畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-淺談耗散結(jié)構(gòu)-生物體的有序之源

淺談耗散結(jié)構(gòu)——生物體的有序之源PAGEPAGE1昆明學(xué)院2011屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 設(shè)計(jì)（論文）題目淺談耗散結(jié)構(gòu)——生物體的有序之源子課題題目姓名學(xué)號所屬系物理科學(xué)與技術(shù)系專業(yè)年級指導(dǎo)教師淺談耗散結(jié)構(gòu)——生物體的有序之源摘要經(jīng)典耗散結(jié)構(gòu)對其有序的分析，雖然用熱力學(xué)第二定律和熵增加原理無法解釋，但這掩蓋不了耗散結(jié)構(gòu)本身的價值。耗散結(jié)構(gòu)的有序是耗散結(jié)構(gòu)在形成過程中各因子之間形成的相互聯(lián)系，它是一個宏觀整體的概念，反映了系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)系程度。本文根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，通過幾種自組織現(xiàn)象實(shí)例，揭示了耗散結(jié)構(gòu)理論的本質(zhì)及其形成的條件，最后闡述了耗散結(jié)構(gòu)是生物體的有序之源。生命過程在一定意義上是復(fù)雜的物理過程和化學(xué)過程，本文結(jié)合生命的現(xiàn)象的分析，提出了一種全新的生命目的觀：生命的本能目的是為了使自身的耗散結(jié)構(gòu)更有序，輸入負(fù)熵只是實(shí)現(xiàn)生命本能目的的手段。同時，詳細(xì)分析了生物體作為耗散結(jié)構(gòu)的有序性的內(nèi)涵。關(guān)鍵詞：耗散結(jié)構(gòu)；自組織；有序性；負(fù)熵流；生命的本能目的

BriefDiscoursingontheDissipativeStructure--theOriginationofOrderlinessaboutOrganismAbstractTheanalysisoforderlinessaboutclassicaldissipativestructure,isnotinterpretedbythesecondlawofthermodynamicsandtheprincipleofentropyincrement,butalsounabletoconcealtheimmanentvalueofdissipativestructure.Theorderlinessofdissipativestructureisdependentonthemutualcontactsbetweenvariousfactors,itisamacroscopicalanduniversalconcept,whichreflectsthedegreeofinternalrelationsaboutthesystem.Thispaperisbasedonthetheoryofdissipativestructure,revealstheessenceofthetheoryofdissipativestructureanditsformativequalification,finallyweexpoundsthatthedissipativestructureistheoriginationoforderlinessaboutorganism.Inacertainsense,theprocessoflifeiscomplicatedphysicalandchemicprocess.Thispaperproposesanewviewaboutthepurposeoflifethroughtheanalysisofvitalphenomena:theinstinctivepurposeoflifeistoenhancetheorderlinessaboutthedissipativestructureofoneself,theimportofnegentropyisjustameanstoachievetheinstinctivepurposeoflife.Inaddition,thispapermakesadetailedanalysisofthenatureoftheorderlinessforlifeasadissipativestructure.Keywords:dissipativestructure;self-organization;orderliness;negentropy;instinctivepurposeoflife

