生物中的热力学.pptx

生物中的热力学 物理与生物的绚丽碰撞 简介 热力学 热力学是研究热现象的宏观理论 它以大量分子 原子组成的物质体系为研究对象 所研究的这种体系被称为热力学系统 简称系统 与系统发生质量和能量交换的周围物质统称为环境 系统与环境的分界面称为边界 系统通过边界与环境进行质量的交换及热能和机械能或其它形式能量的传递 总之 热力学是以实验为基础 从能量及能量守恒与转化的观点来分析系统在状态变化过程中热功转换关系和条件的学科 生物热力学应用发展简史 1824年萨狄 卡诺提出了卡诺循环和卡诺定理 为全新的热力学打下了基础 同时创造了热力学第二定律的起步点19世纪卡诺 卡尔文和克劳修斯等人建立了经典热力学 但同时也发现了经典热力学仅适用于单一或自发系统的局限性20世纪20年代人们认识到生物化学领域存在大量经典热力学无法解释的问题 英国热力学家乌贝洛德正式开始了生物热力学的研究 并提出了其最初的概念 例如localentropydecrease 生物热力学应用发展简史 1931年美国生物化学家勃欧克直接根据热力学第二定律提出热力学耦合或耦合反应 coupledreactions 的概念 而不需要任何其他热力学以外的假定或模型 还写出吉布斯自由能形式的热力学耦合数学表达式1961年英国生物化学家米切尔提出了ATP 三磷酸线苷 生物合成的化学渗透学说 又称化学渗透耦合学说 注 该学说是热力学耦合在现代热力学核心中的明确定性证明 因此是现代热力学发展中的重大贡献20世纪50年代比利时化学家伊利亚普里高津提出生命是 远离平衡态 的现象 只能用非平衡热力学方法研究 俄国物理学家格拉季舍夫指出生命现象可以运用化学热力学方法进行研究 传统化学热力学向生命体系渗透 基本概念 机体利用新陈代谢产生的能量来维持正常生命 从热力学角度可定量地测量一个生物化学反应过程或生物过程中一定数量的能量所能完成的工作 因此 生物热力学可被定义为对机体的生物和化学过程中与能量相关的定量研究 重点是生物化学反应和生物过程中的热力学规律和应用 主要内容包括Gibbs自由能和热力学平衡等热力学规律以及与热力学相关的研究如机体内能量转换 蛋白质结构和结合以及物质跨膜输运等受能量控制的生物化学反应或生物过程 基本概念 经典热力学定律只适用于孤立体系 而生命体系是一个开放体系 生命过程是一个和外界环境不断进行物质与能量交换的不可逆过程 近年来不可逆过程热力学研究不断发展 热力学在生物学中的应用大大扩展 例如 经典热力学难以解释的 主动转运 过程 离子在细胞膜内外对抗浓度梯度的运动 用不可逆过程热力学就能作出较好的说明 最新的 耗散结构 理论进一步推动了这方面的进展 耗散理论认为 远离平衡态的系统 同样可以是稳定的 这种状态的维持 需要不断有物质与能量的供应 这种状态可以有一定的空间结构 在时间上有一定的运动秩序 而这些正是生命现象的重要特征 热力学理论在生命系统中的应用 能量与热力学第一定律热力学第二定律与熵熵与生命更远的扩展启示 能量与热力学第一定律 生命体宏观上满足以下方程 Q U W生命系统的能量转化分为机械转变与化学转变等 由热化学的盖斯定律可知 反应前后能量变化只与初末位置有关 因此两者可统一为一定律的基本原理 热功总量与过程途径无关 只与初末状态有关 能量与热力学第一定律 在某段较短时间内人体近似为一个封闭系统 系统热力学能在过程中的变化量 0人体活动对外做功人体与外界交换能量生命系统是连续的 所以可以用能量随时间变化的表达式表示能量转换 功率代谢率 散热率 能量热力学第一定律 举个例子 生命体的温度通常体温越高 代谢率就越高 人体体温升高3 代谢率将增加30 所以持续发烧的病人应补充水分和水果 相应的体温降低3 代谢率将降低30 所以冬眠的熊会降低体温减少消耗 生命 生命体机能最佳 能量与热力学第一定律 再举一个例子 皮肤的散热辐射 占人体皮肤散热量的60 当外界温度靠近体温 辐射散热失效 热传导 热在物体之间热的传导 导热性能 金属 水 空气 但此途径散热效果有限对流 皮肤表面空气被加热 空气密度降低而上升 冷空气密度低下降形成对流 从而带走热量蒸发 皮肤表面水分受热逸出到空气中 带走热量 相对湿度较大时 散热受抑制返回 ENTROPY 熵 热量转化为功的程度 是体系的状态函数 生命体是一个开放且高度有序的低熵系统 为维持低熵 需要不断从外界补充负熵 