生命熵守恒定律

——熵理论是揭示生命的本质和规律的金钥匙

沈 律^{【1】【2】}

（1.皖南医学院，芜湖，241002；2.中国管理科学研究院，北京，100036）

摘  要：本文深入探讨生命熵守恒定律，旨在揭示其在生物学领域的核心原理、应用方式及其重要意义。通过全面梳理熵理论在热力学、信息论等多领域的起源与发展，阐述其在生物学中的独特应用，详细剖析生命熵守恒定律在解释生命现象的机制，阐明熵理论是揭示生命的本质和规律的金钥匙。熵概念最初源于物理学领域，1850 年，克劳修斯提出了热力学第二定律，在一个孤立系统中，熵总是自发地朝着增加的方向发展，这一规律深刻地揭示了自然界中众多物理过程的不可逆性。而在生命开放系统，1944年薛定谔则提出“负熵效应”，认为“生命就是吸入负熵”。而生命熵守恒定律作为熵理论在生物学中的具体应用和拓展，具有重要的理论意义和实践价值。

关键词：生命熵守恒定律；熵理论；生命本质：生命规律；金钥匙

中图分类号：Q551                文献标识码：A

Law of conservation of life entropy： Entropy theory is the golden key to reveal the nature and law of life

SHEN Lu ^{[1] [2]}

(1. Wannan Medical College, Wuhu 241002, China; 2. Chinese Academy of Management Science, Beijing 100036, China)

Abstract: This paper discusses the law of conservation of life entropy in depth, aiming to reveal its core principle, application and significance in the field of biology. By comprehensively reviewing the origin and development of entropy theory in thermodynamics, information theory and other fields, this paper expounds its unique application in biology, analyzes in detail the mechanism of life entropy conservation law in explaining life phenomena, and clarifies that entropy theory is the golden key to reveal the nature and law of life. The concept of entropy originally originated in the field of physics, in 1850, Clausius proposed the second law of thermodynamics, in an isolated system, entropy always spontaneously towards the direction of increase, this law deeply reveals the irreversibility of many physical processes in nature. In the life open system, Schrodinger proposed "negative entropy effect" in 1944, and believed that "life is the inhalation of negative entropy". As a concrete application and extension of entropy theory in biology, the law of conservation of life entropy has important theoretical significance and practical value.

Key words: life entropy conservation law; Entropy theory; The essence of life：the law of life; A golden key

1 引  言

在生物学领域，熵理论的引入为我们理解生命现象提供了全新的视角和研究思路。生命体作为一种高度复杂且有序的系统，其内部的各种生理过程和生化反应都表现出了明显的有序性和方向性。从细胞的新陈代谢到生物体的生长发育，从生物遗传信息的传递到生物种群的演化，生命现象中的各个方面都与生命熵的变化密切相关。在细胞的新陈代谢过程中，细胞通过摄取营养物质、进行物质合成和能量转换等一系列有序的生化反应，维持着自身的结构和功能的稳定性。而这些过程中都伴随着生命熵的变化，细胞需要不断地消耗能量来维持低熵状态，以保证生命活动的正常进行。生命熵守恒定律作为熵理论在生物学中的具体应用和拓展，具有重要的理论意义和实践价值。它不仅有助于我们深入理解生命过程的本质和规律，为生物学^[1]研究提供更加坚实的理论基础；还能够为解决生物医学、生物工程和生态环境保护等领域的实际问题提供新的思路和方法。在生物医学领域，对生命熵的研究可以帮助我们更好地理解疾病的发生机制和发展过程，为疾病的诊断、治疗和预防提供新的靶点和策略。在生物工程领域。对生命熵的研究有助于我们发现新的方法和手段，完成一系列生物工程任务。在生态环境保护领域，生命熵守恒定律可以帮助我们深入理解生态系统的结构和功能，以及生物与环境之间的相互作用关系，为生态系统的保护和可持续发展提供科学依据。

