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論文資訊
- 類型：工作論文
- 編號：工作論文 #522
- 日期：2026-03-18
摘要
電腦科學中的一個概念（稱為蘭道爾原理）提供了一種有用的方法來思考生物系統中代謝能量與資訊之間的關係。蘭道爾原理將資料流中的香農熵與熱流的熱熵聯繫起來，並斷言只有以電腦執行工作產生的熱量形式向環境中排放至少同樣多的熵，才能實現資料流中熵的減少（透過計算）。透過自然選擇建構的新陳代謝創建有序化學整體所產生的熵減少，對應於電腦科學中的數據熵減少。形式上相同的蘭道爾原理將代謝注入的化學訊息與排放到環境中的熱量以及細胞所需執行的化學功聯繫起來。當新陳代謝可逆地進行時，就達到了蘭道爾界，這是一種理想化的情況，在真實的細胞中，它受到酶在其催化反應和非催化反應之間產生無限的時間尺度分離的能力的限制。可逆極限的代謝可以圍繞著與熱機和冰箱的卡諾循環同構的循環進行組織。透過新陳代謝在不同化學勢上傳輸的粒子取代了卡諾引擎或冰箱在不同溫度下傳輸的熵。化學「卡諾循環」是新陳代謝的基本計算步驟，當它們的速率由自然選擇構建時，蘭道爾原理將消耗的總功與化學系統中從其吉布斯熱力學平衡產生的庫爾貝克-萊布勒散度聯繫起來。如果這個論點擴展到包括簡單的耗散模型，則可以在選擇性適應度函數的結構、生物量中維護的資訊以及維持其免於耗散降解所需的代謝工作之間獲得關係。