而这是以造成更大的负熵为代价的 热力学第二定律与熵 即为熵增定律孤立系统的熵永不自动减少 熵在可逆变化中不变 在不可逆过程中增加事物的发展都是在热力学第二定律得支配下行事的 一切自发过程都是朝着熵增加的方向 向着混沌的方向滑去 直到所限条件下熵最大 或最大混乱 为止 热力学第二定律与熵 负熵概念的提出 早期截然不同的观点 热力学第二定律 从有序到无序 达尔文进化论 从无序到有序 热力学实验表明世界发展是从有序到无序的不可逆过程 然而关于生物进化的学说则指出 物种的进化是有序的 进化程度越高越有序 人类文明的发展亦是如此 热力学第二定律与熵 1944年薛定谔在其著作 生命是什么 中明确的提出了负熵和负熵流的概念 他指出负熵不是简单取负数的熵 而是熵的变化量为负 这个负熵的变化量平息了系统的熵增从而使系统朝有序化方向发展 当系统不断从环境中获取物质和能量时 这些物质与能量为系统带来了负熵 使系统有序度的增量大于无序度的增量 新的结构和组织便由此形成 热力学第二定律与熵 物理学家薛定谔把负熵的概念带进生物学 按照熵的增加原理 演化总是朝着无序 混乱和衰退方向 那么 问题来了 为什么生物能避免死亡 靠吃 喝 呼吸 新陈代谢 一个有机体在不断地增加它的熵 在增加正熵 并接近最大熵值的危险状态 那就是死亡 要摆脱向死亡的退化 唯一的办法是从环境不断地吸取负熵 有机体赖以负熵为生 意思 有机体吸取负熵去抵消它在生活中产生的熵增加 从而自身稳定在低熵的水平 熵 举例分析 生命体诸如蛋白质分子 DNA分子等大分子物质都是高度有序 且保存有非常重要的生命信息 因此 必须要有负熵的引入才能维持这些分子的存在 保证生物的遗传和正常生存 再举个例子 当天气变凉时 假如人体无法调节以适应 就会影响负熵输入造成身体不适甚至感冒 因此我们需要通过加衣吃药来增加负熵 使机体重回原较低熵状态 健康状态 加衣不是为了保暖 而是为了维持负熵流 人生熵变全记录 人生熵变全记录 更远的扩展 伊里亚 普里戈金 1977年 由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献 他荣获了当年诺贝尔化学奖 普里戈金的早期工作在化学热力学领域 1945年得出了最小熵产生原理 此原理和昂萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础耗散结构理论是指用热力学和统计物理学的方法 研究耗散结构形成的条件 机理和规律的理论 耗散结构理论提出后 在自然科学和社会科学的很多领域如物理学 天文学 生物学 化学 经济学 哲学等都产生了巨大影响 著名未来学家阿尔文 托夫勒在评价普里戈金的思想时 认为它可能代表了一次科学革命 更远的扩展 热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负 即 0 然而外界给系统注入的熵 可为正 零或负 这要根据系统与其外界的相互作用而定 在 0的情况下 只要这个负熵流足够强 它就除了抵消掉系统内部的熵产生 外 还能使系统的总熵增量 为负 总熵S减小 从而使系统进入相对有序的状态 所以对于开放系统来说 系统可以通过自发的对称破缺从无序进入有序的耗散结构状态 更远的扩展 举例 生物是一个远离平衡态的开放系统 与外界环境进行着物质能量交换 社会同样是一个开放系统 与自然间进行着物质与能量交换 人作为动物与社会的一份子 更有优势产生耗散结构 因此人类从远古时代就比其他生物加速进化 产生了进化程度很高的低熵机体和包含法律 艺术 科学等的低熵社会 更远的扩展 耗散结构的重要形成条件是非线性机制 因此为医学提供了新的研究思路 生命的保持和发育是跟大量的化学反应和运转现象分不开的 是由许多高度非线性的复杂因素 如激活 抑制 直接的自身催化等连锁制约的 这就告诉我们 尽管研究病因要从生物 理化 心理 社会等多方面着手 认识疾病的本质要从各个层次上进行探索 但作为生命有机体的线性机制 首先存在于微观层次中 并主要通过微观层次表现出来 更远的扩展 因此 我们无论考察生理向病理转化 还是病理向生理复归的量变质变过程 都应把重点放在微观层次上 坚持微观深层导向性 这不是回到片面强调理化指标为依据 着重分析的还原论老路上去 而是要走向综合兼容辩证还原的新思维方式 中西医结合返回 启示 科学的发展不是单线的 而是多种学科相