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速求一篇关于热力学定律在食品或生物方面的应用的文章!

来源:学生作业帮 编辑:大师作文网作业帮 分类:语文作业 时间:2024/11/10 23:49:51
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中医药学是中华民族几千年来与疾病不懈斗争的经验总结,热力学是源于西
方的物理化学学科,这两者一古一今、一洋一中,分属两大学科门类.乍看起来,
两者毫无关联,但是仔细分析不难发现,中医药学与热力学“貌离神合”、“灵
犀相通”,两者无论在思维方式方面,还是解决问题的着眼点和手法,都有着广
泛的共性和相通之处.日前,在“中华中医药科技成果论坛”上,解放军三○二
医院药物研究中心肖小河教授提出了中医药热力学观,为重新审视和研究中医药
特别是中药药性理论提供了新的视角,也将为进一步阐明中医治法治则、复方配
伍规律、中药药效物质基础和品质药效评价等提供一种新的方法体系.
与中医药学灵犀相通的现代学科——热力学
肖小河介绍,热力学是研究能量转换的一门学科,归属于物理化学学科.其
中的化学热力学、生物热力学一直是物理化学的核心内容,也是当今物理化学中
发展最活跃的领域.
热力学又称热动力学,起源于1824年卡诺(Carnot)对热机效率的研究,当
时的热力学研究仅研究热与机械功之间的相互转换.随着电能、化学能、生物能
以及其他形式能量的发现和应用,热力学发展成为研究热与其他形式能量相互转
换所遵循规律的一门学科.热力学的基本原理在化学现象以及和化学现象有关的
物理现象中的应用,称为化学热力学;相应地,热力学的基本原理在生命现象以
及和生命现象有关的物理现象中的应用,则称为生物热力学,或生物热力学.
热力学的理论基础主要是两个基本定律:热力学第一定律亦称能量守恒与转
化定律,主要研究热与其他形式能量之间相互转化的守恒关系.热力学第二定律
主要是研究热与其他形式能量之间相互转化的方向和限度的规律.
上世纪七十年代,比利时物理学家普利高津(Prigogine)通过对复杂系统演
化过程的深入研究,创造性地提出了耗散结构理论并获得了诺贝尔化学奖.他指
出,远离平衡的开放系统,在一定的控制条件下,由于系统内部非线性的相互作
用,通过涨落可以形成稳定的有序结构,即耗散结构.耗散结构理论丰富和发展
了热力学基本理论,为人们研究包括化学现象和生命现象在内的各种生物、自然
和社会的复杂体系,提供了具有普遍指导意义的新思维和新方法.
肖小河认为,简单来说,热力学就是采用宏观的研究方法,即主要依据系统
的初态、终态及过程进行的外部条件(均是可以测量的宏观物理量)对系统的变
化规律进行研究,而不涉及物质的微观结构和过程进行的机理.
热力学可根据人类实践经验并借助数学知识,用逻辑推理方法得出的具有普
遍意义的热力学规律,其结论绝对可靠;但正因不涉及物质的微观结构,所以不
能对热力学规律做出微观说明.换句话说,热力学只能告诉人们,系统在一定条
件下的变化具有什么样的规律,而不能回答为什么具有这样的规律;热力学只能
告诉人们,在某种条件下,变化是否能够发生,若能发生,会进行到什么程度,
但不能告诉人们变化的速率及变化所经过的历程.
肖小河指出,热力学的上述特点和中医药学特别关注机体的状态表现及其系
统的平衡或有序性,以机体变化的状态表现作为参照系来研究疾病发生、发展和
变化的规律,从而进行辨证论治的思维模式有相通之处.
热力学阐述中药复方配伍关系
中药复方配伍研究也一直是中医药研究的难点和热点.长期以来,国内学者
主要从药效药理学角度,同时结合药物化学手段,研究中药复方配伍关系和药效
物质基础,但至今尚未取得突破性进展.肖小河采用生物热力学方法,证实了中
药配伍关系的客观存在.
肖小河认为,中药复方的配伍关系实际上包括两个层面:一是处方中各单味
药的药效物质之间的相互作用;二是全方的药效物质与机体之间的药理毒理作用.
从本质上说,无论是药物之间相互作用,还是药物与机体之间相互作用,都属于
化学反应范畴.而任何化学反应发生时,均伴随有能量的转移和热变化.这些能
量的转移和热变化均可用热力学的理论和方法加以检测与描述.
