发现信息能，利用信息能（2）

陈雨思

    (四川大学,电子信箱  chenyusi5225@yeah.net)

2001年8月公布于 http://entropy.com.cn

4. 信息子作用与变构区

信息子作用通常是一种变构作用，这是通过信息子作用于系统的变构区来实现的。在《信息定义与信息的本质》一文中，作者已经对系统变构区进行了讨论。指出∶在受到信息作用后，能够产生变构作用的系统区域称为变构区。并且探讨了变构区的普遍性。下面进一步对变构区类型进行讨论。

在整个自然界的发展过程中，由于系统不断地从低级到高级，即由无机系统、有机系统、直到人类。而人类又创造出不同的人工系统。则相应的系统变构区亦进行着不断变化。

考虑到本文目的，下面不做全面论述，而仅指出几类变构区。

无机自然系统的变构区不具有专门化的特点。它仅仅是系统处于某种环境中的某种状态时，在系统中存在一个或几个作用点。使得当某信息子作用于它时，易于引起状态的改变。

在人工系统中，变构区具有专门化特点。如改变方向的方向盘和控制质、能变化的开关。

再一类极其重要的变构区是化学反应过程中的变构区。据过渡状态理论，每一个反应体系总是沿着它所能选择的最省力的一条反应途径进行反应。这条反应途径相应于反应体系位能面上的一条狭谷。但在这条反应途径上，一般还得越过一个(或主要的一个)位能高坡。即狭谷中位能最高的地方。处在这个位能高坡顶峰的反应体系，称为该体系的过渡状态，或过渡状态活化络合物。若以绝对温标的零度进行能量高低的比较，则过渡状态与始态，终态的能量差分别就是正向，逆向反应的活化能。这个原理的重要性有两点：(1) 存在一个狭谷，也就是有一个系统反应的变构区，在这里改变运动状态较容易；(2) 在这个变构区中有一个(或主要的一个)位能高坡，这相当于闸门或“开关”，而催化剂的作用，就在于降低这个位能高坡，也就是在一定程度上打开了这个“开关”。

不仅物理、化学现象中普遍存在着变构区，而且随着化学的结构愈来愈复杂，这种变构区还要向专门化的开关方向发展，发展的基础就是催化作用的存在。如生物中的酶是一种高级催化剂。它具有专门的活性部位和专一部位。使酶能够执行专一的催化功能。这是化学变构区开关控制的高级形式。

变构区向专门化的开关方向发展，其典型即是生物电现象中的开关作用。

生物学证明：在细胞的膜内外存在着电位差，膜外电位较高，带正电；膜内电位较低，带负电。称为极化状态。当神经纤维受到刺激的局部发生兴奋时，此部位原来的极化状态消失，产生动作电位。此动作电位与其余未兴奋部位之间形成电位差，向前传导，形成神经冲动。

这种动作电位是怎样产生的呢?

实验指出：细胞外的主要成分为带正电的Na和带负电的Cl；细胞内主要为带正离子K和带负电荷的大分子有机物。在静息状态下，膜对 K有较大的通透性。对Na的通透性很差。对大分子有机物则不能透过。膜内带正电荷的K浓度比膜外高，故K流出。而带负电的大分子有机物却不能随之向膜外流出。膜外高浓度的Na因膜对其通透性差而不能流入膜内，这就形成膜外为正，膜内为负的电位差。

当神经纤维受到刺激时，膜的通透性立即发生改变，对Na的通透性突然增加，膜外高浓度Na快速内流，形成“除极”，产生动作电位中锋电位的上升支。随后膜对Na的通透性又复下降，而对K的通透性迅速增加，K快速外流，恢复极化态，形成动作电位下降支，构成复极。

通透性的改变说明在膜上存在一个“闸门”或“开关”，当受到刺激后，使膜上的Na通道蛋白的结构发生改变，开放了控制Na通道的“闸门”而引起Na通透性增加，除极相出现后又可关闭Na通道“闸门”，继而使K通道蛋白的结构发生改变而打开K通道的“闸门”。于是，K外流增加而形成动作电位的复极相。通过上述兴奋过程后，膜内Na有所增加，K有所减少，静息时可借新陈代谢所释放的能量并依赖于钠—钾泵(特殊蛋白质)将膜内的Na主动转运到膜外，并回收 K入膜内。