2生命熵守恒定律的理论基础

2.1熵在生命系统物质、能量和信息的相互转化过程中的核心地位

生命系统物质、能量和信息是互相转化的，这是物质、能量、信息的相互联系的一种表现形式。而熵在生命系统物质、能量和信息的相互转化过程中占据着核心地位。以下我们来进行详细分析：

图1 熵在生命系统物质、能量和信息相互转化过程中的核心地位示意图

早在1748年2月16日，在罗蒙诺索夫（M.V.Lomonosov，1711-1765）^[2]写给彼得堡科学院院士列.欧拉（L.Euler，1707—1783）的信中就曾经写道:“自然界所发生的一切变化，都是这样的:一种东西失去多少，另一种东西就获得多少。因此，如果某个物体增加了若干物质，另一物体必然有若干物质消失”。这就是俄国科学家罗蒙诺索夫于1756年最早发现的“物质不灭定律”。后来，法国化学家德.拉瓦锡()^[3]，又进行一步通过大量的定量试验，发现了在化学反应中，参加反应的各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和。这个规律就叫做“质量守恒定律”，也称“物质不灭定律”。它是自然界普遍存在的基本定律之一。

从物理学方面看“能量守恒定律”即热力学^[4]第一定律，是指在一个封闭（孤立）系统中总能量保持不变。其中总能量一般来说已不再只是动能与势能之和，而是静止能量（固有能量）、动能、势能三者的总量。能量守恒定律可以表述为：“一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和”。

物质与能量之间的联系，即物质转化为能量可以用爱因斯坦()^[5]质能互换公式来表达：E＝MC² 。E表示能量；M表示质量；C表示光速。该公式表明物体相对于一个参照系静止时仍然有能量，这是违反牛顿系统的，因为在牛顿系统中，静止物体是没有能量的。这就是为什么物体的质量被称为静止质量。公式中的E可以看成是物体总能量，它与物体总质量（该质量包括静止质量和运动所带来的质量）成正比，只有当物体静止时，它才与物体的（静止）质量（牛顿系统中的质量）成正比。这也表明物体的总质量和静止质量不同。反过来讲，一束光子在真空中传播，其静止质量是0，但由于它们有运动能量，因此它们也有质量。

从生物学和信息论上看，信息在生命系统中也起着至关重要的作用。例如遗传信息的传递和表达是生命活动的基础，它保证了生物的遗传稳定性和生命过程的有序性。DNA 分子中蕴含着丰富的遗传信息，通过转录和翻译过程，这些信息被转化为蛋白质的氨基酸序列，从而决定了生物体的各种结构、性状和功能。在这个过程中，遗传信息的传递和表达是高度有序的，它使得生物体能够按照一定的规律进行生长、发育和繁殖，维持自身的低熵状态。生物体还通过与外界环境的信息交流，如感官感知外界的刺激、生物之间的信号传递等，来调整自身的行为和生理状态，以适应环境的变化，这也有助于维持生命系统的熵稳定。总之，生命体也是一个物质、能量和信息相互转化的有机系统，熵在生命系统物质、能量和信息相互转化过程中起到关键性核心决定作用。

2.2 熵的基本概念与定义

如果说爱因斯坦“质能互换公式”是联系物质和能量的中介，那么“熵”就是物质、能量与信息之间相互联系、相互转化的重要桥梁。克劳修斯 ^[6]于1854年提出熵()的概念, 我国物理学家胡刚复教授于1923年根据“热温商”之意,首次把译为“熵”。爱因斯坦（曾把“熵理论”在科学中的地位概述为“熵理论对于整个科学来说是第一法则”。熵定律确立不久，麦克斯韦()^[7]就对此提出一个有名的悖论，试图证明一个隔离系统会自动由热平衡状态变为不平衡。实际上该系统通过麦克斯韦妖的工作将能量和信息输入到所谓的“隔离系统”中去了。这种系统实际是一种“自组织系统”。麦克斯韦妖是在物理学中假想的妖，能探测并控制单个分子的运动，于1871年由英国物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。当时麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他无法清晰地说明这种机制。他只能诙谐地假定一种“妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。麦克斯韦“妖”是耗散结构的一个雏形。

