生物进化机理的探讨及社会学意义

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生物进化机理的探讨及社会学意义

摘要：从熵增原理出发探讨生物进化的机理，由蛋白质的合成需要能量这一科学事实得到启示，生物进化从宏观上分析是一个消耗能量的耗散系统，从微观上看，进化的机制是分子的“超循环理论”。因此进化的过程需要时间和能量，而人类必须节约可利用的能源。

关键词：生物进化；耗散结构；超循环；可利用能源

中图分类号：Q11 文献标志码：A 文章编号：1000－8772(2009)06－0175－02 收稿日期：2009-03-05

达尔文进化论问世100多年来，其理论的影响巨大而深远，使人们重新看待自身在大自然中的地位，因此不仅具有科学上的理论意义，而且对哲学、伦理学等领域产生巨大的冲击。随着科技的发展，生态学、遗传学、生物化学特别是分子生物学的建立，一方面对达尔文的进化理论进行一定的修正。另一方面在总结前人的生物进化的理论基础上，提出了许多新的进化理论。本文从熵增理论出发，探讨生物进化的机理及其社会学意义。 一、生命的维持需要能量

物理化学的原理告诉我们，一个系统的熵总是朝着增大的方向进行，而且这个过程是不可逆的，熵是表示一个系统的混乱程度的物理量，也就是说事物总是由有序向无序变化和发展，如果不去不断地更新或维持它的话，任何事物迟早总要失去其原有的结构。我们知道水从高处往低处流，热量从高温传向低温，而不是相反。

熵增原理是自然界普遍原理之一，然而考察生命现象时，会惊讶地发现生命系统的确表现出高度的有序性。生物是从低等向高等的进化的，这一点已经被人们所认可，人类也是这其中的一部分，而且是高度有序最为复杂的生物，那么为什么生物进化是一个熵减的过程呢？

最简单的生命形式是单细胞生物，例如大肠杆菌，其DNA的组成及排列方式已经有了一定了解，如果排列是随机产生的话，那么可能有的序列有102 400 000个，说明其DNA产生的几率是1/102 400 000，很明显在这样小的几率下，出现的情况事实上是不可能的，那么生物体如何在众多的选择中保持其结构的高度稳定性和有序性，而且还在不断向前进化呢？现在知道生命是由蛋白质和DNA构成，生命物质的大部分是蛋白质，而人类的蛋白质是由20种氨基酸所组成的，用20种氨基酸构造一个蛋白质大分子的方式是无穷无尽的，但发现只有某些特定的组合才有生命意义，也就是说氨基酸必须按一定的顺序来合成才可能产生生命现象。而氨基酸合成蛋白质这一过程是由DNA来控制因此这一过程的精度是非常高的，要求的误差率很低。另外人类机体含有的蛋白质种类超过一万种，它们一方面要准确地被合成，而且同样必须被正确地放置在生命网络中，只有这样才能使这些蛋白质在各种生命过程中发挥应有的功能。

我们现在知道，蛋白质的合成是在DNA的控制下，从20种不同的氨基酸中选出所需要的，然后把它们按预定的顺序连接起来，而且蛋白质必须和数以十亿计与之同类的蛋白质的结构完全相同，也就是说各种氨基酸的结合必须尽可能少出错，即使在100个蛋白质大分子中，其中某一个蛋白质的分子中出现一个错误的氨基酸还可以承受的话，这样的精度也需要非常精细的工作。我们知道蛋白质的合成是需要酶的参加，酶是识别氨基酸的一个重要的物质，在合成蛋白质的过程中，首先是酶对氨基酸的结构进行质疑，这是第一次的选择，一个氨基酸的结构与特


有的酶的结构是相互协调的，其关系就好像锁和钥匙一样，但我们知道有些氨基酸的结构是非常相似的，如果仅仅依靠这样的识别方法，那么蛋白质的合成就会出现混乱，导致灾难性的崩溃，所以对氨基酸的检查不会就是一次。 二、生物进化体系是一个耗散结构

我们知道，生命需要消耗能量，这些能量使得生命体成为远离平衡态的结构。按照普利高津的理论，这种结构被称为耗散结构，也就是说是由消耗能量而产生的一种更高层次的有序结构。这种结构在物理中很容易被看到和演示。比如很常见的一个例子是贝纳尔热流。把水放在两个平板间，加热下面的平板，刚开始时水因受热而产生流动，传递热量。水流的形状是很不规则的，但加热到一定的温度，上下的温差达到一定的程度后，水的流动变得很有规律，形成一个很规则的波状图样，这就是一个由于消耗能量而自发生成的有序状态实例。

耗散系统的出现通常需要系统的规模超过某个临界值，这个临界值是描述反应—扩散过程的一个复杂函数。生物体本质上是一个耗散结构，在耗散结构中有三个方面是紧密联系在一起的，由反应方程所表示的功能；由不稳定性产生的时空结构；以及引起系统不稳定性的涨落，这三个方面相互作用导致了变化莫测的现象的产生，系统的涨落会使其在混乱的基础上再次达到一种新的有序。对生物的进化而言，由于生物体是远离平衡态的耗散结构，所以它通过消耗能量，用以维持其有序结构的稳定性，但体系对外界的条件有一定的依赖性，当外界条件发生变化后，一方面其自身总是尽力维持本身的有序结构。另一方面当变化超过一定的幅度，系统再无法维持原有的结构时，就会产生混沌现象，从而引起不稳定性的涨落，涨落会产生一种更新的有序和稳定，使生命在不断地向高层次进化。 三、生物进化的微观机理

艾根认为生物化学反应都是由酶催化的，几个酶常常在一起作用，产生一个“催化循环”，所谓催化循环，是指一个循环里的各个产物都可以产生下一个反应所需的催化剂，或产物本身就是下一个反应的催化剂。“超循环”就是由若干个网状的催化循环组成，每个循环必须完成两种功能，首先每个循环是自我复制，其次一个循环的产物必须支持下一个循环。 其实这个理论也解释了生物体的产生和发育，生物体在出现新的稳定结构后，在超循环的催化作用下，很快的就会在系统中处于主导地位，当然这个系统必须满足两个条件：（1）系统必须有能力保持其信息，并且可以稳定的传递下去；（2）如果系统要保持进化的能力，就不应当到达绝境，也就是说不应该处于能量的极小值，它必须是一个耗散系统。正是由于生物体这种能够进行自催化的自组织机制，生物的克隆才成为可能。 四、社会学意义

通过前面的论述已经知道，生物进化从宏观层次看，生物系统是一个耗散结构，在大量的能量维持下，处于一种有序状态，当外部出现了一些客观的因素导致系统出现了不稳定的涨落后，系统会发生混沌现象，但系统会不断地从外部吸收能量，从而会产生一个更高层次的有序状态。从微观机理看，能在混沌状态出现新的有序其原因是分子本身的自组织机制所导致的结果。进化的本质是生物体分子内部的“超循环”作用，也就是说生物进化是由生物体本身所决定的，而不是外部，环境的变化只是外部因素作用于系统，使系统出现了涨落，从而引起了进化的发生。

但也不要忘记所有这些过程都是需要能量和时间作保障的，如果能量在进化阶段能够满足生物进化的需要，那么进化就可能发生，否则，处于混沌状态的生物就会因为能源危机而最终导致其灭亡。

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