动力学与生命

1、标题：分子、动力学与生命专业与班级：生物科学六班；学号:_ 12334337;姓名:赵雪泥在宇宙的形成过程中，物质的运动从未停 止。自然界物质的自发反应始终包含着这样 两个定律，随机性和不可逆性。这本书出版 的目的在于，描述无生命的物质怎样能够获 得自组织及其他的性质，而那些性质一贯认 为是属于生命的。我选择书时，考虑到化学 动力学是已经学完的内容，近期数学学习微 积分。这本书的内容需要的基本知识我已经 具备，通过学习其中的研究方法，可以促进 我更好的运用已学过的知识。本书分为三部分，评述了化学动力学、热力学与分子生物学。运用数学的语言， 热力学的定律以解释生命系统中有序性的出现。第一章物质的

2、结构，作者引导我走过原子结构发现历程，从本质上探讨化学反应 的发生。物质的结构决定它的性质，人类在物质结构的探索中逐渐深入到它的性质的 根源，通过对结构与性质之间对应关系的规律的探索，诞生了元素周期表。随着近 代物理学的发展，我们进入量子力学时代，宏观与微观实现统一。第二章化学动力 学从自然现象入手，通过宏观现象的分析让我认识化学动力学的思想， 即化学动力学 就是研究化学反应速率的科学，它还研究化学反应速率与化学反应机制之间的关系。 作者还用微积分的方法表示化学反应速率，即速率方程。通过阅读这部分内容，结 合学习过的有效碰撞理论，我了解了化学反应中反应级数，反应分子性与化学计量 数之间的区别。

3、反应级数是速率表达式浓度因子上方所写的指数，是一个完全由实 验测得的量。根据参与反应步骤的分子种类数对基本反应进行分类，即反应的分子 性。反应的分子性从有效碰撞原理角度，将一个复杂的化学反应分解成几个基本元 反应。只有在基本步骤中这三个概念才能重合在一起，一旦反应级数与化学计算方 程式出现分歧时，这个化学反应是复杂的。了解反应机理，作者继续介绍了反应过 程中量的测定，我学到一些有用的微积分分析化学反应方法。实验科学的研究，不 单纯依靠实验，还可以通过数学分析的方法简化实验过程，同样可以得出真实有效 的结果，甚至可以事结果更加严谨可靠。第三章平衡热力学，概述平衡热力学的应 用，主要介绍了热力学研

4、究对象是一个反应的状态。作者由浅入深，首先介绍一个 热力学系统的概念，平衡热力学的概念，热力学零号定律将温度概念延伸到温度计立眾魂屮岂即E車虫吐向旷故的界限之外。我随着作者的介绍思路，了解 了热力学领域研究内容。第一热力学定律即 能量守恒定律，我学习了内能的测定；第二 热力学定律，无穷慢的膨胀与无穷慢的压缩 过程叫做可逆过程，绝热可逆的反应过程中 熵恒定不变，而不可逆反应过程中熵增加， 使反应气体内能减少。平衡热力学的方法具 有一定的普遍性，基本可以满足日常的需要 如糖在细胞内被氧化成水和二氧化碳的过程，热咖啡在室内变冷的过程，但大量的 自然现象是在非平衡力的作用下从而产生的能量循环，因此需要

5、用热力学的宏观方 法推广到不可逆过程的非平衡系统。所以作者第四章介绍非平衡热力学。能与物质 的恒定的输入与输出可以把系统保持在一个恒定的非平衡状态中，唯有在非平衡系 统中才有可能看到不可逆过程。在自然状态下，各种能量流动都表现出一定得对称性 通过昂萨格倒易关系，我读出自然界的规则是可以通过数学语言来描述的。例如系 统的温度差可以产生流体内化学组分浓度的变化，即产生热扩散。一个不可逆过程 本质上是一个动力学过程，对于一个给定的系统 总熵的变化只有两种可能性,一是熵流穿过边界 二是产生内部熵。平衡系统只有在熵穿越系统边 界才能改变系统的熵，孤立系统的熵只会增加。 生物膜本身是一不连续系统，同时也是

6、各向异性 介质。生物膜对物质具有高度选择性，它可以通 过消耗ATP将离子逆浓度梯度运输。第五章演化判度自发改变，体系进入一个新的热力学状态，因此需要用热力学的稳定性理论来研 究据主要讲述了一切热力学系统都不可抗拒地向平衡态发展。在线性不可逆过程热 力学的有效范围内，定态的特征是最小熵产生的。第六章稳定性的判据，由于体系温这个新状态是暂时的还是永久的。第二部分主要介绍了一种化学研究方法， 用数学建模来分析化学现象。第七章 新化学的诞生，主要介绍了耗散结构和化学震荡两中化学概念，作者在分析它们概 念的同时引入许多生物学相关实例，如生 物体的周期性行为与空间形态有序的形 成。第八章伯洛乌索夫扎波廷斯

