生物中的熱力學物理與生物的絢麗碰撞簡介熱力學熱力學是研究熱現象的宏觀理論，它以大量分子、原子組成的物質體系為研究對象，所研究的這種體系被稱為熱力學系統，簡稱系統，與系統發生質量和能量交換的周圍物質統稱為環境，系統與環境的分界面稱為邊界。系統通過邊界與環境進行質量的交換及熱能和機械能或其它形式能量的傳遞。總之，熱力學是以實驗為基礎，從能量及能量守恒與轉化的觀點來分析系統在狀態變化過程中熱功轉換關系和條件的學科生物熱力學應用發展簡史1931年美國生物化學家勃歐克直接根據熱力學第二定律提出熱力學耦合或耦合反應(coupledreactions)的概念,而不需要任何其他熱力學以外的假定或模型，還寫出吉布斯自由能形式的熱力學耦合數學表達式1961年英國生物化學家米切爾提出了ATP(三磷酸線苷)生物合成的化學滲透學說,又稱化學滲透耦合學說，注：該學說是熱力學耦合在現代熱力學核心中的明確定性證明,因此是現代熱力學發展中的重大貢獻20世紀50年代比利時化學家伊利亞普里高津提出生命是“遠離平衡態”的現象，只能用非平衡熱力學方法研究，俄國物理學家格拉季舍夫指出生命現象可以運用化學熱力學方法進行研究。傳統化學熱力學向生命體系滲透基本概念機體利用新陳代謝產生的能量來維持正常生命，從熱力學角度可定量地測量一個生物化學反應過程或生物過程中一定數量的能量所能完成的工作。因此，生物熱力學可被定義為對機體的生物和化學過程中與能量相關的定量研究，重點是生物化學反應和生物過程中的熱力學規律和應用，主要內容包括Gibbs自由能和熱力學平衡等熱力學規律以及與熱力學相關的研究如機體內能量轉換、蛋白質結構和結合以及物質跨膜輸運等受能量控制的生物化學反應或生物過程。基本概念經典熱力學定律只適用于孤立體系，而生命體系是一個開放體系，生命過程是一個和外界環境不斷進行物質與能量交換的不可逆過程。近年來不可逆過程熱力學研究不斷發展，熱力學在生物學中的應用大大擴展。例如，經典熱力學難以解釋的“主動轉運”過程(離子在細胞膜內外對抗濃度梯度的運動)，用不可逆過程熱力學就能作出較好的說明。

最新的“耗散結構”理論進一步推動了這方面的進展。耗散理論認為：遠離平衡態的系統，同樣可以是穩定的。這種狀態的維持，需要不斷有物質與能量的供應，這種狀態可以有一定的空間結構，在時間上有一定的運動秩序。而這些正是生命現象的重要特征。熱力學理論在生命系統中的應用能量與熱力學第一定律熱力學第二定律與熵

熵與生命更遠的擴展啟示能量與熱力學第一定律

能量與熱力學第一定律

熱力學第二定律與熵即為熵增定律孤立系統的熵永不自動減少，熵在可逆變化中不變，在不可逆過程中增加事物的發展都是在熱力學第二定律得支配下行事的，一切自發過程都是朝著熵增加的方向，向著混沌的方向滑去，直到所限條件下熵最大（或最大混亂）為止熱力學第二定律與熵負熵概念的提出：

早期截然不同的觀點：

熱力學第二定律（從有序到無序）

達爾文進化論（從無序到有序）熱力學實驗表明世界發展是從有序到無序的不可逆過程，然而關于生物進化的學說則指出，物種的進化是有序的，進化程度越高越有序，人類文明的發展亦是如此熱力學第二定律與熵

1944年薛定諤在其著作《生命是什么》中明確的提出了負熵和負熵流的概念。他指出負熵不是簡單取負數的熵，而是熵的變化量為負，這個負熵的變化量平息了系統的熵增從而使系統朝有序化方向發展。當系統不斷從環境中獲取物質和能量時，這些物質與能量為系統帶來了負熵，使系統有序度的增量大于無序度的增量，新的結構和組織便由此形成。熱力學第二定律與熵物理學家薛定諤把負熵的概念帶進生物學。按照熵的增加原理，演化總是朝著無序、混亂和衰退方向。那么，問題來了，為什么生物能避免死亡？靠吃、喝、呼吸，……新陳代謝。一個有機體在不斷地增加它的熵——在增加正熵——并接近最大熵值的危險狀態，那就是死亡。要擺脫向死亡的退化，唯一的辦法是從環境不斷地吸取負熵，有機體賴以負熵為生。意思：有機體吸取負熵去抵消它在生活中產生的熵增加，從而自身穩定在低熵的水平。熵舉例分析：生命體諸如蛋白質分子，DNA分子等大分子物質都是高度有序，且保存有非常重要的生命信息，因此，必須要有負熵的引入才能維持這些分子的存在，保證生物的遺傳和正常生存再舉個例子：當天氣變涼時，假如人體無法調節以適應，就會影響負熵輸入造成身體不適甚至感冒，因此我們需要通過加衣吃藥來增加負熵，使機體重回原較低熵狀態（健康狀態）加衣不是為了保暖，而是為了維持負熵流！人生熵變全記錄

更遠的擴展

更遠的擴展舉例：生物是一個遠離平衡態的開放系統，與外界環境進行著物質能量交換。社會同樣是一個開放系統，與自然間進行著物質與能量交換。人作為動物與社會的一份子，更有優勢產生耗散結構，因此人類從遠古時代就比其他生物加速進化，產生了進化程度很高的低熵機體和包含法律，藝術，科學等的低熵社會。

更遠的擴展因此,我們無論考察生理向病理轉化,還是病理向生理復歸的量變質變過程,都應把重點放在微觀層次上,堅持微觀深層導向性。這不是回到片面強調理化指標為依據,著重分析的還原論老路上去,而是要走向綜合兼容辯證還原的新思維方式。中西醫結合返回啟示科學的發展不是單線的，而是多種學科相互影響、相互促進的，甚至是之間存在決定性的關系學科間的融合形成新興學科，各門學科的研究范圍已格外廣泛

生物+熱力學=生物熱力學

天文+物理=天體物理學