以“熵原理”为核心的热力学第二定律，熵最初源于热力学领域，是一个用于描述系统状态的重要物理量。1865 年，德国物理学家克劳修斯在研究热机效率和热力学过程时，首次引入了熵的概念。他将熵定义为系统在可逆过程中吸收或放出的热量与绝对温度的比值，即，其中S表示熵的微小变化量，表示可逆过程中吸收或放出的微小热量，为系统的绝对温度。这一定义从宏观角度揭示了熵与热量、温度之间的关系，为热力学第二定律的数学化表述奠定了基础。在一个孤立的热传递系统中，热量会自发地从高温物体传递到低温物体，这个过程中系统的总熵是增加的。假设高温物体的温度为T₁，低温物体的温度为T₂，当有热量从高温物体传递到低温物体时，高温物体的熵变为，低温物体的熵变为，系统的总熵变为，这表明系统的熵在热传递过程中是增加的。

熵增原理反映了自然界中宏观过程的不可逆性，即热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化；功可以全部转化为热，但热不能全部转化为功而不产生其他影响。这些现象都与熵的变化密切相关，熵增原理为我们理解自然界中的各种物理过程提供了重要的理论依据。从热力学的角度来看，熵被定义为系统在可逆过程中吸收或放出的热量与绝对温度的比值。或者定义为在热力学可逆过程中，系统从初态（T₁）经过一系列过程到达末态（T₂），其熵变（ΔS）的定义为：系统在可逆过程中吸收的微小热量与热源温度（T）的比值的积分。

其数学表达式为：

其中，表示熵，表示系统在微小可逆过程中吸收或放出的热量，熵的单位是焦耳每开尔文（J/K），它反映了系统在热量传递过程中的一种属性。为系统的绝对温度。这个公式表明，熵的变化反映了系统在热量传递过程中的能量分布情况。在一个可逆的热传递过程中，如果系统从外界吸收热量，即，那么系统的熵增加；反之，如果系统向外界放出热量，即，则系统的熵减少。热力学第二定律是熵理论的重要基石，它从宏观层面揭示了自然界中热现象的不可逆性和方向性。热力学第二定律有多种表述方式，其中最具代表性的是克劳修斯表述和开尔文表述。

克劳修斯表述指出：“热量不可能自发地从低温物体传向高温物体而不引起其他影响”。这意味着在自然状态下，热量总是倾向于从高温区域向低温区域传递，而不会自发地反向流动。在日常生活中，当我们将一杯热水和一杯冷水放在一起时，热量会自动地从热水传递到冷水中，使冷水的温度升高，热水的温度降低，最终两者达到相同的温度，而这个过程是不可逆的，不会出现热量自动从冷水传回到热水中的情况。

图2 热水（熵增无序状态）与冰块（熵减有序状态）示意图

开尔文^[8]表述则为：“不可能从单一热源吸收热量并全部转变为功而不产生其他影响”。这表明了热功转换的方向性和局限性，即从单一热源获取的热量不能完全转化为有用功，必然会有一部分热量被排放到低温热源中。在热机的工作过程中，热机从高温热源吸收热量，一部分热量用于对外做功，另一部分热量则排放到低温热源，热机的效率永远无法达到 100%，这正是开尔文表述的具体体现。

为了更深入地理解熵的概念，我们可以从微观角度进行分析。1877 年，奥地利物理学家玻尔兹曼（）^[9]提出了熵的统计力学解释，他认为系统的熵与微观状态数之间存在着密切的关系。微观状态数是指系统在宏观状态下可能出现的所有微观状态的总数，它反映了系统内部微观粒子的排列组合方式。玻尔兹曼给出了著名的玻尔兹曼熵公式：

，

其中表示熵，为1.380649 × 10²³J/K，为系统的微观状态数。这一公式将熵与微观状态数(Ω)联系起来，从微观层面揭示了熵的本质，即熵就是系统微观状态数(Ω)的对数函数，微观状态数(Ω)越多，熵值越大，系统的混乱度越高。这是统计热力学的结果。这一微观解释赋予了熵直观的物理意义，使其成为衡量系统无序程度的重要物理量，揭示了熵在微观层面与分子热运动的内在联系。假如是无序性的度量，它的倒数就可作为有序性的一个直接量度。因为1/Ω的对数正好是Ω的负对数，即负熵。

