首页 -> 2008年第12期
高校生物学课程中耗散结构理论的应用
作者：张明青 刘汉湖 刘炯天
关键词 耗散结构理论 生物学教学 应用
Prigogine把那种在开放和远离平衡的条件下、与外界环境交换物质和能量的过程中通过能量耗散过程和内部的非线性动力学机制来形成和维持的宏观时空有序结构称为耗散结构。这种系统可以是物理、化学、生物等系统。根据耗散结构理论，在假设局部平衡条件下的一个微小的时间间隔dt内，开放系统熵的改变ds由两部分组成：一部分是系统内本身不可逆过程所引起的熵增加，也称为熵产生(dis)，始终为非负值；另一部分是系统与外界交换能量与物质引起的熵的变化，称为熵流(deS)，可正可负。开放系统的总熵变为熵产生与熵流之和，即ds=diS+deS。总熵变为正，说明系统有序度减小，反之，系统有序度增加。因此，要保持系统的有序性，要求输入系统的熵流必须为负值且绝对值要大于系统的熵产生。
对于具备了一定数学基础的高校理工科学生，可以较容易地理解耗散结构理论中的数学推理部分，所以能更好地把握和应用该理论，还可以站在系统的高度加深对生物学的理解。
在生物学课程所涉及的对象中，小到细胞、组织，大到生物个体、生态系统，都具有显著的耗散结构特征。但在众多的生物学课本中，生物系统的耗散结构特征几乎都是一语带过，因此，本文分两个层次对生物系统耗散结构特征进行描述。
(一)细胞及生物个体的耗散结构特征
细胞作为生物体的基本组成单位，在结构上表现为众多细胞器、细胞核及细胞质在细胞膜包裹下形成的一个独立于环境的系统。该系统作为一个开放体系，与环境间不断进行着物质和能量交换，如图1所示。细胞内分子的热运动为系统的熵产生，外界物质通过半透性细胞膜进入细胞中的有害物质，如病毒、重金属离子等为正熵流，进入细胞的物质中，细胞维持生命活动所需要的营养物质为负熵流。输入细胞内的总负熵流大于总正熵流，细胞处于稳定的有序状态，也即有机体在内部和外部进行相互作用时，系统中的温度、压力、浓度、密度以及粒子相互作用都能够维持细胞生长所需动力的一种状态。
对于多细胞生物个体来说，主要是指生物体从外界所吸收的能量与生物体新陈代谢之间的完美协调，使之从外界所吸收的能量能够成为生物体生长、发育所必须的能量。与之相反，在生物体与外界进行能量交换的过程中，由于新陈代谢不能与生物体从外界所吸收的能量完美协调，生物体的某些器官不能正常工作，此时生物体所处的状态则为无序状态。以人体为例，当人患病的时候，输入人体内的各种无序的物质在机体中堆积起来，肌体的新陈代谢能力减弱，不能将它们分解消除掉。随着时间的推移，这种状态若得不到很好地改善，无序物的堆积就会越来越多，生命就会越来越弱，并趋向死亡。当人体处于正常状态即稳定状态时，其特征是自身的熵增正好被流放到外界中去的熵所补偿，此时肌体的许多组织就可以维持在一个稳定的状态上。
(二)生态系统的耗散结构特征
生态系统中的熵反映为物种多样性。多样性越高，不确定性越大，熵也就越大。生态系统中的种群之间、同一种群内部的个体之间、甚至生物与环境之间都可以表达和传递熵。熵传递在生态系统中起重要作用，通过多种方式的传递把生态系统的各组分联系成一个整体，具有调节系统稳定性的功能。生态系统能否朝有序化方向发展，能否向更高一级的有序时空结构进化，完全取决于负熵流与熵产生竞争的结果。大量事实证明：只有在合成生存所必需(它意味着耗散的增加)的关键性物质之后，生物才能调节其熵产生值，并达到临界条件允许的最低值。因为低的耗散速率符合生物的选择优势，即适者生存的概念。
生物群落作为一个开放系统，其进化的三个必备条件是：繁殖、通过竞争的选择以及通过“突变”的变异。典型的耗散结构体系必须满足两个条件：远离平衡的开放体系，存在系统涨落导致有序。生物体内进行着复杂的生物化学反应及扩散、热传导等不可逆过程。生物系统内的物质粒子在不断与外界作用中，生命同自身产生的混乱相抗争，使之生长、发育、繁殖，并具有自我更新的能力，从热力学角度看是使生物系统远离平衡的不可逆过程；生态系统的涨落可以理解为生物体的变异。如果环境条件适宜，个体的变异被放大，从而形成物种进化。如果环境条件不适宜，则表现为这种涨落尚未达到破坏该种群的临界条件，出现涨落回归现象，因而某些物种将被保存。
以生物资源系统为例，它是生态系统的核心，各生物间及其与环境之间经常进行着能量和物质的交换，且彼此间相互作用、相互制约而成为一个具有自我调节机制的自稳有序系统。所以，不管从生物个体水平，还是从全部生物整体系统的水平来看，它都是具有耗散结梅特征的、开放的非平衡热力学系统，符合热力学第二定律。生物资源系统熵值也由两部分决定，一部分是生物的生命系统本身由于不可逆过程引起的熵增加，如生物一直存在的呼吸作用。对于活的生命体来说diS>O。另一部分是各生物体与外界交换物质和能量引起的熵流deS，即生物体维持不可逆过程要求环境所供应的负熵流。二者之和为生物资源系统总熵ds。当dS
(三)结论
耗散结构结构理论能够很好地从系统角度解释生物学中各个层次的发展。鉴于高校理工科学生具备一定的数学基础，因此，在授课过程中利用耗散结构理论来解释众多的生物学现象，具有较高的准确性、普适性和简捷性。