本发明涉及一种通过熵变分析生物进化规律的方法，具体的涉及一种通过引入生物分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、生物材料有效熵变和自由熵变的计算、分析生物进化规律的方法。
背景技术：
1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热量总会自发的从热物体向冷物体流动，热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意可逆循环过程都都适用的一个公式：dS = dQ/T。
1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼在研究微观粒子运动统计现象的基础上采用统计学方法建立了熵函数：S=klnΩ，其中，Ω为系统微观粒子的微观状态数，k为玻尔兹曼常数。这个公式反映了熵函数的统计学意义，它将系统的宏观物理量S与微观物理量Ω联系起来，成为联系宏观与微观的重要桥梁之一。基于上述熵与热力学概率之间的关系，可以得出结论：系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀程度，系统的熵值越小，它所处的状态越是有序，越不均匀；系统的熵值越大，它所处的状态越是无序，越均匀。系统总是力图自发地从熵值较小的状态向熵值较大（即从有序走向无序）的状态转变，这就是隔离系统“熵增加原理”的微观物理意义。
1906年，德国物理学家、物理化学家瓦尔特·能斯特提出了热力学第三定律：在0K时任何完整晶体中的原子或微观粒子只有一种排列方式，即只有唯一的微观状态，其熵值为零。从熵值为零的状态出发，使体系变化到P=1.013×105Pa和某温度T，如果知道这一过程中的热力学数据，原则上可以求出过程的熵变值，它就是体系的绝对熵值。于是人们求得了各种物质在标准状态下的摩尔绝对熵值，简称标准熵，单位为kJ/mol。
在热力学中，熵是表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。对于可逆过程，熵增定义为dS = dQ/T，若过程是不可逆的，则dS > dQ/T，式中T为物质的热力学温度，dQ为熵增过程中物质吸收的热量。从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度，系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。
生物进化是指生物在变异、遗传与自然选择作用下的演变发展及物种淘汰和物种产生过程。地球上原来无生命，大约在30多亿年前，在一定的条件下，形成了原始生命，其后，生物不断的进化，直至今天世界上存在着170多万个物种。生物进化论的建立历经了一个充满争论但又不断发展的历史进程，基于比较解剖学、古生物学和胚胎发育重演律这三大经典证据，查尔斯·罗伯特·达尔文于1859年11月24日出版了《物种起源》，最早提出了生物进化论并论证了两个基本科学问题：第一，物种是可变的，生物是进化的；第二，自然选择是生物进化的动力。1865年孟德尔发现了基因的分离定律和独立分配定律，提出了生物遗传并不融合，遗传是以基因为单位分离地传递，随机地组合。1930年费歇发表了《自然选择的遗传理论》，1931年莱特发表了《孟德尔群体中的进化》，1932年荷尔登发表了《进化的动力》，这三本经典著作构成了现代进化论的理论基础。他们从理论上证明了，达尔文的进化论和孟德尔遗传理论不仅不互相冲突而且相辅相成。1942年朱利安·赫胥黎发表了《进化：现代综合》一书，综合了现代进化论在各个领域的研究成果，并被称为“现代综合学说”。1944年艾菲力证明了DNA是遗传物质，1953年华森和克里克提出了DNA的双螺旋结构模型，生物学从此进入了分子时代。分子生物学的研究和发展一方面为生物进化补充了重要的新证据，另一方面也使进化论的研究面临新的问题。1968年日本遗传学家木村资生根据蛋白质序列提出中性学说，认为在分子水平上生物进化不受自然选择的作用，而是按一定的速率进行对生物生存既无好处也无坏处的随机突变，有实验表明DNA序列的改变更符合中性学说，有关中性学说的正确性和适用范围至今仍然没有定论。目前，生物进化被分成了三个层次：微进化（生物群体中基因频率的改变）、新种生成和大进化（从一个类型到另一个类型的跃变）。现代综合学说完美地解释了微进化和新种生成，并认为由微进化和新种生成的研究所得的结果可以进一步推广到大进化。但是一些发育生物学家对这个推论表示怀疑，他们认为生物新类型的产生是在生物胚胎发育过程中基因突变的结果，胚胎发育时微小的突变可以导致成体的巨大变化。可以预见，随着发育生物学的发展越来越多的大进化难题将被解决，不久的将来就会出现综合了分子生物学、发育生物学等新学科研究成果的“分子综合”学说。
