牛精液冷凍機理的探討

鄧福金，王化青，吳慶榮

隨著對低溫生物學(xué)理論研究的深入，相關(guān)學(xué)科的關(guān)聯(lián)和影響日益密切，生物冷凍技術(shù)與其他學(xué)科的融合成為近些年來研究的方向［1］，特別是非線性耗散結(jié)構(gòu)理論的快速發(fā)展［2］，使我們突破以往微晶學(xué)說和玻璃態(tài)學(xué)說的思維，進一步探討精液冷凍的本質(zhì)。

由于精液冷凍受到容器內(nèi)諸如冷源溫度、氣相攪動和冷凍數(shù)量等復(fù)雜因素的影響，其粒子流動行為呈現(xiàn)高度的無規(guī)律性、隨機性和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，是非線性瞬態(tài)系統(tǒng)。如果采用傳統(tǒng)的微晶 學(xué)說和玻璃態(tài)學(xué)說，不能深入地從本質(zhì)上揭示精液多相動態(tài)的、非線性的多相流動及能量傳遞和熵變機制。因此，引入非線性耗散結(jié)構(gòu)理論探討精液冷凍機理是十分必要的。

1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)與特性

從物理學(xué)概念，物質(zhì)有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種，更確切地說，固態(tài)又分為“結(jié)晶態(tài)”和“玻璃態(tài)”。從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)來看，氣體分子運動是雜亂的，彼此各不相關(guān)；結(jié)晶態(tài)物質(zhì)分子在空間是按照一定的幾何學(xué)圖式排列的，而且彼此相聯(lián)；玻璃態(tài)物質(zhì)分子在空間沒有任何特殊規(guī)律而分布著；而液體是介于氣體和固體之間的物態(tài)。玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)不同之處，玻璃態(tài)在一切方向都是相同的，具有各相同性；而結(jié)晶態(tài)則絕不是都相同的，具有各相異性［3］。當溫度升高時，液體分子運動加速，其結(jié)構(gòu)與氣體接近；當溫度下降時，液體分子運動減慢，其結(jié)構(gòu)趨向于穩(wěn)定，與結(jié)晶體近似；當降溫達到一定速率時，液體分子結(jié)構(gòu)與玻璃態(tài)近似［4］。玻璃態(tài)是一種非結(jié)晶的固態(tài)，其性質(zhì)更接近于液態(tài)。玻璃態(tài)分子間的作用和液態(tài)相比無明顯的變化，玻璃態(tài)物質(zhì)與液體同屬于“近程有序，遠程無序”的結(jié)構(gòu)，而且比液體“近程有序”的程度更高［5］。

2 自組織、耗散結(jié)構(gòu)和序

2.1 自組織

在熱傳導(dǎo)狀態(tài)下，液體分子在各個方向上做雜亂運動，通過無規(guī)則碰撞傳遞能量。而在對流狀態(tài)下，大量液體分子被組織起來參加了統(tǒng)一運動，能量正是通過這種宏觀的對流得到更有效傳遞。而在對流過程中，液體在空間的對稱性被打破了，整齊的組織在無序的熱運動中產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫做自組織現(xiàn)象。當對流發(fā)生時，水平面上產(chǎn)生了對稱性破缺，不同部分的流體呈現(xiàn)不同的宏觀流速，這種不同而又有規(guī)則地運動形成了宏觀的有序流動，是系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)生的。在微觀系統(tǒng)的組織行為中，對稱性破缺的序不包含在外部環(huán)境中，而根源在于系統(tǒng)的內(nèi)部，外部的特定環(huán)境只是提供觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生這種序的條件，所有這種自發(fā)形成的序或組織被稱為自組織。

2.2 耗散結(jié)構(gòu)

一個遠離平衡的開放系統(tǒng)，當外界條件達到某一閥值，量變可能引起質(zhì)變，系統(tǒng)通過與外界交換物質(zhì)和能量，自動產(chǎn)生自組織現(xiàn)象，組成系統(tǒng)的各子系統(tǒng)形成相互協(xié)同作用，達到新的平衡狀態(tài)，這種在非平衡狀態(tài)下形成的新的平衡態(tài)結(jié)構(gòu)就叫做耗散結(jié)構(gòu)。

2.3 序的概念

自然界中的各種事物都具有某種對稱性，對稱性是指事物的某種屬性經(jīng)過一定的變換仍保持不變的性質(zhì)。事物之間或事物內(nèi)部各個要素之間的關(guān)系具有一定的次序稱為序。有序意味著在某些方面的對稱性減少或?qū)ΨQ性破缺，無序意味著在某些方面具有更多的對稱性，系統(tǒng)的對稱性越高，有序度越低。

3 精液冷凍過程中的熵與有序結(jié)構(gòu)

3.1 熵與有序結(jié)構(gòu)

稀釋后的精液是由大量粒子組成的，我們把大量粒子對應(yīng)于每一宏觀分布的排列叫做熵，均勻分布具有最大的熵。對于開放系統(tǒng)，既要考慮系統(tǒng)內(nèi)部熵的產(chǎn)生，又要考慮系統(tǒng)與外界之間熵的交換。系統(tǒng)熵的變化等于系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的熵與系統(tǒng)與外界之間的熵交換之和。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，要求系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的熵小于或等于零，而系統(tǒng)與外界的熵交換可正、可負，也可為零。在系統(tǒng)與外界的熵交換小于零的情況下，只要負熵流足夠強，即可抵消掉系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的熵，還能減少系統(tǒng)的總熵，從而使系統(tǒng)進入相對有序狀態(tài)，即系統(tǒng)通過自發(fā)的對稱性破缺，從無序進入有序的耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)［6］。