目錄一、耗散結(jié)構(gòu)論的產(chǎn)生……………1二、耗散結(jié)構(gòu)理論…………………1三、耗散結(jié)構(gòu)的特征………………1四、自組織理論……………………21、上帝之手編制美麗的圖案——貝納德水花……………22、云街………………………33、周期化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象………3五、生物圈是耗散中的多體系統(tǒng)…………………5六、耗散結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)定律的辯證關(guān)系…………6七、生物體的耗散結(jié)構(gòu)……………71、負(fù)熵的輸入是耗散結(jié)構(gòu)存在和發(fā)展的必要條件………72、生物體：一類高級的耗散結(jié)構(gòu)…………8八、生物膜中的耗散結(jié)構(gòu)與生命過程中的負(fù)熵…………………91、生物膜中的耗散結(jié)構(gòu)……………………92、生命過程中的負(fù)熵………10九、應(yīng)用與發(fā)展……………………12參考文獻(xiàn)……………14謝辭…………………15一、耗散結(jié)構(gòu)論的產(chǎn)生19世紀(jì)存在著兩種對立的發(fā)展觀。一種是以熱力學(xué)第二定律為依據(jù)推演出的退化觀念體系，它認(rèn)為，由于能量的耗散，世界萬物趨于衰弱，宇宙趨于“熱寂”，結(jié)構(gòu)趨于消亡，無序度趨于極大值，整個世界隨著時間的進(jìn)程而走向死亡；另一種是以達(dá)爾文的進(jìn)化論為基礎(chǔ)的進(jìn)化觀念體系，它指出，社會進(jìn)化的結(jié)果是種類不斷分化、演變而增多，結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜而有序，功能不斷進(jìn)化而強(qiáng)化，整個自然界和人類社會都是向著更為高級、更為有序的組織結(jié)構(gòu)發(fā)展。顯然，物理學(xué)與生物學(xué)、社會學(xué)中的這兩種觀點(diǎn)至少表面上在發(fā)展觀上是根本對立的。難道生命系統(tǒng)與非生命系統(tǒng)之間真的有著完全不同的運(yùn)動規(guī)律嗎？為此，物理學(xué)家普利高津(I.Prigogine)創(chuàng)立了“耗散結(jié)構(gòu)理論”，又稱非平衡系統(tǒng)自組織現(xiàn)象[1]，他認(rèn)為，無論是生命物質(zhì)還是非生命物質(zhì)，應(yīng)該遵循同樣的自然規(guī)律，生命的過程必然遵循某種復(fù)雜的物理定律。二、耗散結(jié)構(gòu)理論耗散結(jié)構(gòu)理論可概括為：一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性的開放系統(tǒng)（不管是物理的、化學(xué)的、生物的乃至社會的、經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)）通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在系統(tǒng)內(nèi)部某個參量的變化達(dá)到一定的閾值時，通過漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。這種在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)，由于需要不斷與外界交換物質(zhì)或能量才能維持，因此稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”。三、耗散結(jié)構(gòu)的特征1、存在于開放系統(tǒng)中，靠與外界的能量和物質(zhì)交換產(chǎn)生負(fù)熵流，使系統(tǒng)熵減少形成有序結(jié)構(gòu)。耗散即強(qiáng)調(diào)這種交換。對于孤立系統(tǒng)，由熱力學(xué)第二定律可知，其熵不減少，不可能從無序產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)。2、保持遠(yuǎn)離平衡態(tài)。貝納德對流中液層上下達(dá)到一定溫度差的條件就是確保遠(yuǎn)離平衡態(tài)。3、系統(tǒng)內(nèi)部存在著非線性相互作用。在平衡態(tài)和近平衡態(tài)，漲落是一種破壞穩(wěn)定有序的干擾，但在遠(yuǎn)離平衡態(tài)條件下，非線性作用使?jié)q落放大，達(dá)到有序。如果一個系統(tǒng)靠外部指令而形成組織，就是他組織；如果不存在外部指令，系統(tǒng)按照相互默契的某種規(guī)則，各盡其責(zé)而又協(xié)調(diào)地自動地形成有序結(jié)構(gòu)，就是自組織。自組織現(xiàn)象無論在自然界還是在人類社會中都普遍存在。一個系統(tǒng)自組織功能愈強(qiáng)，其保持和產(chǎn)生新功能的能力也就愈強(qiáng)。例如，人類社會比動物界自組織能力強(qiáng)，人類社會比動物界的功能就高級多了。四、自組織理論20世紀(jì)60年代末期開始建立并發(fā)展起來的一種系統(tǒng)理論，主要是貝塔朗菲（L.VonBertalanfy）的一段系統(tǒng)論的新發(fā)展。它的研究對象主要是復(fù)雜自組織系統(tǒng)（生命系統(tǒng)、社會系統(tǒng)）的形成和發(fā)展機(jī)制問題，即在一定條件下，系統(tǒng)是如何自動地由無序走向有序，由低級有序走向高級有序的。