1948 年，美国数学家香农（）在信息论^[10]中引入了信息熵的概念，进一步拓展了熵的内涵。香农将信息熵用于衡量信息的不确定性或混乱程度。对于一个具有多种可能结果的随机事件，其信息熵定义为：

其中表示信息熵，是第种结果发生的概率，为可能结果的总数。信息熵H（X）越大，表明事件的不确定性越高，所包含的信息量也就越大。信息是一种被消除了的不确定性，所以信息可以看作是负熵。

负熵就是信息。这是一个很重要的认识，是人类对信息的本质认识，也是人类对生命本质认识的深化。负熵就是熵的对立状态，熵代表的是无序状态，而负熵代表的是有序状态。汲取负熵，可以简单的理解为生命体从外界吸收了物质或者能量之后，使生命系统的熵降低了，变得更加有序了，形成各种有序结构，并表现为一定的生物学功能。

2.3熵理论在生物学中的引入与发展

1944 年，奥地利物理学家薛定谔（）在其著作《生命是什么？》^[11]中提出了“人活着就是对抗熵增定律，生命以负熵为生”。 这一具有开创性和深远影响力的著名论断。他深刻地指出，生命体是一种高度有序的非平衡系统，其生存和发展的过程本质上是不断从外界环境摄取低熵物质，如食物、阳光等，同时排出高熵物质，如代谢废物，以此来维持自身低熵有序状态的过程。这一观点的提出，犹如在生物学研究领域投下了一颗重磅炸弹，彻底打破了传统生物学研究的固有思维模式，为人们理解生命现象的本质及其规律提供了一个全新的视角和思考方向。在细胞的新陈代谢过程中，细胞从外界摄取葡萄糖、氨基酸等低熵的营养物质，这些物质在细胞内经过一系列复杂的生化反应，被氧化分解产生能量，同时产生二氧化碳、水等高熵的代谢废物排出细胞外。通过这一过程，细胞得以维持自身的低熵状态，保证了生命活动的正常进行。

薛定谔的这一论断，在当时的科学界引起了广泛的关注和深入的讨论，激发了众多科学家对生命现象与熵之间关系的浓厚兴趣和深入探索。它不仅为后续的相关研究奠定了重要的理论基础，更为生命科学的发展开辟了一条崭新的道路。从分子层面来看，蛋白质、核酸等生物大分子的结构和功能与熵密切相关。蛋白质的折叠过程就是一个熵减的过程，通过形成特定的三维结构，降低了系统的熵值，从而实现其生物学功能；而在外界因素的影响下，蛋白质的分解折叠结构则会导致熵增，使其失去原有的功能。从细胞层面而言，细胞内的各种细胞器和生物膜系统通过精确的组织和分工，维持着细胞内环境的相对稳定和低熵状态。线粒体通过呼吸作用产生能量，为细胞提供维持低熵状态所需的动力；细胞膜则通过主动运输等方式，摄取低熵物质，排出高熵物质，保证细胞内物质和能量的动态平衡。

