影响生物进化的主要因素及其熵变规律

本文探讨熵的概念,从克劳斯的热力学熵到玻尔兹曼的分子运动熵,再到香农的信息熵。熵被解释为描述物质、信息状态分布均匀程度和无序性的量。在生物进化中,熵的增大数据表明遗传多样性的增加,揭示了生物适应环境变化的内在动力。群体遗传学研究了这种熵变在生物群体中的动态,包括交配制度和群体大小等因素对遗传结构的影响。

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  • 熵理论,对于整个科学来说是第一法则。 ——爱因斯坦
  • 生物为了生存而作的一般斗争,既不是为了物质,也不是为了能量,而是为了熵而斗争。 ——玻尔兹曼
  • 新陈代谢中本质的东西,乃是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的熵。 ——薛定谔

1 熵的概念及发展

1.1 克劳斯的热力学熵

法国物理学家克劳斯于1865年首次提出熵的定义:

物质系统吸取的热量变化与绝对温度之比,用S表示。

热力学第二定律:

前提:一种热量绝不会自发的从一个冷的物体流向一个热的物体
又称孤立系统的熵增定律
表示:dS>=0
含义:当物质系统为孤立系统时,不可逆过程使熵增加dS>0,可逆过程使熵不变dS=0

关于熵增:

当孤立系统中物质热力状态分布变为均匀分布的过程中,熵在增加
–> 熵是描述物质热力状态分布均匀程度的量
开尔文:熵增加意味着热能量虽然在数量上守恒,但是转变为功的可能性越来越小,即热能的不可用程度越来越大,就是说能量耗散了
–> 熵是描述热能量不可用程度或耗散程度的量

1.2 玻尔兹曼的分子运动熵

建立了熵与微观粒子状态数目W之间的关系:

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