具有生命体系结构和过程要素的耗散结构理论研究

The dissipative structure theory proposed by Prigogine can explain the origin of the order of living systems to some extent. However, its universality has been severely questioned since it was developed during the study of a non-living system--a reaction-diffusion system. Nevertheless, a real living process involves more than these two processes; it involves chemical or physical processes such as chemical reaction, diffusion, phase separation, electrostatic interaction and deformation of membranes. If these processes are all included, then the above theory might have limitations. This project is aimed to develop a more comprehensive theory of dissipative structures that can better account for these processes in living systems. Dynamical simulations and thermodynamic analysis will be employed to systematically investigate five model systems such as the A/B phase separation coupling reaction system and reaction coupling deformable boundary system. We wish that a novel thermodynamic principle can be proposed to analysis the stability of the dissipative structure based on these investigations. This project might provide a much more comprehensive and different insight into the origin of the order of the living systems.

普利高津等人的耗散结构理论可用于解释生命体的有序度来源；但该理论是基于对一个非生命体系--反应扩散体系—研究的基础上提出的，因此其普适性受到了人们的质疑。然而，真实生命过程不仅包括反应和扩散，还包含了诸如相分离、静电相互作用、生物膜的形变等物理化学过程，若把此类过程都包含进来，上述理论将存在某些局限性。本项目旨在发展一个可包含上述物理化学过程的、可更好地描述生命体系、更为完善的耗散结构理论及相应的非平衡态热力学理论；本项目将从动力学模拟及热力学分析两方面，系统地研究两组份反应耦合相分离体系、边界可变化学反应体系等五个模型体系，并期望在此研究基础上提出新的耗散结构稳定性的热力学判据。此研究预计将为理解生命体有序度的来源提供更全面和更新的视角。

本项目试图从非平衡态热力学出发，研究具有生命过程要素、远离平衡态的复杂结构，以期超越线性的非平衡态热力学。我们发展了新的理论工具——新的推导非平衡态动力学的方案，提出了新的热力学分析工具——双指数流力关系；探讨了从最简单的二元反应扩散体系到更复杂三元反应扩散体系，甚至提出了适用于研究任意多元及耦合复杂物质能量交换的复合系统的理论框架；在此系列的研究中，我们着重关注生命过程中起关键作用的要素：如物质间的相互作用、光照等要素对非平衡态热力学的影响，取得了以下重要成果。.（1）提出了费曼路径积分式推导介观动力学的理论框架。得到的反应扩散方程具有高度的热力学自洽性。.（2）结合涨落定理提出了双指数流力关系，并发现大多非平衡态物理过程皆满足此双指数流力关系。.（3）系统地研究了二元反应扩散体系，发现当没有外界物质能量输入时，不存在耗散结构。并发现了复杂精妙的暂时相分离现象，首次发现极限分解(spinodal decomposition)和成核增长现象可共存于同一相分离动力学过程之中。.（4）以光子诱导的耗散结构为例，首次发现外界输入能量的密度强度可精确调控耗散结构的周期，能量强度越大其周期越小。此结论对理解自然界如何调控耗散结构尺度具有重要意义。.（5）发现物质间的不互溶性会影响经典斑图的形成，并发现其相分离过程存在化学冻结效应。.（6）发展了可描述复合非平衡态热力学系统的理论框架，在此理论框架中，可清晰地监控能量及负熵在各个子系统内部及相互之间的耗散。