为此,肖小河以处方组成基本相同或相似但配伍比例不同的两对经典名方
——左金丸/反左金、麻黄汤/麻杏石甘汤为例,先采用生物热力学方法,定性定
量测定复方配伍过程中的能量转移和热变化,建立中药复方配伍关系的生物热力
学模型和热谱图;再对发生显著能热变化的配伍关系,结合生物分子标记技术和
化学指纹图谱技术诊断和示踪,辅以药理学和天然药物化学实验,阐明其主要药
效学及物质基础的差异;然后,以传统给药方式,在临床上进行小样本的辨证施
治验证;最后,结合人工智能分析技术,建立基于生物热谱图、生物分子标记和
化学指纹图谱等的中药配伍关系数字化高通量检测方法和系统,从而实现了中药
复方配伍变化的实时、连续、在线、无损、快速、灵敏.
通过以上研究发现,中药配伍关系是客观存在的,中医经典名方配伍精当,
但不一定都是惟一最佳的组合;生物热力学可以作为刻画中药复方配伍关系的基
础方法之一,焓变(△H,指热量输出变化)可作为衡量中药复方配伍变化的客观
指标之一.研究还发现,作用于生命体系的复方中药,如组成配比不同,其生物
热谱图及主要热力学参数值有不同程度的改变,△H呈现明显而有规律的变化,
并与复方中寒热药性中药的比例之间存在映照关系.
由此,肖小河指出,中药复方通过不同药性药物的配伍作用,调控生命体系
能量的代谢、转移和热变化(特别是△H),使机体维系新的稳定有序状态.这
可能是中药复方配伍的机制之一.
中医药学与热力学“神交”已久
肖小河指出,中医药学与热力学其实“神交”已久,这体现在以下几个方面:
两者都重在研究系统的存在状态(初态和终态)和变化方向,而不关注系统的内
部构成和变化过程;两者都工于宏观描述而疏于微观分析;两者都讲求系统平衡
与调节,远离平衡和开放条件下的生命体系和化学体系,都属于耗散结构.众多
的生理病理现象和物理化学现象都可以用耗散结构理论加以阐释.可以预见,借
鉴或融会热力学的研究思路和方法,可能会为中医药学研究打开一个新的局面.
肖小河认为,生命体系是一个开放的巨系统,或自组织系统,或耗散结构.
一切生命活动都包含能量流、物质流和信息流的转换(代谢).能量流是生命活
动的主导,正常生命体系的能量代谢和转化符合热力学的基本定律,特别是开放
系统的热力学第二定律.阴阳五行论、天人合一整体观、平衡观、辨证施治等中
医药基本理论,寒者热之、热者寒之、实者虚之、虚者补之等中医治则治法,均
遵循了热力学的基本定律,特别是开放系统的热力学第二定律.机体出现异常或
生病,就是生命系统内部出现“混乱”、“无序”,患者在接受中医药治疗时,
无论是进行药物,还是针灸、按摩等方法治疗,其实质上是生命系统从外界吸取
“负熵流”(在热力学上,与无序相对抗的自由能和信息都称为负熵),使系统
熵增(熵是体系混乱程度的度量,熵增是体系趋于无序状或混乱的增加)减少,
降低混乱度,使其达到新的有序状态或形成新的稳态,从而恢复正常和健康.这
也符合热力学的基本理论,特别是开放系统的热力学第二定律.
从中药作用的角度来看,任何中药的药性功能都是通过干预生命活动的能量
流、物质流、信息流的转换而实现的.如辛温解表、辛凉解表、温中散寒、益气
升阳等就是中药通过干预机体的能量转换而发挥的药性功能;清热解毒、滋阴壮
阳、益气补血、益气活血、益气生津、滋阴清热、温阳利水、清热生津等是中药
通过干预机体能量-物质转换而实现的;而中药对物质-信息转换的影响,可以产
生养血安神、活血通络、消肿止痛、平肝潜阳等药性功能;中药对能量-信息转
换的干预,能产生行气止痛、散寒止痛、温经散寒、清热安神等药性功能.
因此,肖小河认为,作为能量转移和热变化的重要刻画工具,热力学是以体
系的状态参数为研究对象,可以定性定量测定机体生长代谢过程中以及中药与机
体相互作用过程中的能量转移和热变化,能实时、在线、无损、高效、快速地刻
画机体的表观状态及其变化情况,符合中医药学整体观、系统观、动态观和平衡
观的思维方式和研究手法,有望发展成为中医药基础研究的新手段、新领域.