在自然界中有兩種有序結(jié)構(gòu)，一種象晶體那樣的固定有序結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是一種“死”的有序，它不需要任何能量就能夠維持其結(jié)構(gòu)有序；而另一種，比如生物的組織，它仍然是一種有序結(jié)構(gòu)。而這種有序完全是由于機(jī)體內(nèi)部的細(xì)胞自發(fā)組織、調(diào)節(jié)所形成的有序，要維持這種有序結(jié)構(gòu)就必須供給能量。我們把這種依靠機(jī)體內(nèi)部自發(fā)組織起來，自發(fā)調(diào)節(jié)，并通過外界供給能量來維持的有序結(jié)構(gòu)叫做“自組織”結(jié)構(gòu)。在自然界中這種現(xiàn)象是大量存在的，理論研究較多的典型實(shí)例如：貝納德（Benard）流體的對流花紋，貝洛索夫（Belousov）和扎鮑廷斯基（Zhabotinsky）首先發(fā)現(xiàn)的化學(xué)振蕩花紋與化學(xué)波，激光器中的自激振蕩等。自組織理論除耗散結(jié)構(gòu)理論外，還包括協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論等，它們力圖溝通物理學(xué)與生物學(xué)甚至社會科學(xué)，對時間本質(zhì)問題等的研究有突破性進(jìn)展，在相當(dāng)程度上說明了生物及社會領(lǐng)域的有序現(xiàn)象。1、上帝之手編制美麗的圖案——貝納德水花大家知道，熱運(yùn)動是一種雜亂無章的運(yùn)動。因此，當(dāng)給水加熱的時候，它的水花也應(yīng)當(dāng)是雜亂無章的。那么，當(dāng)你看見那些水花突然自發(fā)的出現(xiàn)了規(guī)則的圖案，并且成有序運(yùn)動，你是否會驚奇，并認(rèn)為那是上帝的杰作，是否看到了生命中最原始的基因呢？這個實(shí)驗(yàn)是，將一個平坦的鍋里盛上一薄層水，當(dāng)在鍋的下面慢慢均勻加熱。開始時，鍋內(nèi)會出現(xiàn)一些不規(guī)則運(yùn)動的小氣泡，隨著熱量的增加氣泡增多，當(dāng)達(dá)到一臨界值的時候，原來不規(guī)則運(yùn)動的氣泡突然變成了有規(guī)則的、呈六角型翻轉(zhuǎn)的花紋，而這些花紋又組成一個美麗的圖案，這就是著名的貝納德水花，見圖1所示。圖1Benard花紋2、云街在一般情況下，云團(tuán)的運(yùn)動是雜亂無章的，是無序的運(yùn)動。但在一定條件下，平常無規(guī)則的云團(tuán)突然會象步兵排隊(duì)一樣，形成整齊的“隊(duì)列”，形成有序結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2云街3、周期化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象最引起科學(xué)家們興趣的是蘇聯(lián)化學(xué)家貝洛索夫和生物化學(xué)家扎鮑廷斯基進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。1958年，貝洛索夫在金屬鈰離子作催化劑的情況下檸檬酸的溴酸氧化反應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)在某些條件下某些組份（例如溴離子、鈰離子）的濃度會隨時間作周期變化，造成反應(yīng)介質(zhì)的顏色在黃色和無色之間作周期性的變換。其后扎鮑廷斯基等人繼續(xù)并改進(jìn)了貝洛索夫的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)另外一些有機(jī)酸（例如丙二酸）的溴酸氧化反應(yīng)也能呈現(xiàn)出這種組份濃度和反應(yīng)介質(zhì)的顏色隨周期變化的現(xiàn)象。利用適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，介質(zhì)的顏色變化可更加明顯，例如在紅色和蘭色之間作周期性變換。反應(yīng)介質(zhì)一會兒紅色，一會兒蘭色，再一會兒紅，一會兒蘭色，象鐘擺一樣發(fā)生規(guī)則的時間振蕩。因此這類現(xiàn)象一般稱之為化學(xué)振蕩或化學(xué)鐘。后來扎鮑廷斯基等人又發(fā)現(xiàn)在某些條件下體系中組份的濃度并不總是均勻分布的，而是可以形成規(guī)則的空間分布，出現(xiàn)許多漂亮的花紋，如圖3所示。圖3Zhabotinsky花紋（六種花紋對應(yīng)六個不同的時刻）五、生物圈是耗散中的多體系統(tǒng)生物圈即地球上存在生命的部分，由大氣圈下層（對流層），水圈和巖石圈的上層（風(fēng)化殼)組成[2]。生物圈作為一個開放系統(tǒng)，吸收太陽能作為引入系統(tǒng)的負(fù)熵流而存在和發(fā)展。在整個生物圈中又可根據(jù)不同的定義劃分出多種不同屬性的子系統(tǒng)。從人與自然的關(guān)系我們將生物圈劃分為兩大系統(tǒng)即：人類社會生態(tài)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)。