本申请的发明人经过近年来教学实践中对热力学中熵变规律深入细致的思考结合科研实践中对生物进化规律的潜心研究，设计了一种通过引入生物分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、生物材料有效熵变和自由熵变的计算、分析生物进化规律的方法，实践业已证实该方法是一种简便实用的分析生物进化规律的新方法。
技术实现要素：
本发明提供了一种通过熵变分析生物进化规律的方法，该方法包括生物分子有效体积和自由体积概念的引入、熵变函数的定义、有效熵变和自由熵变的计算、生物进化规律的分析等步骤。优选地，在通过熵变分析生物进化规律的步骤中还包括生物分子有效体积和自由体积概念的引入、熵变函数的定义与生物材料有效熵变和自由熵变的计算等步骤，经过上述对生物材料有效熵变和自由熵变的计算和分析可获得生物进化的规律。
鉴于生物进化规律急需一种简便实用的物理分析方法的现实需要，以生物材料（包括生物分子、亚细胞结构、细胞、组织、器官、生物个体、群体及种群）为研究对象，通过引入生物分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、生物材料有效熵变和自由熵变的计算，分析并获得生物进化的规律，并为结构生物学、分子生物学、细胞生物学、发育生物学、遗传学和进化生物学的研究和发展提供一种全新的分析方法和理论指导。
其中，生物分子有效体积和自由体积概念的引入是通过熵变分析生物进化规律最核心的科学问题，因此，生物分子的有效体积和自由体积如何定义和界定是通过熵变分析生物进化规律首先要解决的问题。生物分子的有效体积是指包含生物分子间及内外场对生物分子作用的空间体积，用 表示；生物分子的自由体积是指不受任何相互作用的生物分子自由活动的空间体积，用表示。对于一个生物材料由于每个生物分子间及内外场对生物分子作用都不同，每个生物分子的有效体积都将不相同，但每种生物分子的平均值即平均有效体积却是一定的，可以通过统计热力学的方法理论计算得到，同理每种生物分子的平均自由体积也是确定的，可以通过实验测得生物材料的总体积扣除每种生物分子的平均有效体积数学计算得到。影响生物分子有效体积的因素主要包括分子自身的物理化学性质、所处的生理环境以及各种内外场的作用，具体来说，一种生物分子所处的生理环境不同，由于生物分子间的相互作用不同，其有效体积和平均有效体积也将不同。此外，随着各种内外场对分子的作用不同，每种生物分子的有效体积和平均有效体积也将不同。总之，但凡是能改变生物分子间及内外场对生物分子作用的因素，都将改变生物分子的有效体积和平均有效体积，并引起生物材料的熵变。
熵变函数的定义是通过熵变分析生物进化规律的最关键因素，因此，怎样定义熵变函数直接决定了通过熵变分析生物进化规律的计算方法。基于玻尔兹曼熵函数：S =klnΩ，对于一个生物体，由于微观状态数Ω 取决于生物材料的总体积、单位体积、生物分子的种类n和每种生物分子的数目，因为单位体积是相对的，因此，熵也是一个相对的物理量。熵变函数被定义为：
式中，K，是玻尔兹曼常数，Ω, 是一个生物材料的微观状态数， J/mol∙K，是摩尔气体常数，是第i种生物分子的质量， 是第i种生物分子的摩尔质量，和 分别是第i种生物分子的任意两种状态的平均自由体积，和 分别是第i种生物分子的任意两种状态的平均有效体积，是有效熵变，是自由熵变。对于一个给定的生物材料，由于, 和 都是绝对的，因此，熵变也是绝对的物理量。
有效熵变和自由熵变的计算是通过熵变分析生物进化规律的重要环节，因此，有效熵变和自由熵变的计算显得尤为重要。基于一个生物材料中各种生物分子平均有效体积的理论计算、总体积的实验测定和平均自由体积的数学计算，分别代入熵变函数和，可以得到生物材料的有效熵变和自由熵变。
对生物进化规律的分析是本方法的最后环节。生物进化是在各种相互作用下从无机小分子到有机大分子、从有机大分子到亚细胞结构、从亚细胞结构到低等单细胞原核生物再到高等多细胞真核生物渐进演变发展及物种淘汰和物种产生的过程，可以分成三个层次即微进化、新种生成和大进化。现代地质学和地球物理学大致上都认为地球的天文年龄大约在45.4亿年，在如此漫长的时间跨度中生物材料在各历史时期各种显著不同的内外场协同作用下，逐渐从无机小分子聚合成有机大分子，从有机大分子逐渐形成亚细胞结构，从亚细胞结构渐进演变发展到低等单细胞原核生物，经过物种淘汰和物种产生最终大进化成多样性的高等多细胞真核生物。在生物进化的整个过程中，随着内外场相互作用的增大，生物分子的分子量和平均有效体积都将逐渐增大而平均自由体积将减小且，生物材料的熵变，从而引起生物分子的聚合并伴随着种类和数量的减少、构型和空间构象的显著改变，反之亦然，从分子层面表现为生物群体的全基因组随机突变和自然选择，从个体层面表现为遗传变异、从群体层面表现为新物种的生成而从种群层面表现为大进化；当生物分子间及内外场的相互作用达到某种动态平衡时，分子的平均有效体积达到某一临界值，平均自由体积也将不变，生物材料的熵变，生物分子的种类、数量、构型和空间构象将稳定不变，从分子层面表现为生物遗传基因序列的保守性及其它生物大分子构型、空间构象和功能的相对稳定性，从个体、群体和种群层面表现为生物的遗传稳定性。
