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中医与现代科学接轨并不难2

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扬州一怪 发表于 2018-11-19 10:02:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
数理中医2:生命理论篇


      物理学是描述宇宙普遍规律的学科,指出宇宙的本原是能量,即宇宙是由不同密度的能量构成的。生命是宇宙的一部分,应当服从物理原理。此外,本篇进一步指出,生命还受信息论等原理支配,并揭示出:生命=信息+能量。
一、生命的宏观含义
      研究表明,宇宙诞生于138亿年前,地球是目前宇宙中唯一发现了生命的星球。生命最早是以细菌的形式出现在太古时期(35-38亿年)。
      何为生命?事实上迄今为止也没有一个通用或标准的定义。宏观上,生命可视为一个四维时空过程,包含初始、存续及消亡三个时间阶段,并且不同的时间阶段呈现出不同的三维空间结构。中观或微观上,不同的学科领域(如生物学、生理学、生物化学等)对生命有不同的描述,这里不赘述。
      接下来我们从物理学的角度来探讨生命的本质。
二、生命的物理属性
      生命的物理定义
      生命是一类具有特定结构的物质系统,且具备维持自身结构稳定的能力。
      据此定义,物质是生命的基本属性。
      天才的物理学家爱因斯坦揭示出:物质的本质是能量。物质的质量m与能量E之间存在 E=mc^2 的关系,其中c为光速。正是由于物质与能量在物理上的这种等价性,在后文中,我们不刻意区分物质与能量这两个概念。
      也可以说,能量是生命的基本属性。
三、生命的核心要素-元能量
      物理学证实,自然界中所有的物质都满足物理熵增定律。
      所谓熵,是一个标量,用于描述某种物理量在空间中分布的均匀度。物理量的分布越均匀,其熵越大;当分布为平均分布时,熵达到最大。
      从能量的角度,物理熵增定律可表述如下。
      能量熵增定律(又称能量最大熵定律)
      任何封闭的物质系统,其能量熵必定随时间不断增加,直至趋于最大。换言之,封闭系统内部的能量分布必定趋于平均分布。
      由熵的定义可知,所谓能量最大熵,就是能量在空间中的分布处处均匀,或物质如同“一盘散沙”般地均匀分布在空间中,不再具有任何特定的结构。也就是说,对于生命而言,最大熵就意味着死亡。
      换言之,要维持生存,生命就必须避免进入到能量最大熵的状态。由算术常识可知,“阻止”能量熵的“增加”,只有靠“负熵能量”。而物理熵增定律已经指明,对于一个封闭系统而言,能量熵一定是增加的,故封闭系统是不存在“负熵能量”的。
      由此可见,生命必定不是封闭系统,而是开放系统,且可以不断地从外部获取“负熵能量”,以“阻止”能量熵的“增加”、维持生存。
从另一个角度看,能量虽是生命的基本属性,但还不是最核心的要素,“负熵能量”才是生命最核心的要素。这意味着,对于生命体而言,不同的能量存在形式,对其生存有不同的影响。因此,有必要从生命的角度对能量进行分类。
      元能量--负熵能量的等价表述
      生命体从外部提取的、能阻止内部能量熵增加的能量,称为元能量。
      散能量--零熵能量的等价表述
      生命体内既不能阻止也不能促进内部能量熵增加的能量,称为散能量。
      无用能量--正熵能量的等价表述
      生命体内导致能量熵增加的能量,称为无用能量。
      由于能量和物质的等价性,在生命体内,不同性质的能量是以不同结构的物质形式来体现的。从微观的角度看,“负熵能量”就是生命体内部缺乏的、对生命体维持自身结构稳定有用的各种物质,如蛋白质、糖类、脂类等大小分子;“正熵能量”就是对生命体有害、破坏生命体结构稳定的各种物质,如病毒分子等;“零熵能量”则是生命体内虽不能用于维持、但也不至于破坏自身结构稳定的物质,如超过人体生命所需的蛋白质、糖类、脂类等。
      由此可见,能量的属性(元能量、散能量或无用能量)是一个相对的概念,与生命的参照物有关,即一种生命体的无用能量可能是另一种生命体的元能量。很显然,一个稳定的生态系统,必定是对元能量有不同需求的生命共生系统。
我们也可以从元能量的角度等价表述生命如下。
      生命物理定义的等价表述
      生命是可从自身系统外部提取元能量的物质系统。
      基于上述分析可知,生命必定是通过如下方式实现生存的。
      生命的负熵生存
      ①消耗元能量来阻止能量熵的增加,以维持自身物质结构的稳定;
      ②吸收外部能量并从中提取出元能量,以补充消耗掉的元能量。
