生物系统热力学

热力学是现代物理学的理论基础之一，它是研究物理和化学客观现象的普遍的指导理论。经典的热力学以研究平衡态与封闭系统为其主要内容。但生物体与其环境有不断的物质和能量的交换，因此生物系统热力学特征是非平衡态的开放系统，是用非平衡态开放系统的热力学理论来探讨生命现象和生物过程的学科。
经典热力学中有两条主要的定律： 物质、能量守恒定律，即热力学第一定律； 孤立系统中熵单调增加的定律，即热力学第二定律。从这两条定律出发可以导出一切宏观物理和化学变化必须遵循的规律性。
从现代生物学来看，生物体在分子水平上就具有非常精密的结构和严格的运动秩序。这种奇特的现象在自然界是怎样形成的？这是现代科学中一个尚未完全解决的根本问题。一百多年来生物学家认为，这是经过亿万年的进化形成的，即逐步地由低级结构向高级结构，通过自然选择进化的结果。但实际上人们并不清楚地知道进化的物理机理。相反，经典热力学的第二定律却认为事物运动总是以平衡态为归依。任何有秩序的结构和有规律的运动随着时间的推移总是趋向秩序和规律的破坏或丧失。用热力学语言来说，即熵的增加。
近来对非平衡态热力学的研究开辟了解决上述矛盾的途径。一个系统当处于远离平衡态时，可能出现一个定态，即虽与外界不断地有能量与物质的交换，但系统的各种参量不随时间变化，保持稳定。在这种情况下一个系统的状态函数——熵变化可以写成

σ=σe+σ₁＝0

σ1是代表内部各种过程的熵产率，根据热力学第二定律应该大于零。定态时的状态函数是不随时间变化的，因此σ=0。这样，σe就必然为负值。换句话说，系统的稳定是依靠外界不断地输入“负熵”来维持的。
这种远离平衡的定态处于临界状态时，微小的扰动就可能被“放大”，从而破坏了原有的结构和运动秩序，出现新的结构和秩序。这种新的结构的熵产率可以大于，也可以小于原有结构的熵产率，这完全取决于系统的动力学特征。如果大于原有系统的熵产率，那么就需要更多的外界负熵输入来维持其定态，亦即这个结构和秩序就更为复杂，离开平衡态也就更远。
上述的这类远离平衡态开放系统中形成的结构与平衡态结构不同，而是与外界有不断的能量与物质的耗散才能维持，故称之为耗散结构。
生物的进化可以看作是： 某些远离平衡的体系，经过长期与外界的相互作用的积累而处于临界状态，由扰动引起不稳定，从而增加了耗散，出现新的结构，这是一个周而复始的过程。