用系统科学^[12]理论与方法揭示生命现象的本质及其规律是现代生命科学发展的必然趋势。其中熵理论对生命本质及其规律的揭示更是一把金钥匙。例如比利时化学物理学家普利高津（）^[13]在麦克斯韦妖理论的基础上于 1969 年提出的耗散结构理论，是熵理论在生物学领域应用的又一重大突破和深化。该理论认为，生命系统是一种典型的远离平衡态的开放系统，它通过不断地与外界环境进行物质、能量和信息的交换，从外界引入负熵流，以抵消系统内部由于不可逆过程而产生的熵增，从而维持系统的有序性和稳定性。当系统内部的某个参量发生变化并达到一定的阈值时，系统可能会通过涨落发生突变，即产生非平衡相变，从而从原来的混沌无序状态转变为一种在时间和空间或结构和功能上的有序状态。耗散结构理论的提出，成功地解释了生命现象中复杂的自组织和有序化过程，为生命科学的研究提供了一个更为系统和全面的理论框架。它使得人们能够从整体动态的角度来理解生命系统的行为和演化，因此，进一步深化了人们对生命本质和规律的认识。所以，我们认为，生物就是一个典型的有机统一的网络系统。而生物基因组则是这个系统的核心，生物基因组的形成及其复制与表达过程不仅控制着生物演化的过程，同时也决定着生物生殖与发育的全过程。在我们看来，生物演化就是生物基因组（DNA和RNA）的形成及其变化过程^[14]。其变化必然会引发生物一系列基因突变现象的出现。生物系统各部分是相互联系、相互作用的。这种联系和作用不是简单的连接，而是具有一定组织结构和处于复杂运动的生命状态。其中包括物质的变化与流动、能量的传输与转变、信息的传递与调节。生物的新陈代谢（同化与异化）、演化与分化、遗传与变异、生殖与发育等等生命过程都伴随着物质、能量和信息的交换、处理、存储，从而导致生物结构与功能的变化和调整。同时，生物系统的结构与功能都是为了实现系统目的性而形成并发挥生物作用的。生物之间的相互竞争也是一种生命状态。是导致生物物种演化的根本动力。系统目的性是系统科学的核心概念。系统正是通过正负反馈^[15]进行调节和控制，使其一切行为都是围绕着实现系统的目的性展开。

生物系统目的性原理可以表述为：“生物演化过程就是对自然界生物基因的进行选择，这个选择是生物系统目的性自然均衡选择过程，这个过程完全是一种自然的，不是神的意志所左右的。生物系统目的性原理就是生物系统通过反馈（正负反馈）调节使系统趋向相对稳定目标值，这个目标值就是均衡点。生物为了实现自身的目的（适应、生存和发展）就必须通过反馈调节（正、负反馈），一方面保持自身体系的结构和功能的相对独立和稳定；另一方面与外界环境其它事物（物种）在竞争的过程中保持物质、能量与信息交换的动态平衡（均衡）。当吸收物质、能量和信息的时（合成反应）负熵增加，就意味着生物系统向有序化方向发展，表现为进化；反之当系统释放物质、能量和信息的时（分解反应）负熵减少，则意味着生物系统向无序化方向发展，表现为退化；从而实现生物系统的演化过程，当进化与退化过程达到一定均衡点时，就意味着新生物物种的诞生”。所以，生物的系统目的性原理决定生物的演化方向和目标，决定着新物种的形成与演化过程。也这是说，生物要想实现演化的目的，就必须通过反馈（正反馈或负反馈），一方面保持自身体系的相对独立与稳定，另一方面与外界生物物种（生物基因组）在竞争的过程中进行物质、能量和信息（基因）交换并保持动态平衡（均衡）。因此，我们把生物物种的演化看成是其生物系统目的性实现的过程。而这一切又取决于生物基因组的变化，所以生物演化的核心内容是生物基因组的演化，它决定了生物新物种形成，这是本质的方面。系统目的性原理（生命熵原理）解释了生物系统演化（进化和退化）的目标和趋向，回答了生物系统演化（进化和退化）的原因和动因。也是我们提出生物演化的自然均衡选择学说^[16]的最重要理论依据(图3所示)。这其中伴随着熵变（熵增或熵减）过程。当熵减大于熵增时，就意味着负熵增加，表现为生物进化；当熵增大于熵减时，就意味着负熵减少，表现为生物退化。因此，可以说生命熵在生物演化的过程中发挥着重要的决定性作用。

