牛精液冷冻机理的探讨

邓福金，王化青，吴庆荣

随着对低温生物学理论研究的深入，相关学科的关联和影响日益密切，生物冷冻技术与其他学科的融合成为近些年来研究的方向［1］，特别是非线性耗散结构理论的快速发展［2］，使我们突破以往微晶学说和玻璃态学说的思维，进一步探讨精液冷冻的本质。

由于精液冷冻受到容器内诸如冷源温度、气相搅动和冷冻数量等复杂因素的影响，其粒子流动行为呈现高度的无规律性、随机性和结构不稳定性，是非线性瞬态系统。如果采用传统的微晶 学说和玻璃态学说，不能深入地从本质上揭示精液多相动态的、非线性的多相流动及能量传递和熵变机制。因此，引入非线性耗散结构理论探讨精液冷冻机理是十分必要的。

1 物质结构与特性

从物理学概念，物质有气态、液态和固态三种，更确切地说，固态又分为“结晶态”和“玻璃态”。从物质的分子结构来看，气体分子运动是杂乱的，彼此各不相关；结晶态物质分子在空间是按照一定的几何学图式排列的，而且彼此相联；玻璃态物质分子在空间没有任何特殊规律而分布着；而液体是介于气体和固体之间的物态。玻璃态和结晶态不同之处，玻璃态在一切方向都是相同的，具有各相同性；而结晶态则绝不是都相同的，具有各相异性［3］。当温度升高时，液体分子运动加速，其结构与气体接近；当温度下降时，液体分子运动减慢，其结构趋向于稳定，与结晶体近似；当降温达到一定速率时，液体分子结构与玻璃态近似［4］。玻璃态是一种非结晶的固态，其性质更接近于液态。玻璃态分子间的作用和液态相比无明显的变化，玻璃态物质与液体同属于“近程有序，远程无序”的结构，而且比液体“近程有序”的程度更高［5］。

2 自组织、耗散结构和序

2.1 自组织

在热传导状态下，液体分子在各个方向上做杂乱运动，通过无规则碰撞传递能量。而在对流状态下，大量液体分子被组织起来参加了统一运动，能量正是通过这种宏观的对流得到更有效传递。而在对流过程中，液体在空间的对称性被打破了，整齐的组织在无序的热运动中产生，这种现象叫做自组织现象。当对流发生时，水平面上产生了对称性破缺，不同部分的流体呈现不同的宏观流速，这种不同而又有规则地运动形成了宏观的有序流动，是系统内部自发产生的。在微观系统的组织行为中，对称性破缺的序不包含在外部环境中，而根源在于系统的内部，外部的特定环境只是提供触发系统产生这种序的条件，所有这种自发形成的序或组织被称为自组织。

2.2 耗散结构

一个远离平衡的开放系统，当外界条件达到某一阀值，量变可能引起质变，系统通过与外界交换物质和能量，自动产生自组织现象，组成系统的各子系统形成相互协同作用，达到新的平衡状态，这种在非平衡状态下形成的新的平衡态结构就叫做耗散结构。

2.3 序的概念

自然界中的各种事物都具有某种对称性，对称性是指事物的某种属性经过一定的变换仍保持不变的性质。事物之间或事物内部各个要素之间的关系具有一定的次序称为序。有序意味着在某些方面的对称性减少或对称性破缺，无序意味着在某些方面具有更多的对称性，系统的对称性越高，有序度越低。

3 精液冷冻过程中的熵与有序结构

3.1 熵与有序结构

稀释后的精液是由大量粒子组成的，我们把大量粒子对应于每一宏观分布的排列叫做熵，均匀分布具有最大的熵。对于开放系统，既要考虑系统内部熵的产生，又要考虑系统与外界之间熵的交换。系统熵的变化等于系统内部产生的熵与系统与外界之间的熵交换之和。根据热力学第二定律，要求系统内部产生的熵小于或等于零，而系统与外界的熵交换可正、可负，也可为零。在系统与外界的熵交换小于零的情况下，只要负熵流足够强，即可抵消掉系统内部产生的熵，还能减少系统的总熵，从而使系统进入相对有序状态，即系统通过自发的对称性破缺，从无序进入有序的耗散结构状态［6］。

