本發(fā)明涉及一種通過熵變分析功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的方法，具體的涉及一種通過DNA分子有效體積和自由體積的概念引入與理論計(jì)算、基于熵變函數(shù)的定義、生物細(xì)胞有效熵變和自由熵變的數(shù)學(xué)計(jì)算、分析生物功能基因在其生長(zhǎng)發(fā)育中協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的方法。
背景技術(shù)：
1850年，德國(guó)物理學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏故状翁岢鲮氐母拍?，用來表示任何一種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(gè)體系的能量完全均勻分布時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)的熵就達(dá)到最大值。在克勞修斯看來，在一個(gè)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(gè)熱物體同一個(gè)冷物體相接觸，熱量總會(huì)自發(fā)的從熱物體向冷物體流動(dòng)，熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個(gè)物體達(dá)到相同的溫度為止?？藙谛匏乖谘芯靠ㄖZ熱機(jī)時(shí)，根據(jù)卡諾定理得出了對(duì)任意可逆循環(huán)過程都都適用的一個(gè)公式：dS = dQ/T。
1877年，奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼在研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上采用統(tǒng)計(jì)學(xué)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(gè)公式反映了熵函數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)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(xué)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(guó)物理學(xué)家、物理化學(xué)家瓦爾特·能斯特提出了熱力學(xué)第三定律：在0K時(shí)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(xué)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(duì)熵值。于是人們求得了各種物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾絕對(duì)熵值，簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)熵，單位為kJ/mol。
在熱力學(xué)中，熵是表征物質(zhì)狀態(tài)的參量之一，通常用符號(hào)S表示。對(duì)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(xué)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(xué)過程不可逆性的微觀本質(zhì)和統(tǒng)計(jì)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)。
基因具有控制生物遺傳性狀和活性調(diào)節(jié)的功能。功能基因通過復(fù)制把遺傳信息傳遞給下一代，并通過控制結(jié)構(gòu)或功能蛋白的合成來控制生物的個(gè)體性狀。生物細(xì)胞中的DNA分子上有很多基因，但并不是每一基因的特征都表現(xiàn)出來。即使是由同一受精卵發(fā)育分化而來的同一生物體不同組織中的細(xì)胞，如肌肉細(xì)胞、肝臟細(xì)胞、骨細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和紅細(xì)胞等，它們的細(xì)胞形狀都是各不相同的，原因在于細(xì)胞核中的基因在細(xì)胞的一生中并非始終處于活性狀態(tài)，它們有的處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，即活性狀態(tài)，這時(shí)基因打開，有的處于非轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，即基因關(guān)閉。在生物體的不同發(fā)育期，基因的活性是不同的，而且基因的活性有嚴(yán)格的程序，基因活性的嚴(yán)格程序是生命周期穩(wěn)定的基礎(chǔ)。