      事实上,关于生命的负熵生存观点,早在上世纪四十年代,著名的奥地利物理学家薛定谔(1887-1961,量子物理创始人之一,诺贝尔物理奖获得者)就已提出来了。
      对于一个生命体而言,自然界外部的能量虽无穷无尽,但元能量显然只占极少数。那么,生命如何从外部能量中提取出元能量呢?这就引出了如下生命元信息的概念。
四、生命的核心要素-元信息
      早在1871年,以创立电磁场理论而闻名于世的英国大科学家麦克斯韦(1831-1879)就研究过负熵能量的问题。麦克斯韦通过一个思想实验,提出了实现能量负熵的机制,即著名的“麦克斯韦妖”(Maxwell's demon)假说。
      我们大致描述一下麦克斯韦的思想实验。
      考虑一个封闭的气体容器。一块隔板将其分为两个温度不同的密封区域。当抽掉隔板时,依据熵增定律不难想象,原来两个温度不同的小区域会演变成一个温度均匀的大区域,即达到能量最大熵状态。如果存在“负熵”,就是可将温度均匀的大区域,又重新分隔成两个温度不同的密封区域。乍一看,这似乎是不可能完成的任务。麦克斯韦指出,只要能构造出麦克斯韦妖,就能进行上述分隔,即实现“负熵”。
      从物理热力学的角度看,气体的温度高就是气体分子的运动速度快,而温度低就是气体分子的运动速度慢。麦克斯韦设想用一扇分隔门将温度均匀的大区域分成两部分,这扇门上有“快分子”和“慢分子”两个方向相反的“定向通道”,由“麦克斯韦妖”把守。“麦克斯韦妖”的职责是:见到“快分子”就打开“快分子定向通道”;见到“慢分子”就打开“慢分子定向通道”。不难想象,久而久之,“快分子”和“慢分子”就会分别集中在两个不同的区域,从而将一个温度均匀的大区域分割成两个温度不同的小区域。从熵的角度看,就是实现了“负熵”。
      当然,由物理熵增原理可知,麦克斯韦妖必定是靠系统外部的能量来维持运行的。由上述分析可见,实现负熵有如下两个特殊要求。
      定向分隔系统。
      如上述的分隔门,实现两个相反的能量定向传输。
      2)信息感知与控制系统。
      如上述的麦克斯韦妖,实现对快分子、慢分子及分隔门的操控。
      其中,“定向分隔系统”由特殊结构的物质组成,仍属于纯物质的范畴。而“信息感知与控制系统”具有对不同物质进行分类、识别及操控的能力,不再是普通的纯物质系统,而是具有信息感知与处理能力的特殊物质系统。
      至此,我们引入了信息的概念。那么,何为信息?尽管现在人们天天都在接触、使用信息,但事实上,关于信息还没有一个统一、严格的定义。美国数学家、信息论创始人香农(1916-2001)给出了一个定义。
      信息的香农定义
      信息是用来消除随机不确定性的东西。
      美国数学家、控制论创始人维纳(1894-1964)给出了另外一个定义。
      信息的维纳定义
      信息是指生命与外部世界进行相互交换的内容,交换的目的是使生命更好地适应外部世界,并反作用于外部世界。
      正是因为拥有“信息感知与处理”能力,生命才能从外部能量中提取出元能量。生命是一个复杂的大系统,为便于分析,人们通常将生命系统按功能划分成多个不同的子系统,每个子系统又进一步划分成更小的单元。与生命系统的功能划分相适应,我们将生命生存所必须的信息也划分出元信息和散信息。
      元信息
      描述生命体中某个子功能系统状态的信息,称为元信息。
        散信息
      描述生命体功能子系统中的某个单元状态的信息,称为散信息。
      也就是说,元信息是描述生命某种宏观功能的信息,如呼吸、消化功能系统的状态信息;而散信息是描述生命某个微观单元的信息,比如细胞、氨基酸等状态信息。
五、生命的生存模型与公式
      基于上述关于生命能量与生命信息的讨论,我们可得出图2-1所示的生命生存模型。

图2-1 生命的生存模型

      对比前述“麦克斯韦思想实验”,不难看出,图2-1描述的其实就是以生命为实验对象得麦克斯韦思想实验。图中,“元信息感知与控制系统”就是“麦克斯韦妖”;“分隔系统”就是“双向分隔门”;“元能量生成系统”和“元能量储运系统”是两个不同性质的系统;而“元能量”和“散能量”则是两种不同性质的能量,就像密封容器麦克斯韦思想实验中的“快分子”和“慢分子”。  
      进入元能量储运系统的元能量将用于阻止生命体能量熵的增加。在阻止熵增的过程中,元能量的负熵能力会逐渐被消耗,直至变为散能量,再也无法阻止能量熵的增加。此时,散能量需要返回元能量生成系统进行负熵增强,才有可能聚合为元能量。

      概括地说,从物理与信息的角度看,生命的生存本质就是:生命体在元信息系统的指挥下,进行元能量的按需加工、储存及配送。
      因此,也可将生命用如下生存公式表示:
生命 = 元信息 + 元能量。

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