联系生物熵与生命个体的联系主要体现在与生物化学的联系上。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[5]。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[6]。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：dSedSidS，（2.1）德州学院2013届物理学专业毕业论文4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,0dSi；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)(tS表示t时刻的生物熵值,那么dtdSs1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0)(tf；另一部分是该生命体生命过程中自组织生成的熵流)(tg，所以：)()(1tgtfdtdSs（2.2）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)(tf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)(tg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：)1()1(00cteSdteSdSab，（2.3）对比公式（2.1）,其中：负熵)1(0cteSdSea，熵增)1(0dteSdSib。ba、是婴儿出生时的负熵、熵增系数，不考虑后天影响ba、应该是常量，起始时ba、；dc、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dc、。其中，0)0(SS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0dS，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。2.3对正常生命过程中的熵变分析0岁左右——10岁左右，这是生命成长发育的过程，负熵大于熵增，这时，且从大到小变化。从公式可以看出婴儿出生时的熵变为负熵且较大，促进婴儿快速生长（生物组织的增加，有序的扩大）。在生命成长中熵增也在增加，并且比负熵增加的快，造成生命成长是从出生到长成过程中是逐渐变缓的，这与生命成长过程是相符合的。这个时期由于生命组织的快速正常发育，组织细胞大量增长，代表熵减的有序组织快速增加。由于生命组织的快速增加，伴随生命活动的呼吸、新陈代谢等生理活动引发的熵增也必然增加。但总体来说，生物熵在快速下降中，熵变为负且有一定数值，生命在快速成长中。德州学院2013届物理学专业毕业论文510岁左右——20岁左右，这是生命基本长成的过程，负熵大于熵增，负熵与熵增从有一定差值到20岁左右接近相等，熵变为负，且逐渐接近零。到20岁左右，生命基本长成，这时负熵约等于熵增，熵变约等于零，生物熵进入低熵状态，生命开始进入巩固时期。这个时期由于生命组织的较快的正常发育，组织细胞继续大量增长，代表熵减的有序组较快的增加。由于生命组织的增加，伴随生命活动而引发的熵增也继续增加。生物熵已经降下来了，熵变为负，从一定数值下降到约等于零，生命在继续成长中。20岁左右——35岁左右，这是生命的巩固时期。负熵从约等于熵增到与熵增相等，熵变为微负，熵变从约等于零到等于零，生命处在一个熵比较低的平衡状态中。这个时期负熵和熵增都处于比较大的平衡状态，生命的各项指标也都在最佳状态，生命处于旺盛阶段，负熵流和熵增流都比较大。35岁左右——50岁左右，这是生命的衰老的预备时期。负熵从与熵增相等到约等于和小于熵增，熵变为微正，从等于零到约等于零，生命仍处在一个熵比较低的平衡状态中。生命处于旺盛阶段，负熵流和熵增流都比较大，生命体征同前一阶段比较略有下降。50岁左右以后，生命开始进入衰老时期。负熵略小于熵增，熵变为正，生命过程中的负熵和熵增都在减少中，但熵已经开始缓慢增加了。这个时期由于人体各项功能的下降，组织再造能力下降，人体组织中自由基等垃圾成分增加，组织的有序度开始下降，负熵流下降，熵增流也下降，但熵变是增加的。随着时间的推移生物熵渐渐增大起来，有序度也渐渐降下来了。2.4环境、疾病、死亡与生物熵负熵是人体生命过程中产生的，正常情况下有较高的负熵流，当生理功能由于某种原因失常，生命过程的负熵流将下降，生物熵的上升必然造成生命体许多不适与损害。通常而言，低熵态对应着比较有序的状态，即体内有效能高转化状态。天气变化与生物熵：正常情况下，由于生命已经适应了正常的气候变化，所以正常的天气变化对生命过程的负熵没有影响，只有发生突变时，人体的正常生理调节功能无法适应变化造成负熵下降，生物熵上升，人容易生病或感到不适。环境污染与负熵：环境污染必定造成生命组织的损害，结果使人体正常生理功能失常，负熵流下降，生物熵上升，人容易生病或感到不适。一般疾病与生物熵：当生物体患