压力，我们讨厌的守卫:或者理论物理学如何解释生命现象

在他的新书-广义拉格朗日的生活系统方法和行为-来自Lev学术中心(JCT)的Uziel Sandler教授解释了拉格朗日函数的具体推广如何帮助理论物理学描述生命现象。他演示了广义拉格朗日如何允许拉格朗日动力学被用来描述生命物体的行为。值得注意的是，他指出，构成拉格朗日方程的所有术语都具有明确的生物学意义，其结果也具有生物学解释。

乌泽尔·桑德勒教授探讨了广义拉格朗日方法如何用于帮助物理学描述生命系统和社会行为。他说这不是一本关于生命系统的数学建模的书;它也没有解释在非生命系统中暴露的物理现象如何适用于生命体。相反，这本书解释了理论物理学如何描述生命现象。虽然它是为物理和数学的学生和研究人员设计的，但只对该理论的生物学应用感兴趣的读者可以忽略数学基础，而集中于方法和例子。这本书是四分之一个世纪的研究成果。它是基于作者在1994年至2019年间发表的一系列论文，加上之前未发表的成果。

拉格朗日
1788年，Giuseppe Ludovico De la Grange Tournier首次发表了他发现的特殊函数拉格朗日方程，以及物理系统的一般运动方程，即拉格朗日方程。拉格朗日方法提供了一种系统而复杂的方法来推导粒子系统的轨迹。数学函数，称为拉格朗日，是由与系统动力学有关的信息在广义坐标和它们的时间导数(“速度”)。与牛顿力学不同，在牛顿力学中，我们需要推导出影响系统的所有力的解析形式，拉格朗日方法的基本属性是拉格朗日函数封装了整个感兴趣的系统的动力学。

拉格朗日/哈密顿方法
大约半个世纪后，威廉·汉密尔顿爵士证明了一个满足拉格朗日方程的系统轨迹也会使一个他称之为动作的特定量最小化。这些拉格朗日/哈密顿方法在理论物理学中产生了重大的成功，无论是在描述和理解非生命物理系统的行为。哈密顿原理，也称为最小作用原理，可以用来推导拉格朗日方程。这已经被应用到基础理论物理的许多领域，包括量子力学和相对论。

拉格朗日的局限性
遗憾的是，虽然拉格朗日方程成功应用于非生物物理系统，但在其原始形式的拉格朗日是有限的，因为它不能适用于生活系统。普通的拉格朗日/哈密尔顿动态和与时间无关拉格朗亚人的最小行动原则导致时间可逆的运动方程和节能，这对于生活对象来说是不可能的。

意外的概括
在他的书中，Sandler教授解释了如何重新考虑在当代物理学发展中未被考虑的失去机会导致自然，但略带意外，拉格朗日功能的概念（称为S-Lagrangian），所以拉格朗日方程失去了他们的时间可逆性和能量守恒。由于在本书中呈现的推理以来，拉格朗日方程和广义拉格朗日与任何特定系统的特定属性无关，这些方程也应该能够描述生物的行为。作者继续展示S-Lagrangian动态如何允许我们描述生活系统的广泛行为。

主要的悖论
虽然生物和非生物之间的主要区别通常被认为是产生后代的能力，但当考虑到个体生命而不是种群时，根本的区别是生物在不断变化的环境中积极地抵消它们的退化。生物的一个基本特征就是尽量减少死亡的可能性，这一特征甚至存在于单个细胞中。

生物体的基本属性是他们的努力，以尽量减少死亡的可能性。

死亡可能性的指标
环境条件是不可预测的，这使得不可能为所有可能的情况制作一套可编程响应。似乎生活系统具有死亡可能性的通用指标，并尽量减少其价值。Sandler教授发现压力，由其发现者汉斯SEYE定义为“身体的非特定反应，对其上任何需求”，是由于其与生物体的不良国家的关系，成为最合适的指标。正如普通的物理拉格朗日取决于广义位置坐标和它们的速度一样，S-Lagrangian取决于压力，其共轭变量，它涉及量子力学而不是古典物理学，以及生活系统的相关参数及其时间-derivatives (which play the roles of the system’s “coordinates” and “velocities”). This forms the biological basis for Professor Sandler’s physics of life.

在这本书中，Sandler教授演示了如何指定压力作为兴趣指标促进S-Lagrangians的设计，以实现各种生活系统。在生活系统中，压力是汉密尔顿的动作比应该最小化的类别。进一步的探索显示，即使是这些S-Lagrangians的最低近似能够对生物体的广泛行为进行令人满意的描述。在文本中呈现的示例应用范围从简单的趋化性到稳态和吸毒成瘾之间的关系，以及环境中人口的行为。

将应力作为兴趣指标有助于为不同范围的生命系统设计s -拉格朗日方程。

模糊逻辑
经典的双值逻辑，其中每个命题是真或假的，不令人满意地提供模糊性和缺乏确定性的方式（这是生活系统描述中的一个共同特征）。因此，它应该由连续的模糊逻辑替换，这类似于我们的天生逻辑。在模糊逻辑中，真相变量可以在零之间的任何实数值上占用零，因为为false和一个。令人惊讶的是，这样的替代允许教授桑德勒在因果原理与最小作用的原理与拉格朗日功能的概括中找到直接关系。这使他能够部署的理论物理的强大数学仪器来描述生活对象。

