生命赖负熵为生(ppt文档).ppt

5.55.5生命生命“赖负熵为生赖负熵为生”5.5.15.5.1遗传密码遗传密码生物高聚物中的信息生物高聚物中的信息 按照达尔文按照达尔文(Darwin)Darwin)的进化论，生命的起源的进化论，生命的起源是从无生命物质变为有生命物质，生物是从低等是从无生命物质变为有生命物质，生物是从低等向高等进化，也就是从无序向有序自发地转化的。向高等进化，也就是从无序向有序自发地转化的。若将玻耳兹曼关系同样应用于生命过程，可若将玻耳兹曼关系同样应用于生命过程，可发现这样的自发过程中的熵是减少的，发现这样的自发过程中的熵是减少的，说明生物说明生物熵与信息熵很类似，熵与信息熵很类似，而这正是理解和解决生物遗传密码问题的一而这正是理解和解决生物遗传密码问题的一把重要的钥匙。把重要的钥匙。19431943年奥地利著名理论物理学家、量子力学年奥地利著名理论物理学家、量子力学创始人之一创始人之一薛定谔薛定谔(SchrodingerSchrodinger,),)在在生命生命是什么是什么?一书一书(见参考书见参考书7 7)中首次提出中首次提出以非周期晶体作为遗传密码的设想以非周期晶体作为遗传密码的设想.他指出：他指出：“生命的物质载体是非周期性晶体，生命的物质载体是非周期性晶体，生命的物质载体是非周期性晶体，生命的物质载体是非周期性晶体，遗传基因分子就是这种由大量原子秩序井然遗传基因分子就是这种由大量原子秩序井然遗传基因分子就是这种由大量原子秩序井然遗传基因分子就是这种由大量原子秩序井然地结合起来的非周期性晶体；这种非周期性地结合起来的非周期性晶体；这种非周期性地结合起来的非周期性晶体；这种非周期性地结合起来的非周期性晶体；这种非周期性晶体的结构，可以有无限可能的排列，不同晶体的结构，可以有无限可能的排列，不同晶体的结构，可以有无限可能的排列，不同晶体的结构，可以有无限可能的排列，不同样式的排列相当于遗传的微型密码样式的排列相当于遗传的微型密码样式的排列相当于遗传的微型密码样式的排列相当于遗传的微型密码”。次年阿弗利次年阿弗利(Avery)Avery)发现了细菌转化现象，首发现了细菌转化现象，首次证实了控制生物遗传的物质基因为脱氧核糖核次证实了控制生物遗传的物质基因为脱氧核糖核酸酸(DNA)DNA),细菌的遗传信息蕴藏在细菌的遗传信息蕴藏在 DNA DNA 的分的分子结构内。子结构内。1953 1953年美国生物学家沃森年美国生物学家沃森(WalsonWalson)和英国和英国物理学物理学 家克里克家克里克(Crick)Crick)共同发现了共同发现了 DNA DNA 的的右手双螺旋结构右手双螺旋结构.沃森和克里克共同揭示了遗传信息及其复制规沃森和克里克共同揭示了遗传信息及其复制规沃森和克里克共同揭示了遗传信息及其复制规沃森和克里克共同揭示了遗传信息及其复制规律，这是生物学特别是分子生物学的重大突破。律，这是生物学特别是分子生物学的重大突破。律，这是生物学特别是分子生物学的重大突破。律，这是生物学特别是分子生物学的重大突破。被誉为被誉为被誉为被誉为20202020世纪生命科学最伟大成就。他们于世纪生命科学最伟大成就。他们于世纪生命科学最伟大成就。他们于世纪生命科学最伟大成就。他们于1962196219621962年分获诺贝尔生理学奖与诺贝尔化学奖。年分获诺贝尔生理学奖与诺贝尔化学奖。年分获诺贝尔生理学奖与诺贝尔化学奖。年分获诺贝尔生理学奖与诺贝尔化学奖。DNA DNA 的基本结构单位是脱氧核苷酸的基本结构单位是脱氧核苷酸(简称核酸简称核酸 )，后者含有碱基、磷酸和，后者含有碱基、磷酸和 脱氧核糖。每个核酸脱氧核糖。