圖4生物圈中人類社會生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)假設(shè)des<0，這應(yīng)該是人與自然界之間最理想的相互作用關(guān)系。二者發(fā)展的態(tài)勢都將是良性的，可持續(xù)的。但事實(shí)上我們發(fā)現(xiàn)二者之間相互流動的des是不等值的(也許在des>0的情況下，將來某一時間會變得等值)，所以他們之間的相互作用被人為地變得更為復(fù)雜：圖5生物圈中des的流動關(guān)系由于des1與des2的不等值，勢必會造成生態(tài)的失衡。自然生態(tài)系統(tǒng)在輸入的des1>0的情況下，會加速系統(tǒng)的熵增，而更快速地趨于“死亡”。當(dāng)死亡的系統(tǒng)再不能向人類社會生態(tài)系統(tǒng)提供負(fù)熵，甚至提供大于零的des時，人類社會生態(tài)系統(tǒng)最終也只能趨于“死亡”。我們來看一看現(xiàn)實(shí)中的des1和des2：1、des1為負(fù)：人類對大自然的影響并非一直都是負(fù)面的。約瑟夫·康耐爾（JosephConnell）在他的研究中指出：適當(dāng)?shù)娜祟惢顒拥母蓴_對自然生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性的形成有積極作用[3]。我們都知道，物種的豐富對于生態(tài)系統(tǒng)抵抗氣候變化和病菌侵?jǐn)_是很重要的。但遺憾的是這種適度的干擾，在三個世紀(jì)之前就已經(jīng)結(jié)束了。2、des1為正：工業(yè)革命之前的des>0的情況我們略過不談，工業(yè)革命之后des1就似乎變得恒大于零，至少在工業(yè)革命至今的幾百年中des1總是大于零，并在很長一段時間里保持著增長。大于零的des都為自然生態(tài)系統(tǒng)注入了些什么？化石燃料的使用產(chǎn)生了溫室效應(yīng)、酸雨；過墾過牧導(dǎo)致土地的荒漠化、沙漠化；生物資源的過渡使用引起物種快速消失；人口劇增、城市建立還在不斷的開墾和占用土地而降低自然界的凈化能力和生產(chǎn)能力。人類向自然生態(tài)系統(tǒng)索取小于零的des總是積極主動的，而且還同樣積極地向它輸入正熵流。3、des2為正：氣候的異常變化、泥石流、地震、臺風(fēng)、沙塵暴等自然災(zāi)害的發(fā)生對人類社會造成了一定程度的傷害，甚至阻礙一些地區(qū)的社會發(fā)展。可是我們也應(yīng)該清醒的意識到以上的一些所謂自然災(zāi)害里邊，除了一些誰也不能影響的地質(zhì)活動以外，或多或少的也夾雜著人類活動的影子。4、des2為負(fù)：自然生態(tài)系統(tǒng)對人類社會生態(tài)系統(tǒng)所注入的負(fù)熵流是顯而易見的。自然生態(tài)系統(tǒng)就象是人類的能量物資儲備庫，支撐著人類一切的生產(chǎn)消費(fèi)。沒有了可利用的自然物資的供給，很難想象人類社會的存活期是應(yīng)當(dāng)以天計(jì)還是以小時計(jì)。從以上的分析中不難看出，des1與des2是完全不對等的，性質(zhì)也是不同的，des1>0而des2<0。問題在于自然生態(tài)系統(tǒng)還能承擔(dān)多久正熵流的輸入，而des2<0還能持續(xù)多久？六、耗散結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)定律的辯證關(guān)系從經(jīng)典熱力學(xué)第二定律來看，自發(fā)過程總是使體系朝著混亂度增大的方向進(jìn)行，而相反方向從無序向有序的轉(zhuǎn)化是不可能的。事實(shí)上，上述結(jié)論是在孤立體系的條件下總結(jié)出來的，而耗散結(jié)構(gòu)是在開放體系中即在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的條件下提出的。一個開放體系，除了考慮體系內(nèi)部的熵之外，還必須考慮體系與外界的熵交換。作為開放系統(tǒng)的生命體系內(nèi)部過程，根據(jù)不可逆過程熱力學(xué)，普利高津的熵變公式可寫作：ds=des+dis其中des表示dt時間內(nèi)生命體系通過代謝活動（與外界交換能量、物質(zhì)和信息）由外界引入的熵，其值可正、可負(fù)亦可為0；dis表示dt時間內(nèi)生命體系內(nèi)部產(chǎn)生的熵，是由生命體內(nèi)部各種不可逆過程引起的，其數(shù)值恒為正。生命活動情況可用ds=des+dis式進(jìn)行討論，包括以下3種[4]：1、若ds>0，即dis>-des，這時生命體系所引入的負(fù)熵流不足以抵消內(nèi)部的熵產(chǎn)生，熵變?yōu)檎?，此時生命體系將走向消亡。2、若ds=0，即dis=-des，此時系統(tǒng)由外界吸取的負(fù)熵流抵消了內(nèi)部熵產(chǎn)生，表明生命體系處于正常狀態(tài)。3、若ds<0，即dis<-des，則系統(tǒng)由外界吸取的負(fù)熵流足夠大，從而使生命體系變得更加有序而充滿活力。