3.2 精液冷凍過程熵和結(jié)構(gòu)的變化

精液冷凍是指精液從平衡溫度的液相轉(zhuǎn)變?yōu)椋?30℃以下固相的過程。精液首先從無序穩(wěn)定的平衡態(tài)過渡到相對有序的近平衡線性區(qū)，此時精液溫度達到冰點溫度，精液處于液固兩相平衡狀態(tài)。然而，當精液溫度繼續(xù)下降，越過冰點后系統(tǒng)的最終狀態(tài)如何，即系統(tǒng)熵和結(jié)構(gòu)的變化完全取決于精液的降溫速率。精液冷凍過程系統(tǒng)熵的變化用公式表示ds＝dis＋des。其中，dis表示精液自身熵的變化，des表示精液與冷源之間進行的熵的交換，即冷源向系統(tǒng)內(nèi)注入的負熵流。精液冷凍過程系統(tǒng)熵和結(jié)構(gòu)變化有如下三種情況。

3.2.1 熵變小于零 當精液以較快的降溫速率冷凍時，冷源向系統(tǒng)內(nèi)注入負熵流的速率大于精液自身熵減少的速率，用公式表示ds＝dis＋des＜0。這種情況下，由于系統(tǒng)熵不守恒，精液相變后雖然形成了有序結(jié)構(gòu)的固態(tài)，但這種有序結(jié)構(gòu)不是系統(tǒng)通過自組織作用自發(fā)產(chǎn)生的，而是多余的負熵流引起系統(tǒng)對稱性破缺形成的，因而造成對精子結(jié)構(gòu)的損傷。

3.2.2 熵變大于零 當精液以較慢的降溫速率冷凍時，精液自身熵變的速率大于精液與冷源之間熵流交換的速率，即冷源向系統(tǒng)內(nèi)注入負熵流的速率小于精液自身熵減少的速率，用公式表示ds＝dis＋des＞0。這種情況下，由于系統(tǒng)熵不守恒，雖然其中一部分粒子通過自組織作用形成新的有序結(jié)構(gòu)，但另一部分粒子則形成混亂的無序結(jié)構(gòu)，同樣引起系統(tǒng)對稱性破缺，造成對精子結(jié)構(gòu)的損傷。

3.2.3 熵變等于零 當精液以適宜的降溫速率冷凍時，精液熵減少的速率接近于精液與冷源之間熵流交換的速率，即冷源向系統(tǒng)內(nèi)注入負熵流的速率，用公式表示ds＝dis＋des≈0。這種情況下，由于系統(tǒng)熵變趨近于零，精液越過冰點時，大量的粒子從無序的熱運動中有規(guī)則地自發(fā)地組織起來，形成宏觀的有序流動，使絕大部分粒子通過自組織作用形成完全有序的耗散結(jié)構(gòu)，從而達到對精子的保護作用。

4 結(jié)語

1）普利高津從任何系統(tǒng)實際上都和外界環(huán)境有一定的相互聯(lián)系和相互作用的觀點出發(fā)，找到了從無序狀態(tài)過渡到新的有序狀態(tài)的途徑。一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，有可能通過從外界吸取負熵流的辦法來抵償系統(tǒng)本身內(nèi)部的熵產(chǎn)生，使系統(tǒng)總的熵的變化為零，甚至為負值。在不違反熱力學(xué)第二定律的條件下，把物理學(xué)的規(guī)律與生物學(xué)的發(fā)展規(guī)律有機地統(tǒng)一起來，使耗散結(jié)構(gòu)理論成為生物學(xué)的理論基礎(chǔ)之一［7］。

2）首次把精液冷凍系統(tǒng)作為一個熱力學(xué)系統(tǒng)，建立了研究精液冷凍系統(tǒng)兩相運動規(guī)律的新概念和新的方法體系，精液冷凍系統(tǒng)作為一個與環(huán)境有能質(zhì)交換和能量耗散的開放系統(tǒng)，是一個具有非線性動力學(xué)機制的多相流系統(tǒng)。

3）牛精液冷凍機理的研究是極其復(fù)雜的，它具有形成耗散結(jié)構(gòu)的條件。一個復(fù)雜系統(tǒng)的演化過程能否用耗散結(jié)構(gòu)理論來研究，重要的是能否找出一組能定量描述系統(tǒng)演化的變量。隨著人們對各種現(xiàn)象認識的深入，運用耗散結(jié)構(gòu)理論來討論的問題也越來越多。因此，在已有理論和實驗研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用耗散結(jié)構(gòu)理論揭示精液冷凍機理具有重要的指導(dǎo)作用。

4）在討論系統(tǒng)從平衡態(tài)到近平衡態(tài)乃至遠離平衡態(tài)的發(fā)展過程中，總結(jié)出結(jié)構(gòu)的有序和無序、平衡和非平衡、穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律，使熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)發(fā)展到一個新的階段，更好地說明了生命現(xiàn)象。

［1］戴維森，哈里森.流態(tài)化［M］.科學(xué)出版社，1981.

［2］沈小峰，胡 崗，姜 路.耗散結(jié)構(gòu)理論［M］.上海人民出版社，1987.

［3］楊學(xué)時.低溫生物學(xué)的理論概述［D］.全國牛冷凍精液國家標準培訓(xùn)班技術(shù)輔導(dǎo)教材，1985，7.

［4］張堅中，徐鐵錚.家畜冷凍精液［M］.中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1988，2.

［5］馬學(xué)虎，孫冰冰，等.細胞及玻璃化冷凍保護劑顯微實驗研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報，2005，7：4.

［6］李如生.非平衡態(tài)熱力學(xué)和耗散結(jié)構(gòu)［M］.北京清華大學(xué)出版社，1986，4.

［7］普利高津.從存在到演化［M］.上海科學(xué)技術(shù)出版社，1986.