各種不同的生物因其細(xì)胞內(nèi)的基因具有獨(dú)特的活性調(diào)節(jié)而呈現(xiàn)不同的形態(tài)特征。生物體的一切遺傳性狀都受基因控制，但是基因并不等于性狀，從基因型到表現(xiàn)型（性狀）要經(jīng)過一系列的發(fā)育過程?；蚩刂粕锏男誀钪饕ㄟ^兩條途徑，一是通過控制酶的合成來控制生物的性狀。這是因?yàn)橛苫蚩刂频纳镄誀钜憩F(xiàn)出來，必需經(jīng)過一系列的代謝過程，而代謝過程的每一步都離不開酶的催化，所以基因是通過控制酶的合成來控制代謝過程，從而控制生物個(gè)體性狀的表現(xiàn)的。另一條途徑是基因通過控制結(jié)構(gòu)蛋白的成分直接控制生物的形狀。蛋白質(zhì)多肽鏈上氨基酸序列都受基因的控制，如果控制蛋白質(zhì)的基因中DNA的堿基發(fā)生變化，則可引起信使RNA上相應(yīng)的堿基的變化，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變異。此外，遺傳性狀的表現(xiàn)，不但要受到內(nèi)部基因的控制，還受到外部環(huán)境的制約。因此，不同基因型的個(gè)體在不同的環(huán)境條件下可以產(chǎn)生不同的表現(xiàn)型，即使同一基因型的個(gè)體，在不同環(huán)境條件下，也可以產(chǎn)生不同的表現(xiàn)型，表現(xiàn)型是基因型與環(huán)境共同作用的結(jié)果。
本申請(qǐng)的發(fā)明人經(jīng)過近年來教學(xué)實(shí)踐中對(duì)熱力學(xué)中熵變機(jī)制深入細(xì)致的思考結(jié)合科研實(shí)踐中對(duì)功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的潛心研究，設(shè)計(jì)了一種通過引入DNA分子有效體積和自由體積的概念、基于熵變函數(shù)的定義、計(jì)算生物細(xì)胞有效熵變和自由熵變、分析生物功能基因在其生長(zhǎng)發(fā)育中協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的方法，實(shí)踐業(yè)已證實(shí)該方法是一種簡(jiǎn)便快捷的分析功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的新方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種通過熵變分析生物功能基因在其生長(zhǎng)發(fā)育中協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的方法，該方法包括DNA分子有效體積和自由體積概念的引入與理論計(jì)算、熵變函數(shù)的定義、生物細(xì)胞有效熵變和自由熵變的數(shù)學(xué)計(jì)算、功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的分析等步驟。優(yōu)選地，在通過熵變分析功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的步驟中還包括DNA分子有效體積和自由體積概念的引入與理論計(jì)算、熵變函數(shù)的定義，經(jīng)過上述對(duì)生物細(xì)胞有效熵變和自由熵變的數(shù)學(xué)計(jì)算和分析可獲得生物功能基因在其生長(zhǎng)發(fā)育中協(xié)同調(diào)控的物理機(jī)制。
鑒于功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制急需一種簡(jiǎn)便快捷的分析方法的現(xiàn)實(shí)需要，以生物細(xì)胞為研究對(duì)象，通過DNA分子有效體積和自由體積的概念引入與理論計(jì)算、基于熵變函數(shù)的定義、生物細(xì)胞有效熵變和自由熵變的數(shù)學(xué)計(jì)算和分析獲得功能基因協(xié)同調(diào)控的物理機(jī)制，為分子生物學(xué)、基因組學(xué)提供了一種全新的分析方法。
其中，DNA分子有效體積和自由體積概念的引入是通過熵變分析功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制最核心的科學(xué)問題，因此，DNA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功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制首先要解決的問題。DNA分子的有效體積是指包含DNA分子間及內(nèi)外場(chǎng)對(duì)DNA分子作用的空間體積，用表示；DNA分子的自由體積是指不受任何相互作用的分子自由活動(dòng)的空間體積，用表示。對(duì)于一個(gè)處于一定生理和外部環(huán)境的生物細(xì)胞由于每個(gè)DNA分子間及內(nèi)外場(chǎng)對(duì)DNA分子作用都不同，每個(gè)DNA分子的有效體積都將不同，但每種DNA分子有效體積的平均值即平均有效體積卻是一定的，可以通過統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的方法理論計(jì)算得到，同理每種DNA分子的平均自由體積也是確定的，可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得生物細(xì)胞的總體積扣除每種生物分子的平均有效體積數(shù)學(xué)計(jì)算得到。影響DNA分子有效體積的因素主要包括分子自身的理化性質(zhì)、所處的生理及外部環(huán)境，具體來說，一個(gè)生物細(xì)胞所處的生理或外部環(huán)境不同，由于其組成DNA分子所受的作用不同，其有效體積和平均有效體積也將不同?？傊彩悄芨淖僁NA分子間及內(nèi)外場(chǎng)對(duì)DNA分子作用的因素，都將改變DNA分子的有效體積和平均有效體積，并引起生物細(xì)胞的熵變。