图3 系统目的性、生命熵原理与生物系统演化示意图

3 生命熵守恒定律的数学模型推导与构建

3.1生命熵守恒定律的数学模型推导

生命系统的生命熵守恒特性：A.局部与整体的关系。生命通过开放系统实现局部熵减（如生长、修复），但消耗的能量会以热量形式散逸到环境中，导致宇宙整体熵增。因此，生命系统的减熵本质是能量转移，而非熵的消失。B.生命周期的必然性。当生命无法持续获取负熵时（如衰老、疾病），内部熵增将占据主导，最终走向死亡。这符合熵增定律对封闭系统的描述。C .热力学定律的约束。热力学第一定律（能量守恒）确保生命活动的能量转换总量不变，但第二定律（熵增原理）决定了能量可用性持续降低，生命无法逃脱这一规律。依据热力学基本原理，对于一个开放的生命系统，其熵变可以从系统内部的不可逆过程以及与外界环境的物质和能量交换这两个方面来进行分析和推导。在热力学中，克劳修斯不等式给出了熵变与热量传递之间的关系，对于可逆过程，熵变等于系统从热源吸收的热量与热源温度的比值，即；而对于不可逆过程，熵变大于系统从热源吸收的热量与热源温度的比值，即 。将这两个式子统一起来，可以得到热力学第二定律的数学表达式，其中等号适用于可逆过程，不等号适用于不可逆过程。

对于一个开放的生命系统，其总熵变由两部分组成，即系统内部不可逆过程产生的熵和系统与外界交换物质、能量产生的熵流 可表示为：

其中，是由于系统内部的不可逆过程，如化学反应、物质扩散等而产生的熵，根据热力学第二定律，，它体现了系统内部自然趋向于无序的趋势。在细胞内的化学反应中，葡萄糖的氧化分解是一个不可逆过程，会产生熵增，使得细胞内的熵增加。而则是系统与外界环境进行物质和能量交换时所引起的熵流，其符号可正可负。当系统从外界吸收低熵物质或排出高熵物质时，，即引入负熵流；反之，当系统从外界吸收高熵物质或排出低熵物质时， 。绿色植物通过光合作用吸收太阳能和二氧化碳，排出氧气，这个过程中系统从外界引入了负熵流，使系统的熵减少。

从能量守恒的角度来看，生命系统与外界环境之间的能量交换满足热力学第一定律，即系统内能的变化等于系统吸收的热量与外界对系统所做的功之和，可表示为 。在生命系统中，热量的传递与熵变密切相关，根据熵的定义，可以将热量。将其代入热力学第一定律的表达式中，得到。这一公式表明了生命系统在能量转化和熵变过程中的相互关系，能量的变化会导致熵的变化，而熵的变化也会影响能量的利用效率。在生命系统中，物质的交换也会对熵变产生重要影响。当生命系统摄取外界的低熵物质，如富含能量的有机分子、纯净的水等，这些物质进入系统后会参与各种生化反应，使系统的有序性增加，熵值降低。细胞摄取葡萄糖分子，葡萄糖在细胞内经过一系列的代谢反应，被分解为二氧化碳和水，同时释放出能量，这个过程中细胞利用葡萄糖分子的低熵状态，实现了自身的生长和维持生命活动所需的能量供应，使得细胞的熵降低。相反，当生命系统排出高熵物质，如代谢废物、多余的水分等，系统的熵值会相应地增加。细胞排出二氧化碳和尿素等代谢废物，这些废物的排出使得细胞内的无序程度增加，熵值上升。

为了进一步明确物质交换与熵变的关系，可以引入化学势的概念。化学势是衡量物质在系统中转移趋势的物理量，它与物质的浓度、温度等因素有关。当物质从化学势高的区域向化学势低的区域转移时，会引起系统熵的变化。在一个包含多种物质的生命系统中，设第种物质的量为，其化学势为，则由于物质交换引起的熵变可以表示为：

其中，表示第种物质量的变化。当系统摄取物质时，；当系统排出物质时， 。这个公式表明，物质交换对熵变的影响不仅取决于物质量的变化，还与物质的化学势以及系统的温度有关。在细胞的物质跨膜运输过程中，离子通过离子通道从高浓度区域向低浓度区域扩散，这个过程中离子的化学势降低，会引起细胞内熵的变化。将能量变化和物质交换对熵变的影响综合起来，可以得到一个更全面的生命系统熵变表达式：