當(dāng)然開放系統(tǒng)并不是保證實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的充分條件，只有在系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡和存在著非線性機(jī)制的條件下，耗散結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)。七、生物體的耗散結(jié)構(gòu)自從人類學(xué)會思考，就沒有停止過思索生命在世界上存在的目的。1944年，著名的物理學(xué)家薛定諤在《生命是什么？》一書中首次闡明了一種目前被廣泛接受的觀點(diǎn)：生命的目的是獲取負(fù)熵，寫道：“一個生命有機(jī)體，在不斷地增加他的熵——你也可以說增加正熵——并趨于熵最大值的危險狀態(tài)，這就是死亡。要擺脫死亡，就是說要活著，唯一的辦法就是從環(huán)境里不斷地吸取負(fù)熵”[5]。1969年，比利時科學(xué)普里高津系統(tǒng)地把熱力學(xué)理論應(yīng)用到生物體中，發(fā)表了《結(jié)構(gòu)、耗散和生命》的論文，其中首次提出了“耗散結(jié)構(gòu)理論”[1]這一理論，從科學(xué)意義上架起了社會科學(xué)與自然科學(xué)的橋梁，為人類更深刻地理解自然界的各種復(fù)雜系統(tǒng)，特別是生命系統(tǒng)提供了可能。1、負(fù)熵的輸入是耗散結(jié)構(gòu)存在和發(fā)展的必要條件耗散結(jié)構(gòu)理論指出，對于開放系統(tǒng)，當(dāng)其與環(huán)境的物質(zhì)和能量交換達(dá)到一定閾值時，系統(tǒng)可以從無序的平衡態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻姆瞧胶鈶B(tài)。這種遠(yuǎn)離平衡態(tài)的有序結(jié)構(gòu)稱為“耗散結(jié)構(gòu)”[6]。具有耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可以是物理的、生物的、乃至社會的。耗散結(jié)構(gòu)的有序程度用“熵”來描述：系統(tǒng)越有序，熵越小，熱力學(xué)中習(xí)慣上稱為“負(fù)熵”越大。系統(tǒng)的有序性可以理解為組成系統(tǒng)的各部分在空間、時間和功能上的關(guān)聯(lián)程度，關(guān)聯(lián)越緊密，負(fù)熵越大。熱力學(xué)第二定律指出，對于一個與環(huán)境無能量或物質(zhì)交換的孤立系統(tǒng)，內(nèi)部的自發(fā)過程將使系統(tǒng)向完全無序的，即熵最大的平衡態(tài)演變[7]。這意味著，要維持一個系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)必須不斷地與環(huán)境交換物質(zhì)或能量。這種物質(zhì)或能量的交換，本質(zhì)是系統(tǒng)從環(huán)境中吸入負(fù)熵[8]。不難理解，要使耗散結(jié)構(gòu)從一種有序態(tài)向一種更有序的狀態(tài)演變，必須從環(huán)境中吸人更多的負(fù)熵。具有耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的例子很多。整潔的公園是一個耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：潔凈的小徑、層次分明的花草顯示了系統(tǒng)的有序性。而維持這種有序狀態(tài)，需要園林工人持久的辛勤勞動：清潔、除草、更新花木等，這些都可以看作是負(fù)熵的輸入。高校的教學(xué)管理系統(tǒng)是一種耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：領(lǐng)導(dǎo)班子、管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)施、管理制度等的不斷更新都可以看作是負(fù)熵的輸入，停止這種更新，管理系統(tǒng)會逐漸失去效用，最終瓦解，即走向無序的平衡態(tài)。2、生物體：一類高級的耗散結(jié)構(gòu)生物體具有耗散結(jié)構(gòu)的主要特征。首先，生物體是一種高度有序的系統(tǒng)。生物體的有序性體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)單元在空間分布的有序性和在功能上配合的完美性。例如，植物的根、莖和葉在空間上具有特定的分布，并且各自具有特定的功能，這些功能的有機(jī)的配合促使植物的生長和發(fā)育。動物的大腦、心臟、肝、脾和胃等器官在空間上的有序分布和功能上的相互配合產(chǎn)生了動物的特有屬性；其次，生物體這種遠(yuǎn)離平衡的有序態(tài)是不斷通過與環(huán)境交換物質(zhì)或能量來維持。植物通過吸收土壤的養(yǎng)份和二氧化碳生存；動物通過食物的輸入來維持生存。