每个核酸由四种碱基组成，由四种碱基组成，它们分别是：腺嘌呤它们分别是：腺嘌呤(A)A)、鸟鸟嘌呤嘌呤(G)G)胞嘧啶胞嘧啶(C)C)、胸腺嘧胸腺嘧啶啶(T)T)。图中双螺图中双螺 旋结构主要由两条互补旋结构主要由两条互补的核酸链由氢的核酸链由氢 键使之配对在一起，键使之配对在一起，且碱基的配对是固定的，由此构且碱基的配对是固定的，由此构成了遗传密码成了遗传密码。例如，一个分子质量为例如，一个分子质量为10106 6个碳单位的个碳单位的 DNA DNA 分子，若它由分子，若它由 4000 4000个核酸组成，因而可能有个核酸组成，因而可能有 4 440004000种不同的排列方式，则这一种不同的排列方式，则这一 DNA DNA 的的遗传密码遗传密码的信息熵为的信息熵为 我们知道，我们知道，DNA DNA 的遗传功能是它能在后代的个体的遗传功能是它能在后代的个体发育中，使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质发育中，使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质分子结构上，从而使后代表现出与亲代相似的性分子结构上，从而使后代表现出与亲代相似的性状。状。那么蛋白质分子的信息熵又是多少呢那么蛋白质分子的信息熵又是多少呢?典型的蛋典型的蛋白质分子质量为白质分子质量为 120,000 120,000 个个 碳单位，一个蛋白碳单位，一个蛋白质分子约含有质分子约含有 1000 1000 种氨基酸基，每个氨基酸基种氨基酸基，每个氨基酸基均是由均是由2020种氨基酸所组成，种氨基酸所组成，若按若按1616种氨基酸作估种氨基酸作估算，则该蛋白质分子的信息熵为算，则该蛋白质分子的信息熵为正因为正因为 DNA DNA 的双螺旋排列中的遗传密码信息量的双螺旋排列中的遗传密码信息量.8000 8000 bitbit要明显大于蛋白质分子的信息量要明显大于蛋白质分子的信息量4000 4000 bit,bit,才能保证在合成新蛋白质分子过程中，才能保证在合成新蛋白质分子过程中，DNA DNA 分子能合成相应的分子能合成相应的 RNA(RNA(核糖核酸核糖核酸)分子分子(这一这一步称为转录步称为转录).).然后机体按照然后机体按照 RNA RNA 分子这个次级分子这个次级“模板模板”合成了新合成了新蛋白质分子蛋白质分子(这一步称为翻译这一步称为翻译)，且该蛋白质分子，且该蛋白质分子保留了与亲代相似的性状。保留了与亲代相似的性状。上述按照遗传密码复制新蛋白质分子的过程可以上述按照遗传密码复制新蛋白质分子的过程可以下面的简单分子予以表达下面的简单分子予以表达上述复制过程是与计算机的拷贝相类同的。但是上述复制过程是与计算机的拷贝相类同的。但是 DNA DNA 中复制每中复制每 1 1 bitbit的能耗仅的能耗仅 100 100 kTkT，它是当代它是当代最先进的微电子元件能耗最先进的微电子元件能耗 10 108 8 kTkT的百万分之一。的百万分之一。现在可以通过人工对现在可以通过人工对 DNA DNA 进行切割和进行切割和重组，在里面引入外来基因，人为地改变重组，在里面引入外来基因，人为地改变遗传密码，形成遗传密码，形成 新转基因生物，从而使之新转基因生物，从而使之具备人们需要的性质。具备人们需要的性质。例如，就人体科学来讲，若能弄明白器例如，就人体科学来讲，若能弄明白器官是怎样按时间顺序和空间位置发育的，官是怎样按时间顺序和空间位置发育的，则某器官坏了就能克隆新的器官；则某器官坏了就能克隆新的器官；一些遗传性疾病如高血压、肥胖症可进一些遗传性疾病如高血压、肥胖症可进行基因治疗；对一些由于基因突变所导致行基因治疗；对一些由于基因突变所导致的癌症等，可进行转基因治疗。