3.2 精液冷冻过程熵和结构的变化

精液冷冻是指精液从平衡温度的液相转变为－130℃以下固相的过程。精液首先从无序稳定的平衡态过渡到相对有序的近平衡线性区，此时精液温度达到冰点温度，精液处于液固两相平衡状态。然而，当精液温度继续下降，越过冰点后系统的最终状态如何，即系统熵和结构的变化完全取决于精液的降温速率。精液冷冻过程系统熵的变化用公式表示ds＝dis＋des。其中，dis表示精液自身熵的变化，des表示精液与冷源之间进行的熵的交换，即冷源向系统内注入的负熵流。精液冷冻过程系统熵和结构变化有如下三种情况。

3.2.1 熵变小于零 当精液以较快的降温速率冷冻时，冷源向系统内注入负熵流的速率大于精液自身熵减少的速率，用公式表示ds＝dis＋des＜0。这种情况下，由于系统熵不守恒，精液相变后虽然形成了有序结构的固态，但这种有序结构不是系统通过自组织作用自发产生的，而是多余的负熵流引起系统对称性破缺形成的，因而造成对精子结构的损伤。

3.2.2 熵变大于零 当精液以较慢的降温速率冷冻时，精液自身熵变的速率大于精液与冷源之间熵流交换的速率，即冷源向系统内注入负熵流的速率小于精液自身熵减少的速率，用公式表示ds＝dis＋des＞0。这种情况下，由于系统熵不守恒，虽然其中一部分粒子通过自组织作用形成新的有序结构，但另一部分粒子则形成混乱的无序结构，同样引起系统对称性破缺，造成对精子结构的损伤。

3.2.3 熵变等于零 当精液以适宜的降温速率冷冻时，精液熵减少的速率接近于精液与冷源之间熵流交换的速率，即冷源向系统内注入负熵流的速率，用公式表示ds＝dis＋des≈0。这种情况下，由于系统熵变趋近于零，精液越过冰点时，大量的粒子从无序的热运动中有规则地自发地组织起来，形成宏观的有序流动，使绝大部分粒子通过自组织作用形成完全有序的耗散结构，从而达到对精子的保护作用。

4 结语

1）普利高津从任何系统实际上都和外界环境有一定的相互联系和相互作用的观点出发，找到了从无序状态过渡到新的有序状态的途径。一个远离平衡态的开放系统，有可能通过从外界吸取负熵流的办法来抵偿系统本身内部的熵产生，使系统总的熵的变化为零，甚至为负值。在不违反热力学第二定律的条件下，把物理学的规律与生物学的发展规律有机地统一起来，使耗散结构理论成为生物学的理论基础之一［7］。

2）首次把精液冷冻系统作为一个热力学系统，建立了研究精液冷冻系统两相运动规律的新概念和新的方法体系，精液冷冻系统作为一个与环境有能质交换和能量耗散的开放系统，是一个具有非线性动力学机制的多相流系统。

3）牛精液冷冻机理的研究是极其复杂的，它具有形成耗散结构的条件。一个复杂系统的演化过程能否用耗散结构理论来研究，重要的是能否找出一组能定量描述系统演化的变量。随着人们对各种现象认识的深入，运用耗散结构理论来讨论的问题也越来越多。因此，在已有理论和实验研究基础上，应用耗散结构理论揭示精液冷冻机理具有重要的指导作用。

4）在讨论系统从平衡态到近平衡态乃至远离平衡态的发展过程中，总结出结构的有序和无序、平衡和非平衡、稳定和不稳定之间的相互转化规律，使热力学和统计物理学发展到一个新的阶段，更好地说明了生命现象。

［1］戴维森，哈里森.流态化［M］.科学出版社，1981.

［2］沈小峰，胡 岗，姜 路.耗散结构理论［M］.上海人民出版社，1987.

［3］杨学时.低温生物学的理论概述［D］.全国牛冷冻精液国家标准培训班技术辅导教材，1985，7.

［4］张坚中，徐铁铮.家畜冷冻精液［M］.中国农业科技出版社，1988，2.

［5］马学虎，孙冰冰，等.细胞及玻璃化冷冻保护剂显微实验研究［J］.大连理工大学学报，2005，7：4.

［6］李如生.非平衡态热力学和耗散结构［M］.北京清华大学出版社，1986，4.

［7］普利高津.从存在到演化［M］.上海科学技术出版社，1986.