第一章　热力学理论在医学领域中的应用与发展

第一节　热力学与生命科学

热力学现象无处不在，与地球上的生命息息相关。那么什么是热力学呢？热力学是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的一门学科。它主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，揭示了能量从一个物体转移到另一个物体，或者从一种形式转化为另一种形式时遵从的宏观规律。

生活中最常见的把水加热的过程，就体现了热力学这一有趣现象。热力学并不追究由大量微观粒子组成的物质或系统微观状态即每一个水分子的结构及运动方向、轨迹，而只关心系统在整体上表现出来的热现象及其变化发展所必须遵循的基本规律。比如水的温度，以及与温度变化相关的压强、体积变化等。温度、体积、压强都是能直接感受和可观测的宏观状态量，这些量可以用来描述和确定系统所处的状态。通过对实践中热现象的大量观测和实验发现，这些宏观状态量之间是互相影响和互相制 约的。

地球是一颗神奇的星球，地球上的生命极具复杂性和多样性，生命进化的过程与太阳的热辐射密切相关。2013年，生物物理学家杰里米·英格兰（Jeremy England）通过观察实验提出了一个新理论，认为“生命的诞生并非是什么巧合，而是物理热力学演变的结果”，即生命的起源归结为热力学的必然结果。他的理论和方程表明，在特定条件下，原子团会自我重构，以便消耗更多的能量，更好地适应生存环境。杰里米将这种重组效应称作“耗散驱动型适应性”，认为热对系统的做功与系统的热耗散可能推动包括生命体在内的复杂结构的进化。以地球上的高等生物——人类为例，人通过不断从外界摄取物质和吸收营养来补充不断耗散的能量，以维持自身的生存，所以有的科学家认为人体是一个非平衡的耗散驱动型热力学系统，这一系统可在一定时间及一定空间上维持相对的平衡（健康），但这种平衡是以不断补充物质和营养作为前提，而这些物质和营养在进入人体前及在人体内消化吸收的过程无不与能量转化密切相关。

可见，热力学、能量转化与人体这一非平衡耗散结构的相对稳态密切相关，甚至可以说决定了人体的生、老、病、死。中医学在2000多年前研究人体的生理病理状态时，便认识到这一重要的现象：能量是人体生存最基本的条件，能量可以在人体内进行不同形式的转化。故中医经典著作《素问·生气通天论》云：“阳气者，若天与日，失其所，则折寿而不彰。”这里的“阳气”可以看作是来自宇宙、太阳的能量，对地球上的生物产生影响。因当时技术有限，对人体能量只能观察而不能测量，中医便用“阴阳”这一对立统一的哲学概念来进行描述，正如《素问·阴阳应象大论》曰：“阴阳者，天地之道也，万物之纲纪，变化之父母，生杀之本始，神明之府也，治病必求于本。”这段话的意思可理解为：阴阳可描述为热量的对立统一关系，是天地万物变化的源头，人体作为自然界的一分子，亦受到阴阳的影响，故治疗人体疾病时必须先查明阴阳的病理状态，力求恢复阴阳的生理平衡，才是治愈疾病的根本。

在中国学者提出“阴阳学说”后的近两千年，近代科学家于二十世纪初创立并不断丰富和发展了热力学。热力学以实验观测得到的基本定律为基础，并用数学方法、逻辑推理进行演绎，得出有关物质和系统各种宏观状态量之间的关系，并据此推断该系统宏观物理过程变化的方向等，故热力学属于唯象理论，由它引出的结论具有高度可靠性和普遍性。杨振宁把物理学分为实验、唯象理论和理论架构三个路径，其中唯象理论对物理现象有描述与预言功能［1］，是对实验现象的概括、提炼和总结，但是无法用已有的科学理论体系做出解释，用钱学森的话来说就是“知其然而不知其所以然”。中医学也属于唯象理论。中医学用八纲辨证，即阴、阳、寒、热、表、里、虚、实八种“象”来描述、分析和概括疾病的性质、病位、发展方向，并据其确定治疗原则和治疗方法，其中阴、阳、寒、热与热力学有直接联系，而表、里、虚、实与热力学也有着密切的间接联系。

热力学中，热传递的方式有3种：辐射、传导、对流。热辐射是指物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，辐射电磁波不需要任何介质，而传导和对流都需要有一定介质。热力学第三定律提出了绝对零度的概念，认为任何高于绝对零度（-273.15℃）的物质均能辐射红外线，而红外线是波长介于微波和可见光之间的电磁波，波长在750nm至1mm之间。红外线具有热效应，现代物理学称为热射线，太阳的热量也主要是通过红外线传递到地球（图1-1-1）。人体同样也能辐射红外线（图1-1-2）， 通过检测人体辐射的红外线可以了解健康及疾病状态下人体辐射红外线的变化情况，从而协助诊断及指导治疗。这就是红外热力学在医学领域的应用。

图1-1-1　太阳的热辐射线

图1-1-2　人体的红外辐射线