的癌症等，可进行转基因治疗。现在弄清人的全部现在弄清人的全部(约十万条约十万条)全长基因全长基因(即能找出所有碱基及其排列顺序的基因即能找出所有碱基及其排列顺序的基因 )的计划已经基本完成的计划已经基本完成.基因的研究将提供关于人类及其它生物基因的研究将提供关于人类及其它生物的的 DNA DNA 结构组成和特性的详细信息结构组成和特性的详细信息,对人对人类认识自身类认识自身,揭开生命奥秘揭开生命奥秘,奠定奠定 21 21 世纪世纪生命科学发展的基础具有重要意义。生命科学发展的基础具有重要意义。5.5.25.5.2生物中的负熵生物中的负熵(流流)既然信息等于负熵，则我们也可把负熵的既然信息等于负熵，则我们也可把负熵的概念应用到生物中。概念应用到生物中。DNADNADNADNA分子在按照亲代的遗传密码转录、翻译分子在按照亲代的遗传密码转录、翻译分子在按照亲代的遗传密码转录、翻译分子在按照亲代的遗传密码转录、翻译并复制后代的蛋白质分子时造成信息量的欠并复制后代的蛋白质分子时造成信息量的欠并复制后代的蛋白质分子时造成信息量的欠并复制后代的蛋白质分子时造成信息量的欠缺，缺，缺，缺，它造成生物体熵的减少，这就是生物中的负它造成生物体熵的减少，这就是生物中的负它造成生物体熵的减少，这就是生物中的负它造成生物体熵的减少，这就是生物中的负熵流，简称生物体的负熵。熵流，简称生物体的负熵。熵流，简称生物体的负熵。熵流，简称生物体的负熵。生物体的集富效应是生物中负熵生物体的集富效应是生物中负熵(流流)的典的典型例子。型例子。如如海带能集富海水中的碘原子海带能集富海水中的碘原子海带能集富海水中的碘原子海带能集富海水中的碘原子，若设想一个模型，海水中的碘原子若设想一个模型，海水中的碘原子 是在海水是在海水背景中的理想气体分子，则海带集富碘相当背景中的理想气体分子，则海带集富碘相当于把碘于把碘“气体气体”进行等温进行等温“压缩压缩”显然在这样的过程中碘原子系统的熵是减显然在这样的过程中碘原子系统的熵是减少的少的(也就是说碘从无序向有序转化也就是说碘从无序向有序转化)，这，这时海带至少必须向外释放时海带至少必须向外释放 T T S S 的热量。的热量。注意到理想气体等温压缩中外界要对系统作功，注意到理想气体等温压缩中外界要对系统作功，但在海带集富中但在海带集富中 外界并未作功，而是利用了一外界并未作功，而是利用了一定的信息量定的信息量(即造成信息的欠缺即造成信息的欠缺)，从而使海带的，从而使海带的熵减少。熵减少。从海带集富碘这一例子可清楚地看到，从海带集富碘这一例子可清楚地看到，生命体生命体生命体生命体是吸取了环境的负熵是吸取了环境的负熵是吸取了环境的负熵是吸取了环境的负熵(流流流流)而达到自身熵的减少的。而达到自身熵的减少的。而达到自身熵的减少的。而达到自身熵的减少的。在这里在这里“吸取环境的负熵吸取环境的负熵吸取环境的负熵吸取环境的负熵”可理解为是向外可理解为是向外可理解为是向外可理解为是向外界放热，也即形成负熵流。界放热，也即形成负熵流。界放热，也即形成负熵流。界放热，也即形成负熵流。1938 1938年天体与大气物理学家埃姆顿年天体与大气物理学家埃姆顿(EmdenEmden )在在“冬天为什么要生火冬天为什么要生火冬天为什么要生火冬天为什么要生火?”?”?”?”一文中指出一文中指出:冬季冬季在房间内生火在房间内生火只能使房间维持在只能使房间维持在较高的温度，较高的温度，生火装置供给的能量通过房间墙壁、门窗的生火装置供给的能量通过房间墙壁、门窗的缝隙散逸到室外空气中去了缝隙散逸到室外空气中去了 .