生物體一旦停止與環(huán)境這種交換，其內(nèi)部進(jìn)行的自發(fā)過程將導(dǎo)致生物體的死亡，并最終演變?yōu)橐粓F(tuán)完全無序的物質(zhì)，即生物體的平衡態(tài)，也是熵最大值的狀態(tài)；再次，生物體從環(huán)境中獲取的物質(zhì)或能量的過程實(shí)際上是一種負(fù)熵的輸入過程。生物體所需要的東西本身就是一種有序的系統(tǒng)，即負(fù)熵：陽光、養(yǎng)份、水和空氣等的有機(jī)結(jié)合成為植物需要的負(fù)熵；動物賴以生存的其他生物本身就是一種負(fù)熵。馬吃草、鳥吃昆蟲，草和昆蟲都是有序系統(tǒng)，是一種負(fù)熵。與自然界的其他耗散結(jié)構(gòu)相比，生物體是一種高級形式的耗散結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)在以下三個方面：第一，生物體的有序性所包含的復(fù)雜程度是其他非生物的耗散結(jié)構(gòu)無法比擬的。生物體的新陳代謝是如此巧妙和復(fù)雜，人類至今還不能完全理解。第二，非生物系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)只能被動地從環(huán)境中獲取負(fù)熵，但生物體卻能主動地從環(huán)境中獲取負(fù)熵，甚至能制造負(fù)熵。例如動物能主動覓食；豬籠草能主動抓蟲子作為食物；人能種植稻谷作為自己的食物。而且上，生物體能通過進(jìn)化來增強(qiáng)這種獲取負(fù)熵的能力。第三，也是生物體最神奇的地方：具有復(fù)制自身耗散結(jié)構(gòu)特征的能力。生物體通過繁殖，把自身耗散結(jié)構(gòu)的特征傳遞給下一代，保證了耗散結(jié)構(gòu)的特征在時間上的得到延續(xù)。這種能力是非生物體的耗散結(jié)構(gòu)所不具備的。事實(shí)上，人類已經(jīng)不知不覺中把生物體從環(huán)境中獲取負(fù)熵的能力作為其高級程度的一個評價指標(biāo)。地球上所有生物體中，人是最高級的耗散結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿藦沫h(huán)境中獲取負(fù)熵的能力最強(qiáng)。八、生物膜中的耗散結(jié)構(gòu)與生命過程中的負(fù)熵1、生物膜中的耗散結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)離平衡的條件下，非平衡態(tài)可以變得不穩(wěn)定，發(fā)展過程可以經(jīng)受突變，并導(dǎo)致宏觀結(jié)構(gòu)的形成和宏觀有序的增加。平衡是相對的，非平衡才是絕對的。例如生物體系只有在非平衡的條件下，通過與外界環(huán)境間的物質(zhì)和能量的交換，才得以維持其生命。為維持體系的相對穩(wěn)定，生物細(xì)胞就是不斷地通過生物膜輸入和輸出能量、交換物質(zhì)、傳輸信息，促使其發(fā)育分裂。生物膜形成的封閉囊泡結(jié)構(gòu)，對于生命基本單元細(xì)胞的形成起著至關(guān)重要的作用。在生命的早期形成過程中，只有重要的生命物質(zhì)如核酸、蛋白質(zhì)等偶然被自發(fā)閉合的脂類囊泡俘獲，才能形成細(xì)胞的雛型。也正是由于生物膜把細(xì)胞內(nèi)部與外部環(huán)境分隔開，有選擇地讓分子進(jìn)出細(xì)胞，才使細(xì)胞與周圍環(huán)境處于化學(xué)非平衡狀態(tài)，為細(xì)胞本身的生存和復(fù)制提供了動力，為生命的形成和進(jìn)化創(chuàng)造了條件。大量證據(jù)表明，當(dāng)外界環(huán)境變化時，細(xì)胞可通過調(diào)節(jié)其生物膜上的脂類構(gòu)成穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)，使其處于液晶態(tài)，維持正常功能。這里值得指出的是，穩(wěn)定態(tài)不等于平衡態(tài)。膜系統(tǒng)液晶[9,10]，（又稱“取向有序液體”或“位置無序晶體”）態(tài)是一種開放系統(tǒng)的有序穩(wěn)定態(tài)[11]，達(dá)到有序狀態(tài)是促使液晶態(tài)膜系統(tǒng)演化的條件，要達(dá)到這種穩(wěn)定態(tài)，必須打破平衡和無序。通過膜系統(tǒng)內(nèi)部分子與分子之間的相互作用，互相競爭和相互協(xié)同，膜系統(tǒng)達(dá)到新的有序狀態(tài)，形成耗散結(jié)構(gòu)。2、生命過程中的負(fù)熵從宏觀來看生命過程是一個熵增的過程，始態(tài)是生命的產(chǎn)生，終態(tài)是生命的結(jié)束，這個過程是一個自發(fā)的、單向的不可逆過程。一個系統(tǒng)由無序變?yōu)橛行虻淖匀滑F(xiàn)象稱為自組織現(xiàn)象。生命過程中的自組織現(xiàn)象：（1）蛋白質(zhì)大分子鏈由幾十種類型的成千上萬個氨基酸分子按一定的規(guī)律排列起來組成。大腦是150億個神經(jīng)細(xì)胞有規(guī)律排列組成的極精密極有序的系統(tǒng)，是一切計(jì)算機(jī)所替代不了的。如看一張相片，分辨男？