神马文学网耗散结构自组织和生命的创生
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/27 18:26:13
『』耗散结构自组织和生命的创生（二）
作者：欣夫 提交日期：2004-4-12 1:01:00 访问：4530 回复：325
上帖谈了在宇宙早期物能系统是如何随宇宙膨胀而从微观粒子形成星系，成为我们可以观测的已知世界的“自组织”的。承蒙袁大侠、搅合和水穷等先生的指正，纠正了我对一些基本概念的模糊性认识，在此表示感谢！希望在本帖中继续加以及时指正。
宇宙在“热二”熵增的大背景下，因空间的膨胀和引力的作用，可以在局部区域的非平衡态条件下，产生越来越复杂的“耗散结构自组织系统”。于是非平衡热力学——“耗散结构自组织理论”由比利时化学家普里高津创立。这一理论告诉我们，大自然并非只是随熵增而不断趋向“无序”，由于宇宙空间不断膨胀导致的温差和引力在局部区域大于大爆炸所产生的斥力，微观粒子可以自发地凝聚成星系，在类似太阳系这样的星系中，也有可能形成地球这样的生态系统，产生出多姿多态的生物来。仅管这些奇妙的“有序”结构的维持和发展，还是以宇宙总体的熵增为代价的，但这并不妨碍这些自组织系统在相当漫长的时间尺度内，生生不息地演化下去。
普里高津和他的同伴通过20多年的研究，终于发现：在远离平衡态的开放系统，其中的能量和质量都可以流动，系统可自发地变无序为有序。在某些远离平衡态的化学反应中，可以看到出现规则的颜色变化或漂亮的彩色漩涡。当系统远离平衡态时，整体熵以极快速率增长，这是与“热二”相一致的。但是我们同时可以看到极其有序的结构的出现，只要物质和能量的流动能继续下去，这种结构就可以继续存在。这是因为系统是开放的，可以把系统所产生的熵输送到外界，从而使系统保持在偏离平衡的状态，同时保持系统的有序状态。
远离平衡时出现的新的状态，可以具有一种令人惊异的有序物质运动，此时无数个分子在时间上和空间中的行为能达到高度一致。普高津把这一状态的系统称为“耗散结构”，这些导致耗散结构生成的复杂而相互依赖的过程，称之为“自组织。
为了能“形象”地理解耗散结构的自组织，可以进行“培养自组织”的试验。对夹在两片玻璃间的一薄层液体加热，液体就能自发地形成六角形对流单元组成的蜂巢结构。我们总以为加热越多，液体里的分子便会跑得越快越乱，怎么会反而出现结构了呢？在加热以前，液体看上去是平静的，仅管微观层次上分子在作随机运动。一旦加热，液体在垂直方向产生一个温度差，当温度差达到某个阀值时，对流开始底下较热的液体流入上面较冷的部分。此时由于浮力、热扩散、粘滞力三者之间的耦合而产生蜂巢图案。只要把温度差保持着，热的耗散把熵从系统中输出，蜂巢结构就能维持下去。
大多数人对世界的看法，是着重个别分子的活动，这种办法对许多处于平衡态的系统是很有效的。可是它表达不出一个具有自组织介质里分子和分子之间的“信息交流”。处于平衡态的冰，水分子间彼此影响的作用范围不超过一亿分之一米，在耗散结构系统内，分子间相互影响的作用力却可增大到厘米的量级。在离平衡态足够远的场合，每个分子都有同一个时间感，都按照那个时间齐步动作，整个系统变活了——它们不再是四面乱跑的分子，它们自发地自我组织起来了。
英国的数学家杜灵想为生物学中所谓的“形态来源论”，找出一个化学基础。一个有机体是如何把一个化学浑汤整理成为一个生物结构的呢？让我们先来考虑一下胚胎的发展过程：一个哺乳动物的胚胎，本来是一个由多细胞组成的球体，这球体渐渐失去它的对称性，有些细胞发展成头，有的发展成尾巴。我们本认为生物化学反应是均匀的、不可逆的，应该保持这胚胎的对称性，那么人就是一团团球体了。杜灵证明，受精卵变成生物复杂形态所必须的对称性破坏，确实能出现，这可以用“反应—扩散”理论来解释。
1968年，普里高津和勒菲弗引用了杜灵的启发性论文，构建了一个具有空间自组织必需条件的、起化学反应的模型系统——布鲁塞尔振子，在诸如布鲁塞尔振子的化学钟的情况下，巨大的数目的分子在产生图案的过程中，似乎在互通信息。耗散结构自组织理论在许多领域爱到欢迎，生物学家开始把这一理论运用到生物起源及进化上。