中药四性的生物热力学研究
吃中国红参上火,吃西洋参不上火,这是为什么◇按中医来讲,这是中药四
性(寒、热、温、凉)使然.那么,中药四性是否客观存在?如客观存在,能否
客观测度?如何测度?其客观本质、作用机制和实际意义如何?长期以来,中药
四性一直是中医药基础研究的热点和难点.虽然我国和日本的学者先后从不同角
度研究了中药四性对机体生理病理状态及其功能的影响,初步发现四性与中枢神
经递质、交感神经-肾上腺髓质系统、前列腺素和环核苷酸、能量代谢、内分泌
系统、微量元素等之间存在某些相关性.但从整体上讲,中药四性研究至今尚未
取得突破性进展.近年来,中药四性研究几乎处于停滞状态.肖小河认为,完全
可以将生物热力学理论引入到中药四性的研究当中.
■热力学可探讨中药四性
肖小河指出,“寒、热、温、凉”是中药药性功能的高度概括,在某种程度
上也是机体对物理热学变化的一种生理或病理感受.如温热药作用于机体一般表
现为功能的亢奋,机体功能亢奋则需要消耗较多的能量,就会产生较多的热量;
反之,寒凉药作用于机体一般表现为功能的抑制,机体功能抑制,则消耗能量较
少或抑制产热.
另外,中药四性功能实质上就是中药与生物机体之间的相互作用.这种相互
作用,可能是物理反应,也可能是化学反应.而任何反应发生时,均伴随有能量
的转移和变化(表现为吸热或放热),这些能量的转移和热变化,均可用热力学
方法加以检测,用热力学理论加以刻画.微量量热学是一种能够在线跟踪检测且
非常灵敏、无损、客观有效的热能检测方法,近年来在化学热力学和生物热力学
研究中应用较广泛,有望开发成为刻画中药四性的新方法.
■中药四性热力学研究模式
根据以上观点,肖小河初步建立了在中医药学理论和热力学理论的双重指导
下,以能量(热量)为基点,以能量-物质-信息转换(代谢)为链条的中药四性
热力学研究模式和方法.
首先,采用生物热力学方法,定性和定量地研究不同药性药物的水煎剂和血
清药物成分与生物体相互作用的能量转移和热变化,建立中药四性的生物热谱图
和热力学模型.
其次,对生物热力学表达差异显著的不同药性的药物,采用DNA分子标记和
化学指纹图谱技术进行识别和示踪,以获取寒热药性差异表达稳定的基因片段和
与代谢产热有关的化学信号因子,寻找和克隆与寒热药性相关的基因.
第三,辅以血清药物化学分析和血清药理学试验,阐明中药四性可能的物质
基础和药性作用.
第四,以传统给药方式,进行小样本的寒热辨证施治的临床验证.
最后,结合计算机技术和人工智能分析方法,阐明中药四性的客观真实性和
现代科学基础及其在中医治则、中药鉴定、质量控制、药效评价、复方配伍、中
药炮制和新药开发等方面的应用价值.
■热力学方法验证中药四性理论
为了凸显中药“四性”的差异,克服研究对象的背景不同,肖小河重点选取
中药种类、植物来源、处方组成、化学成分、药理作用和临床应用基本相同或相
似的方药,如人参类中药、黄连不同炮制品、左金丸(黄连誜吴茱萸=6誜1)与
反左金(黄连誜吴茱萸=1誜6)进行了研究.
通过实验研究,肖小河发现,中药四性是客观存在的,同时也是相对的;生
物热力学可以作为刻画中药四性的有效方法之一,特别是焓变(△H)等参数可作
为重要的评价客观指标;作用于生命体系的方药,如药材品种不同,或产地不同、
或炮制规格不同,或处方配比不同,寒热温凉药性不同,其生物热谱图及主要热
力学参数值有不同程度的改变,特别是△H呈现较明显而有规律的变化,并与传
统中医对方药的赋性有映照关系.在研究中可以看出,温热药性药物能使供试生
物体指数生长期的生长速率常数相对减小,传代时间延长,△H增加较显著;反
之,寒凉药性药物能使供试生物体指数生长期的生长速率常数相对增加,传代时
间缩短,△H增加较少.
由此,肖小河认为,不同药性的药物作用于生命体系,能调控生命体系能量
的代谢、转移和热变化(特别是△H),使机体本身呈现寒热温凉差异,从而形
成新的稳定有序状态,这可能是中药四性重要的作用机制之一,也可能是“寒者
热之,热者寒之”、“实者泻之,损者益之”等中医治法治则的作用机制之一.