熵變函數(shù)的定義是通過熵變分析功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的最關(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功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的計(jì)算方法?；诓柶澛睾瘮?shù)：S =klnΩ，對(duì)于一個(gè)生物細(xì)胞，由于微觀狀態(tài)數(shù)Ω取決于生物細(xì)胞的總體積、單位體積、分子的種類n和每種分子的數(shù)量，因?yàn)閱挝惑w積是相對(duì)的，因此，熵也是一個(gè)相對(duì)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(gè)生物細(xì)胞的微觀狀態(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(duì)于一個(gè)給定的生物細(xì)胞，由于, 和 都是絕對(duì)的，因此，熵變也是絕對(duì)的物理量。
有效熵變和自由熵變的計(jì)算是通過熵變分析功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的重要環(huán)節(jié)，因此，有效熵變和自由熵變的計(jì)算顯得尤為重要?；谝粋€(gè)生物細(xì)胞中各種DNA分子平均有效體積的理論計(jì)算、總體積的實(shí)驗(yàn)測(cè)定和平均自由體積的數(shù)學(xué)計(jì)算，分別代入熵變函數(shù)和，可以得到生物細(xì)胞的有效熵變和自由熵變。
對(duì)功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的分析是本方法的最核心環(huán)節(jié)。隨著生物細(xì)胞中DNA分子所處的生理或外部環(huán)境不同，DNA分子構(gòu)型和空間構(gòu)象將發(fā)生顯著的變化，DNA分子的平均有效體積和平均自由體積都將改變，生物細(xì)胞的熵變也將不同并最終引起DNA分子中基因的活性狀態(tài)改變，從而按一定程序通過控制結(jié)構(gòu)及功能蛋白的合成來控制生物性狀，遺傳性狀是基因型與環(huán)境共同作用的結(jié)果。具體來說，隨著生物體的生長(zhǎng)發(fā)育，生物細(xì)胞中DNA分子所處的生理或外部環(huán)境將發(fā)生顯著改變， DNA分子的種類、構(gòu)型和空間構(gòu)象也將發(fā)生不同的改變，分子的平均有效體積和平均自由體積都將明顯不同，生物細(xì)胞的熵變也將不同并最終引起DNA分子中基因的活性狀態(tài)改變，從而按一定程序通過控制結(jié)構(gòu)及功能蛋白的合成來控制生物性狀；處在生長(zhǎng)發(fā)育期的生物細(xì)胞中DNA分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小，但由于DNA分子的種類及數(shù)量將顯著增加，生物細(xì)胞的熵變，DNA分子的種類、構(gòu)型和空間構(gòu)象將發(fā)生顯著改變并使其中功能基因多處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)；處在成熟期的生物細(xì)胞中DNA分子的平均有效體積達(dá)到某一臨界值，平均自由體積也將不變，生物細(xì)胞的熵變，DNA分子構(gòu)型和空間構(gòu)象將穩(wěn)定不變并使其中功能基因處于轉(zhuǎn)錄與非轉(zhuǎn)錄平衡狀態(tài)；處在衰老期的生物細(xì)胞中DNA分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小且，生物細(xì)胞的熵變，DNA分子構(gòu)型和空間構(gòu)象也將發(fā)生改變并使其中功能基因多處于非轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，反之亦然。
功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制是分子有序性和無序性兩種傾向相互競(jìng)爭(zhēng)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(yùn)動(dòng)是無序性的來源并引起自發(fā)的熵增加，即。通過熵變分析功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制可以概括為：
. 隨著生物體的生長(zhǎng)發(fā)育，生物細(xì)胞中DNA分子所處的生理或外部環(huán)境將發(fā)生顯著改變， DNA分子的種類、構(gòu)型和空間構(gòu)象也將發(fā)生不同的改變，分子的平均有效體積和平均自由體積都將明顯不同，生物細(xì)胞的熵變也將不同并最終引起DNA分子中基因的活性狀態(tài)改變，從而按一定程序通過控制結(jié)構(gòu)及功能蛋白的合成來控制生物性狀；
. 處在生長(zhǎng)發(fā)育期的生物細(xì)胞中DNA分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小，但由于DNA分子的種類及數(shù)量將顯著增加，生物細(xì)胞的熵變，DNA分子的種類、構(gòu)型和空間構(gòu)象將發(fā)生顯著改變并使其中功能基因多處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)；處在成熟期的生物細(xì)胞中DNA分子的平均有效體積達(dá)到某一臨界值，平均自由體積也將不變，生物細(xì)胞的熵變，DNA分子構(gòu)型和空間構(gòu)象將穩(wěn)定不變并使其中功能基因處于轉(zhuǎn)錄與非轉(zhuǎn)錄平衡狀態(tài)；處在衰老期的生物細(xì)胞中DNA分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小且，生物細(xì)胞的熵變，DNA分子構(gòu)型和空間構(gòu)象也將發(fā)生改變并使其中功能基因多處于非轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，反之亦然。