其中，是由于系统内部的不可逆过程，如化学反应、物质扩散等而产生的熵；表示由于能量交换引起的熵流；表示由于物质交换引起的熵流。这个表达式完整地描述了生命系统在与外界环境进行物质和能量交换过程中的熵变情况，揭示了生命熵守恒定律的数学本质。

3.2生命熵守恒定律数学模型的构建

生命熵守恒定律综合考虑了生命系统的开放性、非平衡性以及与外界环境的相互作用等因素，提出了在生命系统中，虽然存在着熵增的趋势，但通过与外界环境的物质、能量和信息的交换，生命系统可以实现熵的动态平衡，即生命熵守恒。这一定律的提出，为深入理解生命现象的本质和规律提供了新的理论框架，使我们能够从系统科学和热力学的角度对生命过程进行更加深入和全面的分析。生命熵守恒定律的核心公式为：

 ：表示生命系统与周围环境构成的总系统的熵变。即代表总熵变，在生命熵守恒的理想假设情境下，其值为 0，意味着整个与生命相关的系统及其所处环境构成的总体，熵的总量保持恒定。

表示生命系统自身的熵变，是生命系统自身的熵变。生命系统从微观的细胞活动到宏观的生物体生长、代谢等过程，会不断产生熵。比如细胞内的化学反应、物质运输等，由于过程的不可逆性会增加系统的无序度，即增加系统熵。以细胞呼吸为例，葡萄糖等有机物氧化分解，产生多种代谢产物，体系的混乱度增加， 增大。

表示周围环境的熵变。 表示生命系统周围环境的熵变。生命系统通过与外界环境进行物质和能量交换，影响环境的熵变。例如生物摄取低熵的营养物质（如有序的大分子食物），排出高熵的废物（如无序的小分子代谢产物），这个过程会使环境的熵增加，即 增大。而从能量角度，生命系统利用外界的能量流（如太阳能、化学能等），这些能量在生命系统内耗散，最终以低品质的热能形式释放回环境，也会导致环境熵增加 。

在生命熵守恒定律中，系统熵变与环境熵变数值相等、符号相反，以维持总熵变不变。从热力学和数学原理推导来看，该公式基于对生命系统与环境之间物质和能量交换过程的深入分析。以细胞呼吸过程为例，细胞在进行有氧呼吸时，葡萄糖等有机物在细胞内被氧化分解，释放出能量。这个过程中，细胞内的化学反应使得物质的分子结构变得更加无序，从而导致细胞系统的熵增加，即。同时，细胞呼吸产生的能量一部分以热能的形式散失到周围环境中，使得周围环境的分子热运动加剧，环境的熵也随之增加，即 。然而，细胞利用呼吸产生的能量进行各种生命活动，如合成 ATP、维持细胞内的离子浓度梯度等，这些活动使得细胞内的某些局部区域的有序性增加，从整体生命系统的角度来看，这又导致了生命系统熵的减少。最终使得系统熵值 与环境熵值处于动态平衡状态（守恒状态）即生命系统总熵值不变，这就是生命熵守恒定律数学模型的核心含义。需要注意的是，这一公式更多是基于对生命现象从熵的视角进行理论分析和构建，在现实复杂的生命世界中，严格的熵守恒较难完全精准实现，因为生命与环境的相互作用存在诸多难以精确量化和控制的因素。

4生命熵守恒定律的学术价值和生物学意义

4,1 生命熵守恒定律的学术价值

在传统热力学中，系统的熵变主要由热量传递和做功等因素决定，而在生命系统中，熵变不仅与这些传统因素有关，还与生命活动中的物质代谢、能量转化以及遗传信息传递等过程紧密相连。通过对生命熵的研究，我们能够从新的角度审视热力学的基本概念和原理。例如，在传统热力学中，熵被视为系统无序程度的度量，而在生命系统中，熵的含义得到了进一步的拓展。生命熵不仅包含了系统的无序程度，还反映了生命系统的组织结构、功能状态以及信息传递的准确性和完整性等等方面。这使得我们对熵的本质有了更丰富的认识，为热力学理论的发展提供了新的思路，也为生命科学理论的拓展提供新的内容和空间。生命熵守恒定律的研究还促进了热力学与其他学科的交叉融合，如生物学、化学、信息学等。这种跨学科的研究方法，有助于我们从不同的学科视角来理解和解决热力学问题，进一步完善热力学的理论体系，使其能够更好地解释和预测自然界中各种复杂的现象，其中包括生命现象以及生命与非生命系统之间的相互作用。对生命科学研究的革新提供了新的思路和视角，为揭示生命现象的本质和规律提供了新的解释和工具。