生命活动的这个基本现象，说明在一个细胞中存在专门化的变构区——膜上的特殊蛋白，它是通过开关作用而完成运动状态的改变的，而刺激就是打开开关的信息子。

同一个系统中可存在有几类变构区，它们执行着各自的任务，分工愈专门化，则其控制功能愈强。但其最高级的形式是开关(方向盘亦可看作广义的开关)。因为它直接导致物质，能量转化状态的改变。

总之，无论物理、化学还是生物系统，都存在着变构区。

地球也有变构区。而天体系统也是可能存在变构区的。

5. 系统变化路线与变构区选择

在《信息定义与信息的本质》一文中，作者已指出信息作用具有三个要素，即信息性质、对象性质、作用区性质。简称信息、对象、作用区。要对信息能进行描述，必须涉及这些问题，以下分别讨论。

5.1信息子作用的多样性

通常，在特定信息子作用下，系统都会发生或多或少的变化，但是，系统变化的具体情况除了与信息子性质相关而外，还与信息子的作用部位、作用时间、作用方向、作用形式相关。

现假设系统在某状态时，受到某信息子的作用，则系统可能从该状态变化到另一状态，如果作用部位、作用时间、作用方向、作用形式不同，则系统可能从该状态变化到各种不同的状态。即同样信息子可使系统产生完全不同的状态变化。

例如：用同样的力推门，施力于门轴则不易推动，施力于门边则易于推动。再拿控制系统来说，如果控制讯号作用于控制开关，则它能够引起控制系统发生变化，如果作用于控制系统的其他地方，它就只能是一段普通的电波、声波或电压，而对系统影响甚微。空气中充满着无线电波，然而只有收音机的接收系统能够收到它。光对人眼作用灵敏，声对人耳作用灵敏。可见同一性质的信息子对系统作用方式不同，其导致的状态变化是不一样的。

5.2 系统变化路线

如果一个系统在一些信息子的作用下可以从A状态(或状态集合)出发，经过A1、A2、…An状态(或状态集合)达到最终状态(或状态集合)B，则A、A1、A2、…An、B就构成一条系统变化路线。

5.3 系统变化路线对信息子作用的约束

如果系统从A状态(或状态集合)达到最终状态(或状态集合)B的每个步骤都有信息子作用(信息子不一定相同)，要使系统从A状态(或状态集合)达到最终状态(或状态集合)B，则这些信息子作用必须满足这样的要求，即作用结果至少是使系统状态处于系统变化路线之上。而进一步要求则是，信息子作用不仅要使系统状态处于系统变化路线之上，而且必须使系统状态向最终状态(或状态集合)B变化。

5.4 信息子对于作用的选择

为了使系统状态始终处于系统变化路线之上并且向最终状态(或状态集合)B变化，信息子必须对于作用部位、作用时间、作用方向、作用形式进行选择。如果信息子不具有选择能力，则它只能靠随机碰撞。假设可供选择的作用部位、作用时间、作用方向、作用形式共有Qi种，可使系统状态处于系统变化路线之上并且向最终状态(或状态集合)B变化的有效选择有qi种，则信息子选择到这qi种当中一种的可能性是Pi= qi/ Qi，因为从A状态(或状态集合)达到最终状态(或状态集合)B共经历N个步骤，而每个步骤都有信息子作用，故可使系统状态处于系统变化路线之上的有效选择的可能性是p1、p2、...pn。应该强调, p1、p2、...pn不满足归一化条件。

例如∶在化学反应中，每秒钟每升体积内分子碰撞数达到10的32次方，即Q=10的32次方，而能够产生化学反应的有效碰撞很小，设为y次，则Pi=y÷10的32次方。若化学反应有n步，则达到最终反应结果的有效选择并且向最终状态(或状态集合)B变化的可能性是p1、p2、...pn。

6. 信息能公式

现在来导出信息能计算公式(略)。

现举个例子来使我们对信息能有个直观印象。

假设写一篇1000字的文章，用字从10000字的字典中任选，则可能组成的文章为10的400次方篇。

设每组成一篇文章需耗能量x千焦，如果由一个仅会拼积木的小朋友来组成某篇文章，它只能从10000字的字典中选字来一篇篇组合，其可能组合的文章有10的400次方篇，则它可能消耗x乘以10的400次方千焦能量，这是他要克服的信息能阻抗，是一个天文数字。

