本發(fā)明涉及一種通過熵變分析生物進化規(guī)律的方法，具體的涉及一種通過引入生物分子有效體積和自由體積的概念、基于熵變函數(shù)的定義、生物材料有效熵變和自由熵變的計算、分析生物進化規(guī)律的方法。

背景技術(shù)：

1850年，德國物理學家魯?shù)婪颉た藙谛匏故状翁岢鲮氐母拍睿脕肀硎救魏我环N能量在空間中分布的均勻程度，能量分布得越均勻，熵就越大。一個體系的能量完全均勻分布時，這個系統(tǒng)的熵就達到最大值。在克勞修斯看來，在一個系統(tǒng)中，如果聽任它自然發(fā)展，那么，能量差總是傾向于消除的。讓一個熱物體同一個冷物體相接觸，熱量總會自發(fā)的從熱物體向冷物體流動，熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個物體達到相同的溫度為止。克勞修斯在研究卡諾熱機時，根據(jù)卡諾定理得出了對任意可逆循環(huán)過程都都適用的一個公式：dS = dQ/T。

1877年，奧地利物理學家玻爾茲曼在研究微觀粒子運動統(tǒng)計現(xiàn)象的基礎上采用統(tǒng)計學方法建立了熵函數(shù)：S=klnΩ，其中，Ω為系統(tǒng)微觀粒子的微觀狀態(tài)數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)。這個公式反映了熵函數(shù)的統(tǒng)計學意義，它將系統(tǒng)的宏觀物理量S與微觀物理量Ω聯(lián)系起來，成為聯(lián)系宏觀與微觀的重要橋梁之一?；谏鲜鲮嘏c熱力學概率之間的關(guān)系，可以得出結(jié)論：系統(tǒng)的熵值直接反映了它所處狀態(tài)的均勻程度，系統(tǒng)的熵值越小，它所處的狀態(tài)越是有序，越不均勻；系統(tǒng)的熵值越大，它所處的狀態(tài)越是無序，越均勻。系統(tǒng)總是力圖自發(fā)地從熵值較小的狀態(tài)向熵值較大（即從有序走向無序）的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這就是隔離系統(tǒng)“熵增加原理”的微觀物理意義。

1906年，德國物理學家、物理化學家瓦爾特·能斯特提出了熱力學第三定律：在0K時任何完整晶體中的原子或微觀粒子只有一種排列方式，即只有唯一的微觀狀態(tài)，其熵值為零。從熵值為零的狀態(tài)出發(fā)，使體系變化到P=1.013×10⁵Pa和某溫度T，如果知道這一過程中的熱力學數(shù)據(jù)，原則上可以求出過程的熵變值，它就是體系的絕對熵值。于是人們求得了各種物質(zhì)在標準狀態(tài)下的摩爾絕對熵值，簡稱標準熵，單位為kJ/mol。

在熱力學中，熵是表征物質(zhì)狀態(tài)的參量之一，通常用符號S表示。對于可逆過程，熵增定義為dS = dQ/T，若過程是不可逆的，則dS > dQ/T，式中T為物質(zhì)的熱力學溫度，dQ為熵增過程中物質(zhì)吸收的熱量。從微觀上說，熵是組成系統(tǒng)的大量微觀粒子無序度的量度，系統(tǒng)越無序、越混亂，熵就越大。熱力學過程不可逆性的微觀本質(zhì)和統(tǒng)計意義就是系統(tǒng)從有序趨于無序，從概率較小的狀態(tài)趨于概率較大的狀態(tài)。