生物进化规律是生物分子有序性和无序性两种倾向相互竞争决定的，相互作用是有序性的起因并引起熵减小，即；分子热运动是无序性的来源并引起自发的熵增加，即。通过熵变分析生物进化规律可以概括为：
I. 现代地质学和地球物理学大致上都认为地球的天文年龄大约在45.4亿年，在如此漫长的时间跨度中生物材料在各历史时期各种显著不同的内外场协同作用下，逐渐从无机小分子聚合成有机大分子，从有机大分子逐渐形成亚细胞结构，从亚细胞结构渐进演变发展到低等单细胞原核生物，经过物种淘汰和物种产生最终大进化成多样性的高等多细胞真核生物；
II. 在生物进化的整个过程中，随着内外场协同作用的增大，生物分子的分子量和平均有效体积都将逐渐增大而平均自由体积将减小且，生物材料的熵变，从而引起生物分子的聚合并伴随着种类和数量的减少、构型和空间构象的显著改变，反之亦然，从分子层面表现为生物基因的全基因组随机突变和自然选择，从个体层面表现为遗传变异、从群体层面表现为新物种的生成而从种群层面表现为多样性的生物大进化；
III. 当生物分子间及内外场的相互作用达到某种动态平衡时，分子的平均有效体积达到某一临界值，平均自由体积也将不变，生物材料的熵变，生物分子的种类、数量、构型和空间构象将稳定不变，从分子层面表现为生物遗传基因序列的保守性及其它生物大分子构型、空间构象和功能的相对稳定性，从个体、群体和种群层面表现为生物的遗传稳定性。
该方法业已在实践中验证，结果表明该方法是一种简便实用的分析生物进化规律的新方法。
具体实施方式
实施例 通过熵变分析生物进化规律的方法
通过熵变分析生物进化规律的方法包括生物分子有效体积和自由体积概念的引入、熵变函数的定义、生物材料有效熵变和自由熵变的计算、生物进化规律的分析几个步骤，基于上述熵变函数的定义、通过对生物材料有效熵变和自由熵变的计算和分析可获得生物进化的规律。
（1）、生物分子有效体积和自由体积概念的引入
生物分子的有效体积是指包含生物分子间及内外场对分子作用的空间体积，用表示；生物分子的自由体积是指不受任何相互作用的分子自由活动的空间体积，用表示。对于一个生物材料由于每种生物分子间及内外场对分子作用都不同，每种生物分子的有效体积都将不相同，但其平均值即平均有效体积却是一定的，可以通过统计热力学的方法理论计算得到，同理每种生物分子的平均自由体积也是确定的，可以通过实验测得生物材料的总体积扣除每种生物分子平均有效体积数学计算得到。
（2）、熵变函数的定义
熵变函数被定义为：
式中，K，是玻尔兹曼常数Ω, 是一个生物材料的微观状态数， J/mol∙K，是摩尔气体常数，是第i种生物分子的质量， 是第i种生物分子的摩尔质量，和 分别是第i种生物分子的任意两种状态的平均自由体积，和 分别是第i种生物分子的任意两种状态的平均有效体积， 是有效熵变，是自由熵变。
（3）、生物材料有效熵变和自由熵变的计算
基于步骤(1)中生物材料中各种生物分子平均有效体积的理论计算和平均自由体积的数学计算结果，分别代入熵变函数和，可以分别得到生物材料的有效熵变和自由熵变。
（4）、生物进化规律的分析
生物进化规律是生物分子有序性和无序性两种倾向相互竞争决定的，相互作用是有序性的起因并引起熵减小，即；分子热运动是无序性的来源并引起自发的熵增加，即。通过熵变分析生物进化规律可以概括为：
I. 现代地质学和地球物理学大致上都认为地球的天文年龄大约在45.4亿年，在如此漫长的时间跨度中生物材料在各历史时期各种显著不同的内外场协同作用下，逐渐从无机小分子聚合成有机大分子，从有机大分子逐渐形成亚细胞结构，从亚细胞结构渐进演变发展到低等单细胞原核生物，经过物种淘汰和物种产生最终大进化成多样性的高等多细胞真核生物；
II. 在生物进化的整个过程中，随着内外场协同作用的增大，生物分子的分子量和平均有效体积都将逐渐增大而平均自由体积将减小且，生物材料的熵变，从而引起生物分子的聚合并伴随着种类和数量的减少、构型和空间构象的显著改变，反之亦然，从分子层面表现为生物基因的全基因组随机突变和自然选择，从个体层面表现为遗传变异、从群体层面表现为新物种的生成而从种群层面表现为多样性的生物大进化；
III. 当生物分子间及内外场的相互作用达到某种动态平衡时，分子的平均有效体积达到某一临界值，平均自由体积也将不变，生物材料的熵变，生物分子的种类、数量、构型和空间构象将稳定不变，从分子层面表现为生物遗传基因序列的保守性及其它生物大分子构型、空间构象和功能的相对稳定性，从个体、群体和种群层面表现为生物的遗传稳定性。
通过上述具体的实施例，更容易理解本发明。上述实施例只是举例性的描述，而不应当被理解为用来限制本发明的范围。