化学热力学与生命科学
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摘 要： 综述了热力学中熵和自由能这两个重要状态函数在生命现象、肿瘤形成、抗癌药物研究、生物大分子结构研究、药物设计、蛋白质工程和基因优化表达等中的应用。关键词： 熵； 自由能； 生命科学
热力学是研究各种形式的能量转换规律的科学。热力学的基础是热力学第一定律和热力学第二定律，这两个定律都是人类长期实践和大量科学研究经验的总结。因为热力学研究的能量转换规律是自然界的一个基本规律，在其应用范围内具有指导意义。化学热力学是热力学原理在化学中的应用，它主要研究和解决化学变化过程中能量转化的规律、化学反应的方向和限度。人体是一个巨大的化学反应库，生命过程是建立在化学反应基础之上的一个非常复杂的体系。近半个世纪以来，生物学研究从整体开始，自上而下进入分子层次，而化学研究则自下而上地逐渐接触生物体，化学与生命科学在细胞以下、分子以上的区域相遇，在这个区域不断生长出了许多新的生长点，成为生命科学和化学的前沿领域。基于热力学原理的生命科学研究也是一个新生长点，本研究就此综述如下。
1 熵与生命科学
11 熵与生命在化学热力学中熵(S)是一个重要的函数。熵是系统混乱度的量度，系统的混乱度越大，熵值越大。熵是状态函数，熵变(ΔS)只取决于体系的始态与终态，与过程无关。在孤立系统的任何自发过程中，系统的熵总是增加的，这是热力学第二定律的一种表达，也称为熵增加原理。从宏观来看生命过程是一个熵增的过程，始态是生命的产生，终态是生命的结束，这个过程是一个自发的、单向的不可逆过程。衰老是生命系统的熵的一种长期的缓慢的增加，也就是说随着生命的衰老，生命系统的混乱度增大，当熵值达极大值时即死亡，这是一个不可抗拒的自然规律。但是，一个无序的世界是不可能产生生命的，有生命的世界必然是有序的。生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂、从低级向高级进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化，这是一个熵减的方向，与孤立系统向熵增大的方向恰好相反。但是生命体是“耗散结构”，耗散结构认为一个远离平衡态的开放体系，通过与外界交换物质和能量，在一定条件下，可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态，这个新的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的。生命体通过不断与外界交换物质、能量、信息和负熵，可使生命系统的总熵值减小,从而有序度不断提高,生命体系才得以动态地发展。
12 熵与肿瘤熵增加原理也可以解释肿瘤在人体内的发生、扩散。细胞基因癌变,造成人体正常基因组的异常活化,细胞无节制地扩增,使有序向无序转化,加速生命的耗散,熵值异常增大,在短期内熵值就增到极大值,人的生命便终止了 ......
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