生物進化是指生物在變異、遺傳與自然選擇作用下的演變發(fā)展及物種淘汰和物種產(chǎn)生過程。地球上原來無生命，大約在30多億年前，在一定的條件下，形成了原始生命，其后，生物不斷的進化，直至今天世界上存在著170多萬個物種。生物進化論的建立歷經(jīng)了一個充滿爭論但又不斷發(fā)展的歷史進程，基于比較解剖學、古生物學和胚胎發(fā)育重演律這三大經(jīng)典證據(jù)，查爾斯·羅伯特·達爾文于1859年11月24日出版了《物種起源》，最早提出了生物進化論并論證了兩個基本科學問題：第一，物種是可變的，生物是進化的；第二，自然選擇是生物進化的動力。1865年孟德爾發(fā)現(xiàn)了基因的分離定律和獨立分配定律，提出了生物遺傳并不融合，遺傳是以基因為單位分離地傳遞，隨機地組合。1930年費歇發(fā)表了《自然選擇的遺傳理論》，1931年萊特發(fā)表了《孟德爾群體中的進化》，1932年荷爾登發(fā)表了《進化的動力》，這三本經(jīng)典著作構(gòu)成了現(xiàn)代進化論的理論基礎。他們從理論上證明了，達爾文的進化論和孟德爾遺傳理論不僅不互相沖突而且相輔相成。1942年朱利安·赫胥黎發(fā)表了《進化：現(xiàn)代綜合》一書，綜合了現(xiàn)代進化論在各個領域的研究成果，并被稱為“現(xiàn)代綜合學說”。1944年艾菲力證明了DNA是遺傳物質(zhì)，1953年華森和克里克提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，生物學從此進入了分子時代。分子生物學的研究和發(fā)展一方面為生物進化補充了重要的新證據(jù)，另一方面也使進化論的研究面臨新的問題。1968年日本遺傳學家木村資生根據(jù)蛋白質(zhì)序列提出中性學說，認為在分子水平上生物進化不受自然選擇的作用，而是按一定的速率進行對生物生存既無好處也無壞處的隨機突變，有實驗表明DNA序列的改變更符合中性學說，有關(guān)中性學說的正確性和適用范圍至今仍然沒有定論。目前，生物進化被分成了三個層次：微進化（生物群體中基因頻率的改變）、新種生成和大進化（從一個類型到另一個類型的躍變）?，F(xiàn)代綜合學說完美地解釋了微進化和新種生成，并認為由微進化和新種生成的研究所得的結(jié)果可以進一步推廣到大進化。但是一些發(fā)育生物學家對這個推論表示懷疑，他們認為生物新類型的產(chǎn)生是在生物胚胎發(fā)育過程中基因突變的結(jié)果，胚胎發(fā)育時微小的突變可以導致成體的巨大變化?？梢灶A見，隨著發(fā)育生物學的發(fā)展越來越多的大進化難題將被解決，不久的將來就會出現(xiàn)綜合了分子生物學、發(fā)育生物學等新學科研究成果的“分子綜合”學說。

本申請的發(fā)明人經(jīng)過近年來教學實踐中對熱力學中熵變規(guī)律深入細致的思考結(jié)合科研實踐中對生物進化規(guī)律的潛心研究，設計了一種通過引入生物分子有效體積和自由體積的概念、基于熵變函數(shù)的定義、生物材料有效熵變和自由熵變的計算、分析生物進化規(guī)律的方法，實踐業(yè)已證實該方法是一種簡便實用的分析生物進化規(guī)律的新方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種通過熵變分析生物進化規(guī)律的方法，該方法包括生物分子有效體積和自由體積概念的引入、熵變函數(shù)的定義、有效熵變和自由熵變的計算、生物進化規(guī)律的分析等步驟。優(yōu)選地，在通過熵變分析生物進化規(guī)律的步驟中還包括生物分子有效體積和自由體積概念的引入、熵變函數(shù)的定義與生物材料有效熵變和自由熵變的計算等步驟，經(jīng)過上述對生物材料有效熵變和自由熵變的計算和分析可獲得生物進化的規(guī)律。

鑒于生物進化規(guī)律急需一種簡便實用的物理分析方法的現(xiàn)實需要，以生物材料（包括生物分子、亞細胞結(jié)構(gòu)、細胞、組織、器官、生物個體、群體及種群）為研究對象，通過引入生物分子有效體積和自由體積的概念、基于熵變函數(shù)的定義、生物材料有效熵變和自由熵變的計算，分析并獲得生物進化的規(guī)律，并為結(jié)構(gòu)生物學、分子生物學、細胞生物學、發(fā)育生物學、遺傳學和進化生物學的研究和發(fā)展提供一種全新的分析方法和理論指導。

