发布时间 : 星期日 文章熵的应用综述 - 图文更新完毕开始阅读83612f621ed9ad51f01df259
苏州科技学院本科生毕业设计（论文）
的熵来维持平衡。但熵作为一种抽象热力学系统的状态函数不可能以游离形式存在，而应是物质的一种属性。因此，为了排出熵，就得排出带有高熵的物质。
薛定谔以此创举沟通了生物学与物理学对进化观点的鸿沟，并吸引了相当一部分物理学家在若干年后转而研究生命科学，开创了生物学研究的新局面。
4.2 熵原理与生命科学
生物物种的遗传信息是依靠基因保持与传递的，越简单的生命基因中所含的信息量越少，越是高等的生命，其基因的信息含量越大。当细胞开始按基因上的信息自我复制时，成长起来和分化出来的细胞不断扩大，其总体的信息量是远远超过母细胞核中的基因信息量的。生命具有自组织性，在没有外界特定的安排下，系统内部自己形成有序的结构，细胞信息不断的扩大，可以认为是信息复制和扩大过程是一个负熵的过程，这需要细胞的特殊结构，需要有一系列的细胞器配合完成，复制出的细胞又有序的排列形成器官，负责生命体中特定目的的功能。
生命体的有序性和低熵，是不断从外界吸取负熵，排除无序性即排除高熵来实现的。在生命发育和生长过程中，就是信息扩大的过程，熵是减少的，或者说是负熵增加的过程。
与之相反的过程是生命不断耗散和有序性，组织性不断被破坏的过程，是信息不断消失的过程，它趋向于与自然界平衡，趋向于“热寂”和消亡。
生命体就是这么一个斗争的过程，不断的发育和生长，自我复制，从外界吸取负熵，如食物，能量，水，氧等，同时排除高熵物质，无序性的物质如粪便，汗水，二氧化碳等。两个相反的过程不断的斗争，就是不断吸取负熵，然后又不断的被消耗的过程，生命在两者的斗争过程中得以延续。
生命系统在与外界进行物质和能量交换过程中，它自身的混乱程度也要随之变动，最终使整个体系的熵发生变化。普里戈金因此提出了著名的好散结构理论，它突破了热力学第二定律只适用于孤立系统的限制，将其适用范围推广到开放系统。生命熵【7】
dS?dSi?dSe （7）
dSe 是生命体和外界交换物质或能量而引起的熵流，其值可以为正、负或者零。从外界吸取的熵为dSei，排除的熵为dSeo，两者的差值dSe =dSei-dSeo 就是生命体从外界交换的熵总值。dSi 表示生命体系统内不可逆过程引起的熵增加，
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根据熵增加原理知，dSi>0。
由薛定谔的理论可推知，若要维持和发展生命就必需不断加强负熵流dSe ，使│dSe │> dSi ，以保证dS < 0 。生命体总的熵值在减少，表现为生命体处于一个被组织起来的，不断的发展壮大的生长过程。反之，如果整个生命体的熵在增加，即dS > 0 ，则是一个组织和机体不断的被破坏和消耗的过程，是一个从有序性走向无序性的过程，也就是衰老的过程，最后与自然界处于平衡状态，不再有熵的交换。
要使生物体健康生存和发展，生物生长、发育，繁殖的信息得以正确表达，就要不断获得信息熵，使其熵变等于或小于零。只有这样生物体系才能更有次序、更有组织，才能保证生物个体的生存和种群的进化。
【6】
具体说来，一个生命的全过程可以分为3 个阶段。
第1 阶段，生命体的总熵变dS < 0，生命从一定的有序结构上升到更高的有序结构。该阶段对应于生命体从受精卵着床于子宫开始到个体发育的健全时期。在此阶段中， 生命体的各个器官都处于不断的分化健全过程中。从熵原理来分析， 生命是从某一特定的较高熵值(S0) 状态开始通过不断从外界吸取有序的物质和能量(负熵) ，使生命系统的总熵值不断减少，直至某一较低的熵值(S1) 状态。由此分析可以知道生命的初期熵值较高，有序程度较低，这也是新生儿容易生病甚至死亡的原因。
第2 阶段， 生命体的熵流dSe≈-dSi ，则总熵变dS≈0，系统稳定于某一稳定的有序状态，对应的熵值基本维持在S1不变。该阶段对应于生命发育健全的成熟期至更年期，这可以被称为生命的黄金时期，生命通过与外界交换物质与能量，每天保持大致相同的低熵状态。这也是生命在青壮年时期只要是有健康的生活方式，能够从外界吸取足够大负熵流，健康状况一般比较好的原因。
第3 阶段，总熵变dS > 0，生命从较高的有序走向较低的有序，直至最无序。该阶段对应于从更年期到死亡的生命过程。当生命的熵值从最低点S1 上升到最高点S2 ，生命体呈现高度混乱状态，无法维持有序结构时，用物理学的语言描述是到达平衡态，用生命科学的语言描述就是死亡。这也是在老年阶段生命体容易发生各种疾病的原因。
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4.3 熵原理在某些疾病中的应用
