生命以负熵为食，那负熵是如何生产的？
2024-11-19 阅读 24
负熵是指系统内部的有序性或组织性。生物体内产生负熵的过程是通过代谢活动和能量转换来维持生命活动的有序性。例如，人体通过食物摄入获得能量，将食物中的化学能转化为生物体内的能量，并利用这些能量进行代谢活动，维持生命活动的正常运转。在这个过程中，生物体会产生热量和废物，这些废物会被排出体外，从而维持生物体内部的有序性，即负熵。因此，负熵的产生是生物体通过代谢活动维持生命活动有序性的结果。
更新于 2024年11月21日
生命以负熵为食的观点是由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在1944年出版的《生命是什么？》一书中提出的。薛定谔认为，生命系统通过从环境中摄取负熵来维持自身的有序状态。负熵（或称为负熵流）实际上是有序度的增加，而熵则是无序度的增加。
熵和负熵熵是衡量系统无序度的物理量，通常用 SS 表示。在热力学中，熵的变化可以通过以下公式表示： dS=\frac{dQ}T\\dS=\frac{dQ}T\\
其中 dSdS 是熵的变化，dQdQ 是传递的热量，TT 是温度。
负熵（或称为信息熵）是指系统有序度的增加，可以用负号表示： dS_\text{neg}=-dS\\dS_\text{neg}=-dS\\
生命系统中的负熵生命系统通过从环境中摄取有序的物质和能量来减少自身的熵，从而维持有序状态。这个过程可以通过以下几个方面来理解：
1. 光合作用植物通过光合作用从太阳光中获取能量，将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。这个过程可以表示为： \text{6CO}_2+\text{6H}_2\text O+h\nu\rightarrow\text C_6\text H_{12}\text O_6+6\text O_2\\\text{6CO}_2+\text{6H}_2\text O+h\nu\rightarrow\text C_6\text H_{12}\text O_6+6\text O_2\\
其中 \text{CO}_2\text{CO}_2 是二氧化碳，\text H_2\text O\text H_2\text O 是水，h\nuh\nu 是光子能量，\text C_6\text H_{12}\text O_6\text C_6\text H_{12}\text O_6 是葡萄糖，\text O_2\text O_2 是氧气。
2. 呼吸作用动物通过呼吸作用将有机物（如葡萄糖）氧化，释放能量并排出二氧化碳和水。这个过程可以表示为： \text C_6\text H_{12}\text O_6+6\text O_2\rightarrow6\text{CO}_2+6\text H_2\text O\\\text C_6\text H_{12}\text O_6+6\text O_2\rightarrow6\text{CO}_2+6\text H_2\text O\\
3. 代谢过程代谢过程是生命系统维持有序状态的关键。通过代谢，生命系统不断地从环境中摄取有序的物质和能量，同时排出无序的废物。代谢过程可以用以下公式表示： \Delta G=\Delta H-T\Delta S\\\Delta G=\Delta H-T\Delta S\\其中 \Delta G\Delta G 是吉布斯自由能变化，\Delta H\Delta H 是焓变，TT 是温度，\Delta S\Delta S 是熵变。
负熵的生产负熵的生产主要通过以下几种方式：
1. 太阳能太阳能是地球上最主要的负熵来源。太阳通过核聚变反应释放巨大的能量，这些能量以光子的形式传播到地球。植物通过光合作用将光子能量转化为化学能，从而增加系统的有序度。
2. 化学能化学能是生命系统维持有序状态的重要能源。通过代谢过程，生命系统将有机物中的化学能转化为生命活动所需的能量，同时排出无序的废物。
3. 信息传递信息传递也是负熵生产的重要途径。生命系统通过遗传信息的传递和表达，维持和传递有序的基因组。遗传信息的传递可以用信息熵的概念来描述： H(X)=-\sum_ip(x_i)\log p(x_i)\\H(X)=-\sum_ip(x_i)\log p(x_i)\\
其中H(x)H(x) 是信息熵，p(x_i)p(x_i) 是事件 x_ix_i 发生的概率。
下面是一个Python代码示例，用于计算光合作用和呼吸作用过程中的能量变化：
import sympy as sp
# 定义符号变量
G_glucose, G_CO2, G_H2O, G_O2 = sp.symbols('G_glucose G_CO2 G_H2O G_O2')
# 光合作用的吉布斯自由能变化
delta_G_photosynthesis = 6 * G_CO2 + 6 * G_H2O - G_glucose - 6 * G_O2
