耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同理論與蛋白質(zhì)攝入研究
http://journal.shouxi.net/html/qikan/yx/slyyxzz/20086213/cgyy/20080702084017340_395021.html
摘要
闡述耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同理論的主要思想，分析了兩論對系統(tǒng)的重大意義，并首次從營養(yǎng)學(xué)的角度，通過對蛋白質(zhì)攝入的氮平衡狀態(tài)解釋了耗散結(jié)構(gòu)的熵和負熵，以及用機體攝入蛋白質(zhì)的生理機制再現(xiàn)了協(xié)同理論，從而獲得了對科學(xué)研究的啟示。
關(guān)鍵詞
耗散結(jié)構(gòu)理論； 協(xié)同理論； 蛋白質(zhì)
一 耗散結(jié)構(gòu)理論與協(xié)同理論的提出
1969年，比利時布魯塞爾學(xué)派的領(lǐng)導(dǎo)人普利高津教授針對非平衡熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)的發(fā)展提出了一種新理論耗散結(jié)構(gòu)理論：一個遠離平衡的開放系統(tǒng)，在外界條件變化過渡到一定程度，系統(tǒng)內(nèi)部某個參量變化過渡到一個臨界值時，經(jīng)過漲落系統(tǒng)可能發(fā)生突變，即非平衡相變，那么，該系統(tǒng)將會由原來的混亂無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。其中，熵是系統(tǒng)無序性的量度：熵產(chǎn)生即熵增加，系統(tǒng)無序化；負熵流即熵減少，系統(tǒng)有序化。
兩年后，哈肯從研究激光這種典型的系統(tǒng)自組織現(xiàn)象出發(fā)，創(chuàng)立了普遍適用的系統(tǒng)從無序向有序演化的理論協(xié)同論。在協(xié)同論中，哈肯認為事物的演化受序參量的控制，演化的最終結(jié)構(gòu)和有序程度決定于序參量。
協(xié)同論同耗散結(jié)構(gòu)一樣，研究對象都是開放系統(tǒng)，其中，耗散結(jié)構(gòu)研究一個處于遠離平衡狀態(tài)的開放系統(tǒng)，如何在一定條件下從無序向有序演化的規(guī)律；而協(xié)同論在此基礎(chǔ)上更向前推進了一步，它研究一類有許多子系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)（子系統(tǒng)可以截然不同），研究這些子系統(tǒng)如何協(xié)作而形成宏觀尺度上的空間結(jié)構(gòu)、時間結(jié)構(gòu)或功能結(jié)構(gòu)，還特別研究這種有序結(jié)構(gòu)是如何通過自組織的方式形成的。
近年來這兩個系統(tǒng)科學(xué)的新的理論方法的發(fā)現(xiàn)和成就，已引起了全世界的關(guān)注，它突破了傳統(tǒng)的熱力學(xué)定律和還原論方法，已為進一步研究開放的復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展及演化，提供了有力的工具。
二 耗散結(jié)構(gòu)、協(xié)同理論對系統(tǒng)的意義
世界是物質(zhì)的，物質(zhì)世界是成系統(tǒng)的。系統(tǒng)整體是按照固有的規(guī)律在運動和發(fā)展的。當(dāng)代新的科學(xué)成果和重要的新理論都證實了這一點，并且人們在實踐中不斷獲得對這些規(guī)律的認識。
那么“耗散結(jié)構(gòu)理論”到底為我們解決了什么問題呢？
自然科學(xué)研究的對象有三個領(lǐng)域：一個是至小無內(nèi)的基本粒子領(lǐng)域；一個是至大無外的天體宇宙；一個就是我們?nèi)祟惿畹?，介乎兩者之間的物質(zhì)世界。在這個世界里，隨時隨地都在發(fā)生著十分復(fù)雜的變化。
長期以來，人類搞清了許多復(fù)雜的自然現(xiàn)象，但對人體本身的變化卻一直迷惑不解：人體從細胞到胚胎，通過不斷提取營養(yǎng)（大都是無序的小分子）變成了大分子有序的蛋白質(zhì)，這是一個從無序到有序的過程，應(yīng)用以往的定律應(yīng)該如何解釋？食物中雜亂無序的小分子物質(zhì)是怎樣構(gòu)成了耳朵、鼻子、眼睛、四肢等高度對稱的、結(jié)構(gòu)上有序的、思維有序的、功能有序的人體呢？
這一科學(xué)之謎終于被普利高津揭開了。耗散結(jié)構(gòu)理論提示，不僅一個活的人體、動物體、植物體是耗散結(jié)構(gòu)，就是一個社會系統(tǒng)，如一個城市、一個工廠也可是一種遠離平衡的耗散結(jié)構(gòu)。也就是說，遠離平衡態(tài)的非平衡系統(tǒng)可以是生物的、物理的、化學(xué)的，也可以是社會的。因此，耗散結(jié)構(gòu)理論已經(jīng)在化學(xué)、生物、激光等方面得到了廣泛的應(yīng)用，就其在自然科學(xué)和社會科學(xué)系統(tǒng)論方面的意義講，是無可估量的。
同時，客觀世界存在著各種各樣的系統(tǒng)：社會的或自然界的，有生命或無生命的，宏觀的或微觀的系統(tǒng)等等，這些看起來完全不同的系統(tǒng)，卻都具有深刻的相似性。協(xié)同論正是研究不同事物共同特征及其協(xié)同機理的新興學(xué)科。