7、基反应陀氐1 一只比学钟泾应混合翎商胡地在无色与肃也止陶爭協”（BZ反应）中介绍了许多有趣的化学振荡 实验。如柠檬酸在酸性条件下被溴酸甲氧 化，颜色呈现淡黄色和无色振荡。（如图 8.1 ）再如在一支试管中加入BZ反应试剂， 最后加硫酸，出现一条条相继交替的水平 红带与蓝带的带纹（如图8.7 ）。作者详细 分析了 BZ反应的原理。BZ反应的精妙之处在于发生反应 的物质基本不受外界环境的影响，如光照，温度等，只 是四种简单易溶的化学物质的本身或者来自于水的对流 与化学反应之间的耦合。生命的形成是许多复杂的化学 反应构成，其中有一部分远离热力学平衡条件下发生， 可以预测许多化学反应与流体力学的现象结

8、合在一起， 创造生命。第九章新化学的一种数学研究主要介绍了BZ反映的两个数学模型，俄勒冈模型和布鲁塞尔器。由于 自己的数学功底不够深，大部分内容没有读懂。第三部分生命系统中的自组织与相干性。 生 命是节律，模式，相干，协同与变化。非平衡条 件是一切生命的普遍需要，以正反馈和负反馈形 式出现的非线性动力学实际上是生物体形成过 程的化学规律。从化学热力学和化学动力学角度 研究生命现象的本质，并利用数学模型作为工具 是本章内容的主题，也是这本书的核心理念。第十章生命的起源介绍了生物大分子的形成， 作 者提到自组织系统参与了无生命物质演化出 生命。我的理解是作者将非平衡约束条件作为 一种自然力，驱使无

9、生命物质向有生命方向组 合并形成一种自催化循环系统来完成生命活 动。作者总结分子的自组织性质立足于三个重 要概念基础上，即自催化，非平衡约束以及物 质的协同行为。第十一章细胞水平上的自组织，介绍了别构酶的S型动力学和糖酵解途径和细菌的记忆效应。研究表明，糖酵 解是一种周期振荡现象，这种生物钟是把自己自组织的一种耗散结构。作者从分子 水平分析了糖酵解的实现基础，用别构酶为对象建模研究酶催化下糖酵解的实现过 程。参与大肠杆菌分解乳糖的乳糖操纵子B-半乳糖苷酶的有道过程有一种记忆现象。不论何时，只要诱导物的浓度超过阈值，非平衡约束，反馈与非线性动力学驱 动系统进入一种协同行为，若存在自然诱导，这个有

10、道过程会表现出振荡行为。糖 酵解中代谢振荡的调节是已存在的酶活力而产生的；在B -半乳糖苷酶诱导中这个酶的活力是有催化剂脉冲式合成调节的，称为后生振荡。而这两个现象都是耗散结构， 是有那些带来均匀定态不稳定性的反馈机制所产生的。第十二章细胞通讯，本章中作报輛片悴左半犁评旳者以单细胞生物变形虫个体之间信号传递介绍多细胞的协同现象和相干性定则。作 者将盘基网柄菌的聚集过程（细胞接收到信号，以波式步伐向心移动，最后形成一 个聚集体，这个聚集体做周期性的波状收缩，直到形成子实体，进入新一轮的循环） 建模分析，最终解释清楚了这些单细胞生物分化成抱子和柄细胞的过程和这种菌一 部分生活史的发育序列。第十三章

11、生物体的发育主要谈到耗散结构的分化过程，发 育过程中遵循的时空的相干性。分析胚胎发育过程有序性的形成个体，作者提到形 态建成场的概念，即早期胚胎通过至少两种形成素在存在同一个形态建成场中，通 过形态建成梯度表达位置信息决定将来不同细胞的分化方向。可是完成这个过程涉 及复杂的胚胎调节机制，作者把这些现象纳入反映 -扩散理论框架中。第十四章多重 单位系统中的自组织将前面的关于耗散结构的理论推广到更加庞大的系统中，这些 系统由许多单位经高度非线性接触函数相互连接。例如人体的中枢神经系统。作者 简单介绍了脑的结构与工作机制，通过癫痫病发作的脑神经网络简化模型体现出兴 奋神经元构成的复杂网络相 互作用时体现出双向性和时 间周期性。可以看出，时间的 周期性是由于兴奋神经元接 受了某种超出阈值的兴奋性 输入信号而协同发放，体现神 经中枢系统这个耗散结构的 自组织性质。第三部分作者将 一切模式生物学现象简化成 开放的耗散系统，通过建立数 学模型与实验结合分析生物 学现象中的热力学动力学规律。通读全书，我对化学热力学，化学动力学的本质和研究对象有了更加深刻的见 解，不是局限于热力学三个定律