心身医学研究发现:处于健康状态的生命体其熵通常都维持在恒定体温下的合成代谢与能量代谢相匹配的水平上。当能量代谢过剩时，机体将产生过量的废热， 而废热是以熵变dS 的形式反映出来的，称为“熵增加”或“积熵”。正常机体是依靠热辐射、排泄废物等基本的生理反馈方式向体外排除多余的积熵。若超出机体调节功能，即负熵流不能抵消机体的正熵， 或机体内某一部分的功能受阻，废热的熵增不能以热辐射、排泄废物等方式及时向体外排出多余的熵，会使机体偏离健康状态，废热会导致体温升高，或在基础体温不变的情况下以熵的形式残存在体内，使积熵增大，也即形成了“熵病”。当积熵增大时，机体内在系统会从有序变为无序，各种无序的物质在细胞内外堆积起来会使机体内环境进一步远离稳态，以至于造成这些无序物质分解和消除的速度进一步减缓的恶性循环。
感冒是一种典型的熵病。人在剧烈运动时需消耗大量能量，它靠体内各种生物化学反应来提供，随之而来的是体内产生大量废热TΔS。若此时现散热不当，且令身体受凉（如：过度吹风、雨淋等）。为了使身体暖和，大脑一方面下令丘脑下部体温调节中枢，产生热量；另一方面使皮肤表层组织的毛细孔关闭，阻止体内热量的散失。导致身体各部的总熵变dS>0，系统混乱度逐渐增加。此时身体功能失调、抵抗力下降，病菌乘虚而入，身体就出现发热畏寒、四肢无力等症状。对于感冒的治疗，无论中医的“发汗清热”，还是西医的“灭菌消炎”，从熵的角度来看，其本质都是为了清除体内的积熵。 同样的情况还可以解释中暑。 闷热的酷暑天，由于环境温度高、湿度大，身体放不出热，使机体几乎向绝热状态逼近，结果导致体内积熵过多从而引起严重失常。
如果深入到细胞层次，熵理论对于癌症的成因与治疗也能给出有意义的结果。近代生物理论指出，长时间氨基酸的排列顺序或空间构型上的微小差错都会导致蛋白质、核酸及酶的功能出现长远性的差错，这种差错一旦出现就极难拨正。于是，局部组织便会出现癌症。从熵原理角度，当生命系统内部某一部分细胞的混乱度突然大幅度地增加时，该部分细胞的熵值亦随之大增，使其中的微观秩序受到破坏，细胞中的脱氧核糖核酸( DNA) 、核糖核酸( RNA) 及蛋白质的合成都不够精确。这样，新旧蛋白质的信息(负熵)传递便会出现差错从而出现局部的
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极大无序——癌症。人们一直在努力寻找治疗癌症的方法，现在已证实DNA是许多抗肿瘤药物的靶分子，人们通过嵌入、沟槽等方式将药物与癌细胞的DNA结合，抑制肿瘤细胞的分裂增生，从而产生抗癌作用。癌症的治疗也在于用各种方法( 如化疗、手术等) 使生命体的局部不断获得负熵流，从而使人体新的有序
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结构重新出现。
4.4 熵原理与衰老
根据上述观点来看，衰老就是人体内熵的一种长期、缓慢而又不可抗拒的增加：当生命进行到一定阶段时，由于各组织系统的“自然磨损”，身体内出现了各种功能的退化，使之与外界因交换物质而获得的负熵流dSe 变小。而内部的熵产生成分dSi 却依然在不断增加，于是便导致了熵变dS 长期缓慢地增加。针对这种不可抗拒的自然规律，人们只能尽可能地设法降低dS 的增长速度，放慢衰老的进程。
由式(6)可以看出，有两种办法可望达到上述目的：一是增加dSe ，即平时吃多吃好一些。不过，由于老年人机体组织的功能已经有所退化，如果食之不慎，将会有大部分的食物不能被消化和利用，反而会以废热的形式耗散掉。 而废热如上所说会以熵的形式在体内积聚，导致身体功能失调甚至生病。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。
减缓衰老进程的另一种办法是降低人的体温，即需减缓新陈代谢的速度。熵理论表明，热熵主要来源于分子的热运动。温度越低，热运动的进行就越缓慢，此时，dS 的值就会越小，新陈代谢的速度就会越慢，并且新陈代谢的放慢又可减少人体器官的“自然磨损”。 可见，降低体温很可能是放慢衰老速度，延长人类寿命的一种好办法。例如国外有专家对果蝇进行试验的结果表明，果蝇“体温”每降低8℃，其寿命就能延长一倍。
还需提到的是，来自环境的一些信息也能使人产生大喜、大悲、大乐、大哀等情绪，从而使生命体功能分子正常的有序结构部分被破坏，导致该部分结构的熵迅速增加，还可能因其他非线性相互作用诱发其他组织的病变，形成生命的熵正反馈增长。
所以我们可以把衰老、疲劳、肿瘤和一些慢性疾病看作是体内积熵的长期、
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