協(xié)同論認為，千差萬別的系統(tǒng)，盡管其屬性不同，但在整個環(huán)境中，各個系統(tǒng)間存在著相互影響而又相互合作的關(guān)系。應(yīng)用協(xié)同論方法，可以把已經(jīng)取得的研究成果，類比拓寬于其他學(xué)科，為探索未知領(lǐng)域提供有效的手段，還可以用于找出影響系統(tǒng)變化的控制因素，進而發(fā)揮系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)間的協(xié)同作用。由于協(xié)同論把它的研究領(lǐng)域擴展到許多學(xué)科，并且試圖對似乎完全不同的學(xué)科之間增進相互了解和相互促進，無疑，協(xié)同論就成為軟科學(xué)研究的重要工具和方法。
因此，把產(chǎn)生于物理學(xué)的“耗散理論”應(yīng)用于其他學(xué)科的各種系統(tǒng)中，實際上就是“協(xié)同論”的運用。因為各種系統(tǒng)都在探討一個相似的問題：怎樣讓遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)獲取外界的負熵，從而和內(nèi)部子系統(tǒng)共同協(xié)同作用，以達到有序？
三 人（系統(tǒng)）的蛋白質(zhì)攝入研究與耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同理論
按照耗散結(jié)構(gòu)理論的基本內(nèi)容，復(fù)雜系統(tǒng)必須是開放系統(tǒng)，復(fù)雜系統(tǒng)要遠離平衡點，必須不斷從外環(huán)境得到物質(zhì)和能量（負熵）的補充，復(fù)雜系統(tǒng)中要有子系統(tǒng)間的非線性相互作用（包括相干性和非連續(xù)性）。因此，我們可以把人看成是一個耗散結(jié)構(gòu)，食物就是人的負熵，通過從食物中攝取的營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)的消化、吸收機制共同作用，使人保持正常的生理狀態(tài)。同時，人體這個復(fù)雜的系統(tǒng)，在消化、吸收的過程中體現(xiàn)了不同子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用。
作為一切生命活動重要的物質(zhì)基礎(chǔ)蛋白質(zhì)，其在體內(nèi)的氮平衡再現(xiàn)了人體這個耗散結(jié)構(gòu)的熵和負熵概念。
機體每天由于皮膚、毛發(fā)和粘膜的脫落，婦女月經(jīng)期的失血等，以及腸道菌體死亡排出，損失約20克以上的蛋白質(zhì)，這種氮排出是機體不可避免的氮消耗，在營養(yǎng)學(xué)上成為必要的氮損失（熵）。當(dāng)機體每天的蛋白質(zhì)攝入量（負熵流）＜必要的氮損失量（熵流）時，機體處于負氮平衡（無序），這時使人體處于嚴(yán)重的疾病狀態(tài)，如腹部水腫、虛弱、表情淡漠、生長滯緩、頭發(fā)變色、變脆和易脫落、易感染其他疾病等；當(dāng)機體每天的蛋白質(zhì)攝入量（負熵流）＞必要的氮損失量（熵流）時，機體處于正氮平衡（有序），這時從食物中攝入的蛋白質(zhì)參與人體任何組織和器官的組成，構(gòu)成體內(nèi)各種重要物質(zhì)：
酶催化體內(nèi)一切物質(zhì)的分解和合成；
激素使內(nèi)環(huán)境能夠穩(wěn)定并調(diào)節(jié)著許多的生理過程；
抗體可以抵御外來微生物及其它有害物質(zhì)的入侵；
細胞膜和血液中的蛋白質(zhì)擔(dān)負著各類物質(zhì)的運輸和交換；
體液內(nèi)那些可溶性且可離解為陰、陽離子的蛋白質(zhì)，使體液的滲透壓和酸堿度得以穩(wěn)定。
此外，血液的凝固、視覺的形成、人體的運動等，無一不與蛋白質(zhì)有關(guān)。
機體的蛋白質(zhì)氮平衡狀態(tài)體現(xiàn)了耗散結(jié)構(gòu)的熵和負熵的關(guān)系，那么機體怎樣從無序（熵＞負熵，序參量減少）走向有序（負熵＞熵，序參量增加）呢？這就需要從食物中不斷攝取蛋白質(zhì)，并通過機體內(nèi)部的多個子系統(tǒng)共同的協(xié)同作用。
首先，因唾液中無水解蛋白質(zhì)的酶，蛋白質(zhì)消化從胃開始。胃中的胃酸先使蛋白質(zhì)變性，破壞其空間結(jié)構(gòu)以利酶發(fā)揮作用。同時，胃酸可激活為蛋白酶分解蛋白質(zhì)。
然而蛋白質(zhì)消化的主要場所在小腸，由胰腺分泌的胰蛋白酶和糜蛋白酶使蛋白質(zhì)在小腸中被分解為氨基酸和部分2肽和3肽，再被小腸粘膜細胞吸收。在小腸粘膜的刷狀緣中的肽酶作用下，進入粘膜細胞中的2肽、3肽進一步分解為氨基酸單體。
被吸收的這些氨基酸通過粘膜細胞進入肝門靜脈而被運送到肝臟和其它組織或器官被利用，從而為機體的生長、繁殖、更新和修補提供了重要的原料。
四 耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同理論對科學(xué)研究的啟示
通過對蛋白質(zhì)攝入的研究，我們可以深刻理解耗散結(jié)構(gòu)理論和協(xié)同理論，同時也給了我們對于科學(xué)研究的啟示。不同學(xué)科仍然存在著相同的共性理論，因此為探索未知領(lǐng)域打開了科學(xué)研究的思路，促進了跨學(xué)科的科學(xué)研究發(fā)展。