但若由一个写文章高手来写，仅耗2小时，耗能y，则其拥有的信息能为10的400次方千焦能量减去y。

以下就一些具体情况进行信息能分析(略)。

7.信息能发现对系统科学研究的价值

信息能发现对系统科学研究的价值是多方面的，以下仅指出其中几个重要方面。

7.1 信息能壁垒与熵垒

在系统科学中，没有比不可逆性更重要的概念了。热力学第二定律之所以是个不等式，表明的就是孤立系统运动的不可逆性；开放系统运动如果不具有不可逆性，则生物和人就谈不上进化；表征事物运动顺序的时间如果不具有不可逆性，则地球、星系、宇宙的演化都是不可想象的。那么，为什么系统运动具有不可逆性呢？普里戈金指出，存在一个熵垒，使系统运动具有不可逆性。所谓熵垒，是指系统向逆方向运动的概率趋于零。

但是，为什么系统向逆方向运动的概率趋于零呢？系统运动可逆和不可逆的判别标准是什么呢？在信息能概念建立之后，这个问题得到了解答∶

1.系统运动是否可逆，由系统运动的信息能阻抗值决定。

2.系统运动不可逆的原因是系统向逆方向运动的信息能阻抗趋于无穷，或者说存在一个无穷信息能壁垒，阻止系统向逆方向运动。

3.系统运动通常指向信息能阻抗值较小的方向。

7.2 开放系统稳定和发展的判断

在孤立系统中，人们用熵来判断系统运动的方向，但在一个开放系统中，熵能不能用来判断系统运动的方向呢？普里戈金学派提出了熵流和熵产生等概念，试图解决这个问题，但结论是必须考虑动力学。

信息能与信息能阻抗概念的建立，为应用动力学分析来判断开放系统的稳定和发展提供了前提。

在一个开放系统中，信息能与信息能阻抗是开放系统稳定和发展的两个方面，它们对于开放系统的稳定和发展起的作用是复杂的，要根据具体情况进行动力学分析。但是，存在一个总的趋势∶

1.若系统拥有的信息能很大而信息能阻抗很小时，系统发展能力很大，但系统将是不稳定的。

2.若系统拥有的信息能很小而信息能阻抗很大时，系统将是稳定的，但系统发展能力很小。

3.若系统拥有的信息能和信息能阻抗都比较大，则系统不仅发展能力比较大，而且系统也将是比较稳定的。

信息能与信息能阻抗在系统中往往是共轭的，信息能的拥有，往往意味着信息能阻抗的突破，如果大量信息能阻抗被破坏，系统稳定将受到威胁。为了系统稳定，就必须重建信息能阻抗。

7.3系统基本要素的重新审视

人们普遍认为，系统中存在物质、能量、信息三个基本要素。在《系统结构与系统三象》一文中，本文作者将三者联系起来，提出了系统三象理论。而信息能的发现则进一步加深了我们对于物质、能量、信息的理解。

由前面讨论可知，能量是运动的一种量度，而信息能也是运动的一种量度，可见运动的量度是有结构的，这种结构并非单指“量”的结构，而更重要的是指“质”的结构。从差异、联系和相互作用角度来看，物质、能量、信息都是有结构的，这样，我们就可以从各种质的侧面来对物质、能量、信息进行界定，从而对于复杂系统给以更深刻的描述。

8.信息能的开发和利用

信息能的开发和利用涉及人类活动的所有方面。今天，人类在生存和发展中遇到的大量问题，如∶生态系统的多样性保持；人体健康和长寿；企业的生存和发展；经济可持续发展问题；环境保护问题；饥荒、灾害、瘟疫、贫富悬殊问题等等，都涉及到信息能的开发和利用。我们将在另文中加以讨论。

应当强调指出，当前，信息能开发和利用中的盲目和无序，已经给人类带来了一系列严重问题，应该引起全人类高度重视。

信息能的无序开发和滥用，使大量信息能壁垒遭到破坏(这种破坏无论在宏观领域还是微观领域，也无论在无机、有机，生物、生命领域还是在精神领域，都是十分严重的)，而新的信息能壁垒却没有很好建立起来，我们生存的这个地球正受到严重威胁，我们的生存正受到严重威胁。

为了人类和地球的生存和发展，必须结束信息能的无序开发和滥用。

为了人类和地球的生存和发展，必须重建信息能壁垒。

为了人类和地球的生存和发展，必须合理地开发和利用信息能。

参考文献

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16 陈雨思. 信息定义与信息的本质.<<熵·信息·复杂性>>网站,2001.

17 中国大百科全书图文数据光盘.哲学卷.北京：中国大百科全书出版社，1999.

(四川大学,电子信箱  chenyusi5225@yeah.net)