以上是我对耗散结构自组织理论粗浅的理解，请各位物理和生物学专业的大牛们砸砖指正。
作者：欣夫 提交日期：2004-4-12 1:01:00 访问：4530 回复：325
上帖谈了在宇宙早期物能系统是如何随宇宙膨胀而从微观粒子形成星系，成为我们可以观测的已知世界的“自组织”的。承蒙袁大侠、搅合和水穷等先生的指正，纠正了我对一些基本概念的模糊性认识，在此表示感谢！希望在本帖中继续加以及时指正。
宇宙在“热二”熵增的大背景下，因空间的膨胀和引力的作用，可以在局部区域的非平衡态条件下，产生越来越复杂的“耗散结构自组织系统”。于是非平衡热力学——“耗散结构自组织理论”由比利时化学家普里高津创立。这一理论告诉我们，大自然并非只是随熵增而不断趋向“无序”，由于宇宙空间不断膨胀导致的温差和引力在局部区域大于大爆炸所产生的斥力，微观粒子可以自发地凝聚成星系，在类似太阳系这样的星系中，也有可能形成地球这样的生态系统，产生出多姿多态的生物来。仅管这些奇妙的“有序”结构的维持和发展，还是以宇宙总体的熵增为代价的，但这并不妨碍这些自组织系统在相当漫长的时间尺度内，生生不息地演化下去。
普里高津和他的同伴通过20多年的研究，终于发现：在远离平衡态的开放系统，其中的能量和质量都可以流动，系统可自发地变无序为有序。在某些远离平衡态的化学反应中，可以看到出现规则的颜色变化或漂亮的彩色漩涡。当系统远离平衡态时，整体熵以极快速率增长，这是与“热二”相一致的。但是我们同时可以看到极其有序的结构的出现，只要物质和能量的流动能继续下去，这种结构就可以继续存在。这是因为系统是开放的，可以把系统所产生的熵输送到外界，从而使系统保持在偏离平衡的状态，同时保持系统的有序状态。
远离平衡时出现的新的状态，可以具有一种令人惊异的有序物质运动，此时无数个分子在时间上和空间中的行为能达到高度一致。普高津把这一状态的系统称为“耗散结构”，这些导致耗散结构生成的复杂而相互依赖的过程，称之为“自组织。
为了能“形象”地理解耗散结构的自组织，可以进行“培养自组织”的试验。对夹在两片玻璃间的一薄层液体加热，液体就能自发地形成六角形对流单元组成的蜂巢结构。我们总以为加热越多，液体里的分子便会跑得越快越乱，怎么会反而出现结构了呢？在加热以前，液体看上去是平静的，仅管微观层次上分子在作随机运动。一旦加热，液体在垂直方向产生一个温度差，当温度差达到某个阀值时，对流开始底下较热的液体流入上面较冷的部分。此时由于浮力、热扩散、粘滞力三者之间的耦合而产生蜂巢图案。只要把温度差保持着，热的耗散把熵从系统中输出，蜂巢结构就能维持下去。
大多数人对世界的看法，是着重个别分子的活动，这种办法对许多处于平衡态的系统是很有效的。可是它表达不出一个具有自组织介质里分子和分子之间的“信息交流”。处于平衡态的冰，水分子间彼此影响的作用范围不超过一亿分之一米，在耗散结构系统内，分子间相互影响的作用力却可增大到厘米的量级。在离平衡态足够远的场合，每个分子都有同一个时间感，都按照那个时间齐步动作，整个系统变活了——它们不再是四面乱跑的分子，它们自发地自我组织起来了。
英国的数学家杜灵想为生物学中所谓的“形态来源论”，找出一个化学基础。一个有机体是如何把一个化学浑汤整理成为一个生物结构的呢？让我们先来考虑一下胚胎的发展过程：一个哺乳动物的胚胎，本来是一个由多细胞组成的球体，这球体渐渐失去它的对称性，有些细胞发展成头，有的发展成尾巴。我们本认为生物化学反应是均匀的、不可逆的，应该保持这胚胎的对称性，那么人就是一团团球体了。杜灵证明，受精卵变成生物复杂形态所必须的对称性破坏，确实能出现，这可以用“反应—扩散”理论来解释。
1968年，普里高津和勒菲弗引用了杜灵的启发性论文，构建了一个具有空间自组织必需条件的、起化学反应的模型系统——布鲁塞尔振子，在诸如布鲁塞尔振子的化学钟的情况下，巨大的数目的分子在产生图案的过程中，似乎在互通信息。耗散结构自组织理论在许多领域爱到欢迎，生物学家开始把这一理论运用到生物起源及进化上。
以上是我对耗散结构自组织理论粗浅的理解，请各位物理和生物学专业的大牛们砸砖指正。
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