該方法業(yè)已在實(shí)踐中驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法是一種簡(jiǎn)便快捷的分析功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的新方法。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例 通過熵變分析生物功能基因在其生長(zhǎng)發(fā)育中協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的方法
通過熵變分析生物功能基因在其生長(zhǎng)發(fā)育中協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的方法包括DNA分子有效體積和自由體積概念的引入與理論計(jì)算、熵變函數(shù)的定義、生物細(xì)胞有效熵變和自由熵變的數(shù)學(xué)計(jì)算、功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的分析幾個(gè)步驟，基于上述有效體積和自由體積概念的引入和熵變函數(shù)的定義、通過對(duì)生物細(xì)胞有效熵變和自由熵變的計(jì)算和分析可獲得功能基因協(xié)同調(diào)控的物理機(jī)制。
（1）DNA分子有效體積和自由體積概念的引入與理論計(jì)算
DNA分子的有效體積是指包含DNA分子間及內(nèi)外場(chǎng)對(duì)DNA分子作用的空間體積，用表示；DNA分子的自由體積是指不受任何相互作用的分子自由活動(dòng)的空間體積，用表示。對(duì)于一個(gè)處在一定生理和外部環(huán)境的生物細(xì)胞，由于每個(gè)DNA分子間及內(nèi)外場(chǎng)對(duì)分子作用都不同，每個(gè)DNA分子的有效體積都將不相同，但每種DNA分子有效體積的平均值即平均有效體積卻是一定的，可以通過統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的方法理論計(jì)算得到，同理每種DNA分子平均自由體積也是確定的，可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得生物細(xì)胞的總體積扣除每種生物分子平均有效體積數(shù)學(xué)計(jì)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(gè)生物細(xì)胞的微觀狀態(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）生物細(xì)胞有效熵變和自由熵變的計(jì)算
基于步驟(1)中生物細(xì)胞各種生物分子平均有效體積的理論計(jì)算和平均自由體積的數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果，分別代入熵變函數(shù)和，可以分別得到生物細(xì)胞的有效熵變和自由熵變。
（4）功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制的分析
功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制是DNA分子有序性和無序性兩種傾向相互競(jìng)爭(zhēng)決定的，相互作用是有序性的起因并引起熵減小，即；DNA分子熱運(yùn)動(dòng)是無序性的來源并引起自發(fā)的熵增加，即。通過熵變分析功能基因協(xié)同調(diào)控物理機(jī)制可以概括為：
. 隨著生物體的生長(zhǎng)發(fā)育，生物細(xì)胞中DNA分子所處的生理或外部環(huán)境將發(fā)生顯著改變， DNA分子的種類、構(gòu)型和空間構(gòu)象也將發(fā)生不同的改變，分子的平均有效體積和平均自由體積都將明顯不同，生物細(xì)胞的熵變也將不同并最終引起DNA分子中基因的活性狀態(tài)改變，從而按一定程序通過控制結(jié)構(gòu)及功能蛋白的合成來控制生物性狀；
. 處在生長(zhǎng)發(fā)育期的生物細(xì)胞中DNA分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小，但由于DNA分子的種類及數(shù)量將顯著增加，生物細(xì)胞的熵變，DNA分子的種類、構(gòu)型和空間構(gòu)象將發(fā)生顯著改變并使其中功能基因多處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)；處在成熟期的生物細(xì)胞中DNA分子的平均有效體積達(dá)到某一臨界值，平均自由體積也將不變，生物細(xì)胞的熵變，DNA分子構(gòu)型和空間構(gòu)象將穩(wěn)定不變并使其中功能基因處于轉(zhuǎn)錄與非轉(zhuǎn)錄平衡狀態(tài)；處在衰老期的生物細(xì)胞中DNA分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小且，生物細(xì)胞的熵變，DNA分子構(gòu)型和空間構(gòu)象也將發(fā)生改變并使其中功能基因多處于非轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，反之亦然。
通過上述具體的實(shí)施例，更容易理解本發(fā)明。上述實(shí)施例只是舉例性的描述，而不應(yīng)當(dāng)被理解為用來限制本發(fā)明的范圍。