其中，生物分子有效體積和自由體積概念的引入是通過熵變分析生物進化規(guī)律最核心的科學問題，因此，生物分子的有效體積和自由體積如何定義和界定是通過熵變分析生物進化規(guī)律首先要解決的問題。生物分子的有效體積是指包含生物分子間及內(nèi)外場對生物分子作用的空間體積，用 表示；生物分子的自由體積是指不受任何相互作用的生物分子自由活動的空間體積，用表示。對于一個生物材料由于每個生物分子間及內(nèi)外場對生物分子作用都不同，每個生物分子的有效體積都將不相同，但每種生物分子的平均值即平均有效體積卻是一定的，可以通過統(tǒng)計熱力學的方法理論計算得到，同理每種生物分子的平均自由體積也是確定的，可以通過實驗測得生物材料的總體積扣除每種生物分子的平均有效體積數(shù)學計算得到。影響生物分子有效體積的因素主要包括分子自身的物理化學性質(zhì)、所處的生理環(huán)境以及各種內(nèi)外場的作用，具體來說，一種生物分子所處的生理環(huán)境不同，由于生物分子間的相互作用不同，其有效體積和平均有效體積也將不同。此外，隨著各種內(nèi)外場對分子的作用不同，每種生物分子的有效體積和平均有效體積也將不同?？傊?，但凡是能改變生物分子間及內(nèi)外場對生物分子作用的因素，都將改變生物分子的有效體積和平均有效體積，并引起生物材料的熵變。

熵變函數(shù)的定義是通過熵變分析生物進化規(guī)律的最關(guān)鍵因素，因此，怎樣定義熵變函數(shù)直接決定了通過熵變分析生物進化規(guī)律的計算方法?；诓柶澛睾瘮?shù)：S =klnΩ，對于一個生物體，由于微觀狀態(tài)數(shù)Ω 取決于生物材料的總體積、單位體積、生物分子的種類n和每種生物分子的數(shù)目，因為單位體積是相對的，因此，熵也是一個相對的物理量。熵變函數(shù)被定義為：

式中，K，是玻爾茲曼常數(shù)，Ω, 是一個生物材料的微觀狀態(tài)數(shù)， J/mol?K，是摩爾氣體常數(shù)，是第i種生物分子的質(zhì)量， 是第i種生物分子的摩爾質(zhì)量，和 分別是第i種生物分子的任意兩種狀態(tài)的平均自由體積，和 分別是第i種生物分子的任意兩種狀態(tài)的平均有效體積，是有效熵變，是自由熵變。對于一個給定的生物材料，由于, 和 都是絕對的，因此，熵變也是絕對的物理量。

有效熵變和自由熵變的計算是通過熵變分析生物進化規(guī)律的重要環(huán)節(jié)，因此，有效熵變和自由熵變的計算顯得尤為重要?；谝粋€生物材料中各種生物分子平均有效體積的理論計算、總體積的實驗測定和平均自由體積的數(shù)學計算，分別代入熵變函數(shù)和，可以得到生物材料的有效熵變和自由熵變。

