[论文解读] Thermodynamic Mechanism of Life and Aging

Marko Popovic|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2018

Genetics, Aging, and Longevity in Model Organisms参考文献 21被引用 4

一句话总结

本文提出，生物体的衰老本质上是一种由熵增驱动的热力学过程，生命在受精时即形成一个新的热力学系统。文章认为，熵的累积——最初源于生长，后期则源于分子损伤（如自由基、脂褐质）——在数量上决定了所有形式的衰老（时间性、生物学性、热力学性），从而在单一热力学框架下统一了生物学衰老与物理衰老。

ABSTRACT

Life is a complex biological phenomenon represented by numerous chemical, physical and biological processes performed by a biothermodynamic system/cell/organism. Both living organisms and inanimate objects are subject to aging, a biological and physicochemical process characterized by changes in biological and thermodynamic state. Thus, the same physical laws govern processes in both animate and inanimate matter. All life processes lead to change of an organism's state. The change of biological and thermodynamic state of an organism in time underlies all of three kinds of aging (chronological, biological and thermodynamic). Life and aging of an organism both start at the moment of fertilization and continue through entire lifespan. Fertilization represents formation of a new organism. The new organism represents a new thermodynamic system. From the very beginning, it changes its state by changing thermodynamic parameters. The change of thermodynamic parameters is observed as aging and can be related to change in entropy. Entropy is thus the parameter that is related to all others and describes aging in the best manner. In the beginning, entropy change appears as a consequence of accumulation of matter (growth). Later, decomposition and configurational changes dominate, as a consequence of various chemical reactions (free radical, decomposition, fragmentation, accumulation of lipofuscin-like substances...).

研究动机与目标

• 建立一个统一的热力学框架，以理解生物系统与非生物系统中的生命与衰老。
• 确定熵作为描述生物体衰老的核心参数。
• 解释相同的物理定律如何支配动植物与非生物物质的衰老过程。
• 分析从生长驱动的熵增向损伤驱动的熵累积转变的机制。
• 证明受精标志着一个新热力学系统的形成，其演化定义了生命与衰老。

提出的方法

• 将生物体自受精时刻起建模为一个封闭的热力学系统。
• 以时间演变为轴线追踪热力学参数（尤其是熵）的变化，作为衰老的核心度量。
• 区分熵增的两个阶段：早期生长阶段（物质积累）与后期衰退阶段（分子损伤）。
• 识别关键生物过程（如自由基反应、分子断裂、脂褐质积累）为衰老后期熵增的主要贡献者。
• 将统计力学与非平衡热力学原理应用于生物系统。
• 以熵作为统一参数，连接时间性、生物学性与热力学性衰老。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何运用热力学原理描述生物体的衰老？
• RQ2 熵在统一时间性、生物学性与热力学性衰老中扮演何种角色？
• RQ3 为何生物与非生物系统在相同的物理定律下均会发生衰老？
• RQ4 在不同寿命阶段，主导熵增的物理过程是什么？
• RQ5 受精时新生物体的启动如何定义一个具有独特衰老轨迹的新热力学系统？

主要发现

• 生物体的衰老本质上是由熵增主导的热力学过程。
• 熵增最初源于生长过程中的物质积累，后期则转向自由基反应、脂褐质积累等分子损伤过程。
• 支配非生物物质衰老的物理定律同样适用于生物体，从而统一了生物学衰老与物理衰老。
• 受精标志着一个新热力学系统的形成，其衰老轨迹由熵的演化定义。
• 熵是描述三种衰老形式（时间性、生物学性、热力学性）最全面的参数。
• 衰老过程中从生长阶段向衰退阶段的转变，体现为熵产生机制从生物合成的正熵生成，转变为降解与断裂导致的熵生成。