生命是什么—基于物理学原理的回答

论文摘要

生命本质的探讨一直以来是学者们感兴趣的领域。生命体系的层次结构、功能和信息是非常复杂的,然而,生命的微观元素、运动规律,结构组织、生命特征等又存在惊人的一致性。正是各个系统层次的自组织使得复杂性和统一性这两种貌似相反的特性完美地统一在了一起,形成了生命这个多层次、多尺度、非线性、非平衡的开放复杂动力系统。到目前为止,尽管有很多学派给出了生命本质的定义和理论,但对生命系统本质的深入探讨还非常有待创新并完善,尤其是对当前生命数据信息的可操作性和应用性的定义和理论还没有出现。本论文首先提出了一个可用于描述生命系统中各个层次结构形成演化的新的动力学流动原理——最大流原理(一个远离平衡的开放复杂系统总是寻找一种优化过程使得系统在给定的约束或代价下所获得的广义流最大)。进而在此理论基础上发展了一种全新的处理生命数据信息的理论和应用方法。这样不仅从深层次的理论上揭示了生命系统本质的物理机理,而且对研究应用当今丰富的生命信息数据的数学方法有所启示。在最大流原理和应用方法的基础上,本文分别在分子和组织层次上对生命系统进行了理论和模拟研究。分子层次上,以典型的蛋白质分子为例,对蛋白质分子的分形结构及其分形结构的形成过程进行深入探讨;并对已有的分形维数数据加以应用,讨论了部分球蛋白质分子进化过程。组织层次上,以生物膜中微生物的生长演化为例,通过结构参量所反映的生长模式与阶段,探讨细胞组织生长演化的机理,并为生命工程研究提供理论指导,提出生命科学研究的新领域。本论文最后简要概括了用新物理原理展示生命本质的理论意义,提出了对生命科学研究的工程指导,给出了对生命本质的新定义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生命科学的研究进展
• 1.2 生命本质的各种认识
• 1.2.1 二十世纪之前的认识
• 1.2.2 二十世纪的探索
• 1.3 生命本质认识的启示与挑战
• 1.4 本文的主要工作及研究方法
• 第二章 生命系统的流动原理
• 2.1 生命系统的复杂性
• 2.1.1 生命体复杂巨系统各层次结构的复杂性
• 2.1.2 生物体功能的复杂性
• 2.1.3 信息的复杂性
• 2.2 生命体本质的一致性
• 2.2.1 组分的一致性
• 2.2.2 运行规律的一致性
• 2.2.3 结构组织的一致性
• 2.2.4 特征的一致性
• 2.3 生命系统本质特性——自组织
• 2.4 生命系统的最大流原理
• 2.4.1 新思想建立的生命系统的势函数
• 2.4.2 生命有序结构的形成
• 2.5 小结
• 第三章 生命流动的量化方法
• 3.1 描述生命流动的解析方法
• 3.2 生命流动的模拟方法
• 3.3 小结
• 第四章 利用生命流动理论研究蛋白质结构形成和进化
• 4.1 蛋白质的折叠过程研究情况
• 4.2 蛋白质结构研究与生命进化
• 4.3 利用流动理论研究蛋白质三维结构的形成
• 4.3.1 由分形信息推演蛋白质结构形成的流动动力学过程
• 4.3.2 分形信息所展示的进化过程
• 4.4 小结
• 第五章 利用生命流动理论研究生物膜结构的形成与演化
• 5.1 数据来源
• 5.2 模拟方法
• 5.3 模拟结果与讨论
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 理论意义
• 6.3 对工程的指导意义
• 6.3.1 对中医的贡献
• 6.3.2 对药物研究的贡献
• 6.3.3 系统生命研究与可持续发展的关系
• 6.4 最大流视角中的哲学生命
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