与我们生火取暖一样与我们生火取暖一样,地球上的生命需要太阳地球上的生命需要太阳辐射。辐射。但生命并非靠入射能量流来维护但生命并非靠入射能量流来维护.因为入射的因为入射的能量中除微不足道的一部分外都被辐射了，能量中除微不足道的一部分外都被辐射了，如同每个人尽管不断地汲取营养，却仍然维持如同每个人尽管不断地汲取营养，却仍然维持不变的体重不变的体重.我们的生存条件是需要恒定的温度，为了维持我们的生存条件是需要恒定的温度，为了维持我们的生存条件是需要恒定的温度，为了维持我们的生存条件是需要恒定的温度，为了维持这个温度，需要的不是补充能量，而是降低熵。这个温度，需要的不是补充能量，而是降低熵。这个温度，需要的不是补充能量，而是降低熵。这个温度，需要的不是补充能量，而是降低熵。埃姆顿的这一段话道出了生命体要维持生命的关埃姆顿的这一段话道出了生命体要维持生命的关键所在键所在从环境吸取负熵从环境吸取负熵从环境吸取负熵从环境吸取负熵。以人类为例，人可数天不吃不喝，但不能停止心以人类为例，人可数天不吃不喝，但不能停止心脏跳动或停止呼吸。脏跳动或停止呼吸。为了维持心肌和呼吸肌的正常作功，要供给为了维持心肌和呼吸肌的正常作功，要供给一定的能量，这些能量最后耗散变为热量。一定的能量，这些能量最后耗散变为热量。而人体生存的必要条件是维持正常的体温，而人体生存的必要条件是维持正常的体温，所以要向外释放热量所以要向外释放热量(也即从环境吸取负熵也即从环境吸取负熵)。人。人虽然能数天不吃不喝，但不能数天包在一个绝热虽然能数天不吃不喝，但不能数天包在一个绝热套子内，既不向外散发热量，也不与外界交换物套子内，既不向外散发热量，也不与外界交换物质质(如呼吸如呼吸).).这说明了，生命是一个开放的系统，它的存这说明了，生命是一个开放的系统，它的存这说明了，生命是一个开放的系统，它的存这说明了，生命是一个开放的系统，它的存在是靠与外界交往物质和能量流来维持的，如果在是靠与外界交往物质和能量流来维持的，如果在是靠与外界交往物质和能量流来维持的，如果在是靠与外界交往物质和能量流来维持的，如果切断了它与外界联系的纽带，则无异于切断了它切断了它与外界联系的纽带，则无异于切断了它切断了它与外界联系的纽带，则无异于切断了它切断了它与外界联系的纽带，则无异于切断了它们的生命线。们的生命线。们的生命线。们的生命线。从外界吸取负熵就是一条十分重要的纽带。从外界吸取负熵就是一条十分重要的纽带。薛定谔在生命是什么一书中指出，生命的薛定谔在生命是什么一书中指出，生命的薛定谔在生命是什么一书中指出，生命的薛定谔在生命是什么一书中指出，生命的特征在于它还在运动，在新陈代谢。特征在于它还在运动，在新陈代谢。特征在于它还在运动，在新陈代谢。特征在于它还在运动，在新陈代谢。因此，生命不仅仅表现为它最终将死亡。使熵因此，生命不仅仅表现为它最终将死亡。使熵达到极大，也就是最终要从有序走向无序，达到极大，也就是最终要从有序走向无序，它要努力避免很快地衰退为惰性的平衡态，因它要努力避免很快地衰退为惰性的平衡态，因而要不断地进行新陈代谢而要不断地进行新陈代谢.薛定谔认为单纯地把新陈代谢理解为物质的薛定谔认为单纯地把新陈代谢理解为物质的薛定谔认为单纯地把新陈代谢理解为物质的薛定谔认为单纯地把新陈代谢理解为物质的交换或能量的交换是错误的。交换或能量的交换是错误的。交换或能量的交换是错误的。交换或能量的交换是错误的。实际上生物体的总质量及总能量并不因此实际上生物体的总质量及总能量并不因此而增加。而增加。