對生物進化規(guī)律的分析是本方法的最后環(huán)節(jié)。生物進化是在各種相互作用下從無機小分子到有機大分子、從有機大分子到亞細胞結(jié)構(gòu)、從亞細胞結(jié)構(gòu)到低等單細胞原核生物再到高等多細胞真核生物漸進演變發(fā)展及物種淘汰和物種產(chǎn)生的過程，可以分成三個層次即微進化、新種生成和大進化?，F(xiàn)代地質(zhì)學和地球物理學大致上都認為地球的天文年齡大約在45.4億年，在如此漫長的時間跨度中生物材料在各歷史時期各種顯著不同的內(nèi)外場協(xié)同作用下，逐漸從無機小分子聚合成有機大分子，從有機大分子逐漸形成亞細胞結(jié)構(gòu)，從亞細胞結(jié)構(gòu)漸進演變發(fā)展到低等單細胞原核生物，經(jīng)過物種淘汰和物種產(chǎn)生最終大進化成多樣性的高等多細胞真核生物。在生物進化的整個過程中，隨著內(nèi)外場相互作用的增大，生物分子的分子量和平均有效體積都將逐漸增大而平均自由體積將減小且，生物材料的熵變，從而引起生物分子的聚合并伴隨著種類和數(shù)量的減少、構(gòu)型和空間構(gòu)象的顯著改變，反之亦然，從分子層面表現(xiàn)為生物群體的全基因組隨機突變和自然選擇，從個體層面表現(xiàn)為遺傳變異、從群體層面表現(xiàn)為新物種的生成而從種群層面表現(xiàn)為大進化；當生物分子間及內(nèi)外場的相互作用達到某種動態(tài)平衡時，分子的平均有效體積達到某一臨界值，平均自由體積也將不變，生物材料的熵變，生物分子的種類、數(shù)量、構(gòu)型和空間構(gòu)象將穩(wěn)定不變，從分子層面表現(xiàn)為生物遺傳基因序列的保守性及其它生物大分子構(gòu)型、空間構(gòu)象和功能的相對穩(wěn)定性，從個體、群體和種群層面表現(xiàn)為生物的遺傳穩(wěn)定性。

生物進化規(guī)律是生物分子有序性和無序性兩種傾向相互競爭決定的，相互作用是有序性的起因并引起熵減小，即；分子熱運動是無序性的來源并引起自發(fā)的熵增加，即。通過熵變分析生物進化規(guī)律可以概括為：

I. 現(xiàn)代地質(zhì)學和地球物理學大致上都認為地球的天文年齡大約在45.4億年，在如此漫長的時間跨度中生物材料在各歷史時期各種顯著不同的內(nèi)外場協(xié)同作用下，逐漸從無機小分子聚合成有機大分子，從有機大分子逐漸形成亞細胞結(jié)構(gòu)，從亞細胞結(jié)構(gòu)漸進演變發(fā)展到低等單細胞原核生物，經(jīng)過物種淘汰和物種產(chǎn)生最終大進化成多樣性的高等多細胞真核生物；

II. 在生物進化的整個過程中，隨著內(nèi)外場協(xié)同作用的增大，生物分子的分子量和平均有效體積都將逐漸增大而平均自由體積將減小且，生物材料的熵變，從而引起生物分子的聚合并伴隨著種類和數(shù)量的減少、構(gòu)型和空間構(gòu)象的顯著改變，反之亦然，從分子層面表現(xiàn)為生物基因的全基因組隨機突變和自然選擇，從個體層面表現(xiàn)為遺傳變異、從群體層面表現(xiàn)為新物種的生成而從種群層面表現(xiàn)為多樣性的生物大進化；

III. 當生物分子間及內(nèi)外場的相互作用達到某種動態(tài)平衡時，分子的平均有效體積達到某一臨界值，平均自由體積也將不變，生物材料的熵變，生物分子的種類、數(shù)量、構(gòu)型和空間構(gòu)象將穩(wěn)定不變，從分子層面表現(xiàn)為生物遺傳基因序列的保守性及其它生物大分子構(gòu)型、空間構(gòu)象和功能的相對穩(wěn)定性，從個體、群體和種群層面表現(xiàn)為生物的遺傳穩(wěn)定性。

該方法業(yè)已在實踐中驗證，結(jié)果表明該方法是一種簡便實用的分析生物進化規(guī)律的新方法。

具體實施方式

實施例 通過熵變分析生物進化規(guī)律的方法

通過熵變分析生物進化規(guī)律的方法包括生物分子有效體積和自由體積概念的引入、熵變函數(shù)的定義、生物材料有效熵變和自由熵變的計算、生物進化規(guī)律的分析幾個步驟，基于上述熵變函數(shù)的定義、通過對生物材料有效熵變和自由熵變的計算和分析可獲得生物進化的規(guī)律。