女？大約年齡？對帶有輸入“器官眼睛”的大腦是很簡單的事情，對計(jì)算機(jī)來說就非常復(fù)雜了。假定蛋白質(zhì)是隨機(jī)形成的，而且每一種排列有相等的概率，那么即使每秒進(jìn)行100次排列，也要經(jīng)過10109億年才能出現(xiàn)一次特殊的排列。這種有組織的排列決不是隨機(jī)形成的。（2）衰老是生命系統(tǒng)的熵的一種長期的緩慢的增加，也就是說隨著生命的衰老，生命系統(tǒng)的混亂度增大，當(dāng)熵值達(dá)極大值時即死亡，這是一個不可抗拒的自然規(guī)律。但是，一個無序的世界是不可能產(chǎn)生生命的，有生命的世界必然是有序的。生物進(jìn)化是由單細(xì)胞向多細(xì)胞、從簡單到復(fù)雜、從低級向高級進(jìn)化，也就是說向著更為有序、更為精確的方向進(jìn)化，這是一個熵減小的方向，與孤立系統(tǒng)向熵增大的方向的演化恰好相反。但是生命體是“耗散結(jié)構(gòu)”，耗散結(jié)構(gòu)認(rèn)為一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放體系，通過與外界交換物質(zhì)和能量，在一定條件下，可能從原來的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間、空間或功能上有序的狀態(tài)，這個新的有序結(jié)構(gòu)是靠不斷耗散物質(zhì)和能量來維持的。生命體通過不斷與外界交換物質(zhì)、能量、信息和負(fù)熵，可使生命系統(tǒng)的總熵值減小，從而有序度不斷提高，生命體系才得以動態(tài)地發(fā)展。（3）熵與腫瘤熵增加原理也可以解釋腫瘤在人體內(nèi)的發(fā)生、擴(kuò)散。細(xì)胞基因癌變，造成人體正?；蚪M的異?；罨?，細(xì)胞無節(jié)制地?cái)U(kuò)增，使有序向無序轉(zhuǎn)化，加速生命的耗散，熵值異常增大，在短期內(nèi)熵值就增到極大值，人的生命便終止了?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，癌基因以原癌基因的形式存在于正常生物基因組內(nèi)，沒被激活時，不會形成腫瘤。原癌基因是一個活化能位點(diǎn)，在外界環(huán)境的誘導(dǎo)下，細(xì)胞可能發(fā)生癌變，即腫瘤的形成是非自發(fā)的。非自發(fā)的過程是一個熵減的過程，也就是說腫瘤細(xì)胞的熵小于正常細(xì)胞的熵[12]。然而腫瘤細(xì)胞是在體內(nèi)發(fā)生物質(zhì)、能量交換的，人體這個體系就相當(dāng)于腫瘤細(xì)胞的外部環(huán)境，正是由于腫瘤細(xì)胞的熵減小，導(dǎo)致了人體這個總體系熵增大。越惡性的腫瘤，熵值越小，與體系分化越明顯，使人體的熵增也相對越大，對生命的威脅越大[13]。（4）熵與抗癌藥物的研究熵增原理對人們研究抗癌藥物也有啟發(fā)。例如利用體細(xì)胞雜交法可獲得分泌抗體的雜交細(xì)胞系，當(dāng)導(dǎo)入的抗體素抑制癌細(xì)胞的惡變、削弱它的增殖時，細(xì)胞本身的混亂程度將會減小，趨向于穩(wěn)定的低熵狀態(tài)，這就相當(dāng)于給體系內(nèi)部輸送了負(fù)熵，使體系趨于有序狀態(tài)。又如DNA是許多抗腫瘤藥物的靶分子，這些藥物通過嵌入溝槽等方式與癌細(xì)胞的DNA結(jié)合，抑制腫瘤細(xì)胞的分裂增生，最終使腫瘤細(xì)胞增生停滯，或使其向正常細(xì)胞分化，或誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生程序性死亡，從而產(chǎn)生抗癌作用。阿霉素（ADM）這個抗腫瘤抗生素就是以典型的嵌入方式與DNA相互結(jié)合的，破壞DNA的模塊功能，阻止轉(zhuǎn)錄過程，在抑制DNA、RNA蛋白質(zhì)合成的同時，也改變癌基因的結(jié)構(gòu)或影響癌基因的表達(dá)。由于ADM與DNA的復(fù)合物比獨(dú)立的DNA和ADM分子更有序，因此導(dǎo)致一定程度的熵減，有序度增加[14]。（5）對正常生命過程中的熵變分析[15]0歲左右～10歲左右，這是生命成長發(fā)育的過程，負(fù)熵大于熵增，這時可以看出嬰兒出生時的熵變?yōu)樨?fù)熵且較大，促進(jìn)嬰兒快速生長（生物組織的增加，有序的擴(kuò)大）。在生命成長中熵增也在增加，并且比負(fù)熵增加的快，造成生命成長是從出生到長成過程中是逐漸變緩的，這與生命成長過程是相符合的。這個時期由于生命組織的快速正常發(fā)育，組織細(xì)胞大量增長，代表熵減的有序組織快速增加。由于生命組織的快速增加，伴隨生命活動的呼吸、新陳代謝等生理活動引發(fā)的熵增也必然增加。但總體來說，生物熵在快速下降中，熵變?yōu)樨?fù)且有一定數(shù)值，生命在快速成長中。10歲左右～20歲左右，這是生命基本長成的過程，負(fù)熵大于熵增，負(fù)熵與熵增從有一定差值，到20歲左右接近相等，熵變?yōu)樨?fù)，且逐漸接近零。到20歲左右，生命基本長成，這時負(fù)熵約等于熵增，熵變約等于零，生物熵進(jìn)入低熵狀態(tài)，生命開始進(jìn)入鞏固時期。