他认为自然界中正在进行的每一种自发事他认为自然界中正在进行的每一种自发事他认为自然界中正在进行的每一种自发事他认为自然界中正在进行的每一种自发事件，都意味它在其中的那部分世界件，都意味它在其中的那部分世界件，都意味它在其中的那部分世界件，都意味它在其中的那部分世界(它与它周它与它周它与它周它与它周围的环境围的环境围的环境围的环境)的熵的增加的熵的增加的熵的增加的熵的增加.一个生命体要摆脱死亡。也就是说要活着，一个生命体要摆脱死亡。也就是说要活着，一个生命体要摆脱死亡。也就是说要活着，一个生命体要摆脱死亡。也就是说要活着，其唯一办法是不断地从环境中吸取负熵。其唯一办法是不断地从环境中吸取负熵。其唯一办法是不断地从环境中吸取负熵。其唯一办法是不断地从环境中吸取负熵。新陈代谢的更基本出发点，是使有机体能成功新陈代谢的更基本出发点，是使有机体能成功地消除它所产生的熵地消除它所产生的熵.(些熵是它活着时必然会产生的，因为这是些熵是它活着时必然会产生的，因为这是一个不可逆过程一个不可逆过程.).)并使自己的熵变得更小，并使自己的熵变得更小，其唯一的办法就其唯一的办法就其唯一的办法就其唯一的办法就是不断地从环境中吸取负熵。是不断地从环境中吸取负熵。是不断地从环境中吸取负熵。是不断地从环境中吸取负熵。吸取负熵的方法可有多种，除了上面提到吸取负熵的方法可有多种，除了上面提到的放热方式之外，也可从环境中不断地的放热方式之外，也可从环境中不断地“吸取吸取秩序秩序 ”。例如高等动物的食物的状态是极其有序的，例如高等动物的食物的状态是极其有序的，动物在利用这些食物后，排泄出来的是其有序动物在利用这些食物后，排泄出来的是其有序性大大降低了的东西，因而使动物的熵减少，性大大降低了的东西，因而使动物的熵减少，变得更有序，变得更有序，薛定谔把上述论点生动地以薛定谔把上述论点生动地以薛定谔把上述论点生动地以薛定谔把上述论点生动地以“生命赖负熵为生生命赖负熵为生生命赖负熵为生生命赖负熵为生”这一句名言予以概括。这一句名言予以概括。这一句名言予以概括。这一句名言予以概括。生命离不开汲取负熵，但单单汲取负熵并不生命离不开汲取负熵，但单单汲取负熵并不构成生命。构成生命。既然生命赖负熵为生，则如何去估算一个既然生命赖负熵为生，则如何去估算一个既然生命赖负熵为生，则如何去估算一个既然生命赖负熵为生，则如何去估算一个生物的熵呢生物的熵呢生物的熵呢生物的熵呢?这是高压物理的开拓者，美国物理学家布这是高压物理的开拓者，美国物理学家布里奇曼里奇曼(BridgemanBridgeman)于于19461946年就热力学定律应年就热力学定律应用于生命系统的可能性问题提出的一个问题用于生命系统的可能性问题提出的一个问题.布里渊的回答是：布里渊的回答是：生命机体的熵含量是一生命机体的熵含量是一生命机体的熵含量是一生命机体的熵含量是一个毫无意义的概念个毫无意义的概念个毫无意义的概念个毫无意义的概念.要计算一个系统的熵，就要能以可逆的方式要计算一个系统的熵，就要能以可逆的方式把它创造出来或破坏它，而这都是不可能的把它创造出来或破坏它，而这都是不可能的.因为出生和死亡都是不可逆过程。因为出生和死亡都是不可逆过程。薛定谔指出，我们不可能用物理定律去完全薛定谔指出，我们不可能用物理定律去完全薛定谔指出，我们不可能用物理定律去完全薛定谔指出，我们不可能用物理定律去完全解释生命物质，这是因为生命物质的构造同迄解释生命物质，这是因为生命物质的构造同迄解释生命物质，这是因为生命物质的构造同迄解释生命物质，这是因为生命物质的构造同迄今物理实验过程中的任何东西都不一样今物理实验过程中的任何东西都不一样今物理实验过程中的任何东西都不一样今物理实验过程中的任何东西都不一样。为此，我们必须去发现在生命物质中占支配为此，我们必须去发现在生命物质中占支配地位的新的物理学规律。地位的新的物理学规律。