（1）、生物分子有效體積和自由體積概念的引入

生物分子的有效體積是指包含生物分子間及內(nèi)外場對分子作用的空間體積，用表示；生物分子的自由體積是指不受任何相互作用的分子自由活動的空間體積，用表示。對于一個生物材料由于每種生物分子間及內(nèi)外場對分子作用都不同，每種生物分子的有效體積都將不相同，但其平均值即平均有效體積卻是一定的，可以通過統(tǒng)計熱力學的方法理論計算得到，同理每種生物分子的平均自由體積也是確定的，可以通過實驗測得生物材料的總體積扣除每種生物分子平均有效體積數(shù)學計算得到。

（2）、熵變函數(shù)的定義

熵變函數(shù)被定義為：

式中，K，是玻爾茲曼常數(shù)Ω, 是一個生物材料的微觀狀態(tài)數(shù)， J/mol?K，是摩爾氣體常數(shù)，是第i種生物分子的質(zhì)量， 是第i種生物分子的摩爾質(zhì)量，和 分別是第i種生物分子的任意兩種狀態(tài)的平均自由體積，和 分別是第i種生物分子的任意兩種狀態(tài)的平均有效體積， 是有效熵變，是自由熵變。

（3）、生物材料有效熵變和自由熵變的計算

基于步驟(1)中生物材料中各種生物分子平均有效體積的理論計算和平均自由體積的數(shù)學計算結(jié)果，分別代入熵變函數(shù)和，可以分別得到生物材料的有效熵變和自由熵變。

（4）、生物進化規(guī)律的分析

生物進化規(guī)律是生物分子有序性和無序性兩種傾向相互競爭決定的，相互作用是有序性的起因并引起熵減小，即；分子熱運動是無序性的來源并引起自發(fā)的熵增加，即。通過熵變分析生物進化規(guī)律可以概括為：

I. 現(xiàn)代地質(zhì)學和地球物理學大致上都認為地球的天文年齡大約在45.4億年，在如此漫長的時間跨度中生物材料在各歷史時期各種顯著不同的內(nèi)外場協(xié)同作用下，逐漸從無機小分子聚合成有機大分子，從有機大分子逐漸形成亞細胞結(jié)構(gòu)，從亞細胞結(jié)構(gòu)漸進演變發(fā)展到低等單細胞原核生物，經(jīng)過物種淘汰和物種產(chǎn)生最終大進化成多樣性的高等多細胞真核生物；

II. 在生物進化的整個過程中，隨著內(nèi)外場協(xié)同作用的增大，生物分子的分子量和平均有效體積都將逐漸增大而平均自由體積將減小且，生物材料的熵變，從而引起生物分子的聚合并伴隨著種類和數(shù)量的減少、構(gòu)型和空間構(gòu)象的顯著改變，反之亦然，從分子層面表現(xiàn)為生物基因的全基因組隨機突變和自然選擇，從個體層面表現(xiàn)為遺傳變異、從群體層面表現(xiàn)為新物種的生成而從種群層面表現(xiàn)為多樣性的生物大進化；

III. 當生物分子間及內(nèi)外場的相互作用達到某種動態(tài)平衡時，分子的平均有效體積達到某一臨界值，平均自由體積也將不變，生物材料的熵變，生物分子的種類、數(shù)量、構(gòu)型和空間構(gòu)象將穩(wěn)定不變，從分子層面表現(xiàn)為生物遺傳基因序列的保守性及其它生物大分子構(gòu)型、空間構(gòu)象和功能的相對穩(wěn)定性，從個體、群體和種群層面表現(xiàn)為生物的遺傳穩(wěn)定性。

通過上述具體的實施例，更容易理解本發(fā)明。上述實施例只是舉例性的描述，而不應當被理解為用來限制本發(fā)明的范圍。