4.2 生命熵守恒定律的生物学意义

生命的起源是一个充满奥秘且备受科学界关注的重大课题，它是揭示生命的本质及其规律的重要途径和过程。而熵理论为我们理解这一复杂途径和过程提供了独特而深刻的视角。在生命起源的早期阶段，地球的原始环境为生命的诞生提供了物质基础和能量条件。原始海洋中富含各种简单的有机分子，如氨基酸、核苷酸、糖类、酯类等，这些分子是构成生命的基本单元。在太阳辐射、闪电、火山活动等外界能量的驱动下，这些简单分子之间发生了一系列复杂的化学反应，逐渐形成了更复杂的生物大分子，如蛋白质、核酸等。这一过程看似与熵增原理相悖，因为从简单分子到复杂大分子的转变意味着系统的有序性增加，熵值降低。但实际上，生命起源过程中的熵减效应是在开放系统中发生的，外界能量的输入以及与环境的物质交换是实现这一过程的关键因素。外界的能量输入为化学反应提供了动力，促使分子间的无序运动转变为有序的组合，从而降低了系统的熵增效应。同时，生命起源过程中与环境的物质交换也起到了重要作用，系统不断排出高熵的副产物，维持了自身的低熵状态。从微观层面分析，生命起源过程中的熵变与分子的微观状态密切相关。生命的起源过程是在宇宙熵增的大背景下，通过局部熵减实现的一个从无序到有序的过程。生命熵守恒定律理论为我们解释这一过程提供了重要的理论基础，使我们能够从能量、物质、信息和分子微观状态等多个层面深入理解生命起源的原理和机制。这不仅有助于我们揭示生命本质和规律的奥秘，还为探索宇宙中其他可能存在的生命形式提供了理论指导。

5结  论

本文深入探讨了生命熵守恒定律在生物学领域的基本原理、应用及其生物学意义。从基础理论来看，熵作为描述系统无序程度的物理量，从热力学领域拓展到生命科学，为理解生命现象的本质提供了全新视角。熵增定律是克劳修斯热力学第二定律的一个核心概念，它表明在一个孤立系统中，熵（系统的无序度）总是趋向于增加，除非有外部能量的输入来抵消这种增加。而薛定谔则发现生命系统作为一个开放系统，其进化过程则正好与之向反（系统则趋向有序化），这表明生命系统的进化则是吸收“负熵”过程。生命熵只是从一种状态转化为另一种状态，总熵值不变。我们把这种规律叫生命熵守恒定律。因此，生命熵守恒定律是熵增和熵减这两方面的有机统一。我们认为，生命熵守恒定律揭示了生命系统通过与外界环境进行物质、能量和信息交换，维持自身相对独立与稳定并与外界保持动态平衡的本质和规律。生命熵守恒定律将熵增原理和熵减原理有机结合起来,使得总熵量保持不变状态，它同物质不灭定律、质量守恒定律、能量守恒定律和信息量守恒定律一样是宇宙中的基本规律。因此，根据生命熵守恒定律我们可以理解：“生命就是一个负熵和正熵的对立统一过程；生命就是一个有序与无序相互均衡的过程；生命就是一个进化和退化的周期演变过程；生命就是一个有生也有死的循环往复过程；生命就是一个来自于自然回归自然的过程……”。这就是生命的本质及其物质、能量和信息相互转化的生命熵守恒定律全部含义。因此我认为：“生命起源于负熵，智慧来源于信息，生命是不灭的，只是从一种形式转化为另一种形式，在一个地方消失，又会在另一个地方产生，但生命是不灭的”。所以说：“熵理论是揭示生命的本质及其发展规律的一把金钥匙”。

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