這個時期由于生命組織的較快的正常發(fā)育，組織細(xì)胞繼續(xù)大量增長，代表熵減的有序組織較快的增加。由于生命組織的增加，伴隨生命活動而引發(fā)的熵增也繼續(xù)增加。生物熵已經(jīng)降下來了，熵變?yōu)樨?fù)，從一定數(shù)值下降到約等于零，生命在繼續(xù)成長中。20歲左右～35歲左右，這是生命的鞏固時期。負(fù)熵從約等于熵增到與熵增相等，熵變?yōu)槲⒇?fù)，熵變從約等于零到等于零，生命處在一個熵比較低的平衡狀態(tài)中。這個時期負(fù)熵和熵增都處于比較大的平衡狀態(tài)，生命的各項(xiàng)指標(biāo)也都在最佳狀態(tài)，生命處于旺盛階段，負(fù)熵流和熵增流都比較大。35歲左右～50歲左右，這是生命的衰老的預(yù)備時期。負(fù)熵從與熵增相等到約等于和小于熵增，熵變?yōu)槲⒄?，從等于零到約等于零，生命仍處在一個熵比較低的平衡狀態(tài)中。生命處于旺盛階段，負(fù)熵流和熵增流都比較大，生命體征同前一階段比較略有下降。50歲左右以后，生命開始進(jìn)入衰老時期。負(fù)熵略小于熵增，熵變?yōu)檎?，生命過程中的負(fù)熵和熵增都在減少中，但熵已經(jīng)開始緩慢增加了。這個時期由于人體各項(xiàng)功能的下降，組織再造能力下降，人體組織中自由基等垃圾成分增加，組織的有序度開始下降，負(fù)熵流下降，熵增流也下降，但熵變是增加的。隨著時間的推移生物熵漸漸增大起來，有序度也漸漸下來了?？梢?，在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的生命系統(tǒng)中，“熵”不再只是能量的耗散和浪費(fèi)，而是具有偉大的創(chuàng)生和建設(shè)性作用的。對于生命系統(tǒng)來說，它已經(jīng)演化了幾十億年了，即使對生物系統(tǒng)也演化了幾億年，已經(jīng)進(jìn)入了相對穩(wěn)定的階段，我們已經(jīng)無法看到從平衡態(tài)到有序的突變過程。但對人類社會系統(tǒng)來說才演化了幾千年，尤其重要的是，我們目前正處在一個歷史巨變的時期。九、應(yīng)用與發(fā)展隨著耗散結(jié)構(gòu)理論的應(yīng)用和發(fā)展，產(chǎn)生了復(fù)雜性科學(xué)、生物物理學(xué)、生態(tài)物理學(xué)等[16,17]邊緣科學(xué)。復(fù)雜性科學(xué)是國外在80年代提出的范疇，主要研究復(fù)雜性和復(fù)雜系統(tǒng)。它目前雖然還處于萌芽狀態(tài)，但已被有些科學(xué)家譽(yù)為“21世紀(jì)的科學(xué)”。生物物理學(xué)的創(chuàng)立則是人類用物理學(xué)知識去揭示生命之謎的一個極其重要的里程碑，它為生命科學(xué)、生物工程展現(xiàn)出一個無限美好的前景。耗散結(jié)構(gòu)理論對生態(tài)系統(tǒng)的研究提出了新的方向，利用數(shù)學(xué)和物理學(xué)的概念和方法研究生態(tài)系統(tǒng)的問題，產(chǎn)生了生態(tài)物理學(xué)。耗散結(jié)構(gòu)理論對于新材料的研究有指導(dǎo)意義。隨著材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，人們已能制備出多種多樣具有獨(dú)特性能且遠(yuǎn)離平衡態(tài)的材料、智能材料。耗散結(jié)構(gòu)理論在研究生物糖酵解振蕩過程中，發(fā)現(xiàn)這種振蕩過程可以提高能量的利用率，預(yù)示著一種新的振蕩式的化工生產(chǎn)流程的誕生。近幾年來，我國一些科學(xué)工作者對耗散結(jié)構(gòu)理論的研究和應(yīng)用已初見成效，如根據(jù)該理論建立治療動脈粥樣硬化的方案，解釋蜜蜂、白蟻的活動特征等等。耗散結(jié)構(gòu)理論的崛起，使人們看到多學(xué)科互相滲透的邊緣科學(xué)與橫跨各學(xué)科的交叉科學(xué)正如雨后春筍般涌現(xiàn)，并取得越來越顯著的地位。從人和自然的關(guān)系看，從經(jīng)濟(jì)、文化、軍事、到城市規(guī)劃、市場管理、人口控制、生產(chǎn)服務(wù)等等，耗散結(jié)構(gòu)理論都有十分誘人的應(yīng)用前景。隨著對耗散結(jié)構(gòu)理論的研究和應(yīng)用的不斷深入，耗散結(jié)構(gòu)理論也將為科學(xué)發(fā)展和社會進(jìn)步發(fā)揮更大的作用。毫無疑問，耗散結(jié)構(gòu)理論已經(jīng)把我們帶到了一個無限廣闊的思維空間，揭開了關(guān)于我們自己的身體，社會和宇宙演化的序幕。普里高津認(rèn)為這一整套理論，是理解進(jìn)化運(yùn)動的關(guān)鍵所在。我們應(yīng)自覺、合理利用自然賦予我們的能量，維持正常的熵的流動，努力建立穩(wěn)定的、可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧、共融。

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