在完成这项工作的过程中，桑德勒教授发现自己的处境与大约300年前类似，当时拉格朗日方法的发现使得从牛顿力学的角度来看似乎极其复杂的问题得以解决。

在早期章节中处理了支撑的数学概念，作者呈现了所考虑方法的各种例子，说明了这种方法的生物学应用。

为生活而奋斗——体内平衡
s -拉格朗日是桑德勒动态平衡理论的基础。内稳态是指生物系统在适应不断变化的外部环境时，为了维持其生存能力和稳定性而进行的自我调节过程。如果内稳态成功了，系统的生命就会继续;如果失败了，系统将面临灾难和死亡。生物的一个悖论是，它们有能力利用体内平衡保护来抵消在变化环境中的退化或损伤。

虽然稳态涉及许多不同的生物化学和生理过程，但它在所有生物系统中都包含令人惊讶的类似特征和行为。这种普遍行为本质上不是独特的，并且已经观察到，例如，在许多非生物系统的临界行为中，无论其结构和分子间相互作用都有显着的差异，无论是否存在显着的差异。它发生，因为系统的关键行为是由自由能的分析特征决定在其关键点附近，而系统结构的个性及其分子间相互作用被隐藏在自由能的现象学参数内。

相应地，Sandler教授假设稳态动力学的普适性是通过s -拉格朗日的解析性质实现的，而s -拉格朗日的唯象参数是由稳态的生化和生理机制的特性决定的。他使用s -拉格朗日记录了计算机模拟，建立了他的理论描述和所观察到的自稳态生物学特性之间的一致。

从保护者到杀手
体内平衡保护包括压力的迅速减少，随后是一个更渐进的修复过程。对人类来说，压力的迅速下降是由于释放内啡肽等化学物质，即内源性阿片类物质，这种物质是在对严重伤害和疼痛的自然反应中迅速产生的。然而，这种应急机制的不适当的人工复制可能会产生相反的效果，抑制自然的内稳态，产生有害的结果。

在1890年代后期，该公司现在被称为拜耳药物合成了一个人造鸦片，敏锐地销售。这种新药物被称为海洛因（来自'英雄'），因为它最初用于治疗受伤士兵，然后成为最强大的麻醉药物之一。

据估计，2015年至2018年的4年期间，阿片类药物危机的经济成本超过2.5万亿美元。2015年，超过3.3万美国人死于药物过量，2017年死亡人数上升至4.7万，更多的人遭受药物副作用的折磨。

海洛因和其他阿片类药物影响的大脑区域与自然产生的内啡肽相同，并产生相同的生理效果，如减轻压力和缓解疼痛，模仿体内平衡的自然行为。然而，人工给药存在一个关键问题。体内平衡精确地调节了它产生的内源性吗啡的数量，而任何数量的海洛因阿片类药物都可以自愿服用，以获得欣快感。此外，大量的海洛因会过度补偿压力。由于内稳态是双向的，它试图纠正这种过度补偿。因此，每次注射海洛因时，内源性吗啡受体就会脱敏:等量的海洛因将不再补偿压力或诱导欣快感，每次都需要更高的剂量。这导致了慢性的、剂量不断增加的药物滥用，结果是内源性吗啡无法补偿压力，导致戒断症状。

作者扩展了内稳态理论来证明药物滥用的动力学。他将人工给药添加到s -拉格朗日函数中，从而减少压力。他还考虑了这种外部压力减速器的入侵是如何抑制自然的内稳态保护机制的。他的模拟包括对一个受伤的生物体单次给药的动力学建模，其中内稳态修复和稳定了生物体。相反，对剂量递增的药物滥用发展的建模表明，药物滥用破坏体内平衡。反复给药会导致机体变得容易受伤和疾病，导致过早残疾和死亡。这表明，过量服用并不是药物成瘾导致死亡的唯一原因。因此，实际死于药物滥用的美国人的数量肯定比上面提到的要高得多。(图1)

内稳态的模型显示，如果一个有机体可能在高压力下死亡，它将整合所有可用的资源，以抵消这一结果。令人惊讶的是,模拟自愿的,重复的抑制压力的非特异性的外部压力的最佳方法证实,这导致成瘾的发展,因为在兴奋状态有机体下意识地认为,它做得很好,因为它减少了接近死亡的内在指标(压力)。因此，智力上薄弱的反对意见被忽视，而不是强大的情感感受。上瘾让我们“甜蜜”地死去。因此，无论压力的主要来源是什么，外部压力减速器对压力的自愿的、重复的抑制可能比压力本身更有害。

在社会群体中争取统治
等级结构和支配地位存在于大多数生物的社会群体中，从癌症细胞或大脑中的神经元群体到人类社会。通常，这些等级结构归因于对更好资源的竞争和繁殖，导致群体成员之间的敌对互动。那些在大多数竞争中获胜的人在群体中地位更高，而那些输掉比赛的人则降至较低的级别。

然而，即使不存在攻击性互动，相同的主导层级仍然存在于具有丰富资源的友好环境中。无论物种与行为之间的差异如何，大多数社会群体之间的主导层次都可以相当。这表明主导层次结构是生物行为的一些共同特征的产物。

作者论证了生物形成等级结构的动机可能是由于它们试图应对压力，而压力是由“现实世界”(群体成员的实际状态)和“理想世界”(群体成员的理想行为的刻板印象)之间的差异造成的。这为他的社会群体等级结构和支配地位理论奠定了生物学基础。

应用s -拉格朗日动力学可以描述层次形成和支配的主要特征。在进行了一些模拟之后，该理论预测了三种支配和等级形成的水平。如果一个群体是由那些在应对压力上花费了明显不同时间长度的个体组成的，就会出现第一个水平:应对时间最快的个体会成为主导，并成为群体的领导。第二种情况是，当小组成员需要同样长的时间来应对压力时，那么压力阈值最大的成员就会成为小组的领导。第三个层次是，如果小组中的个体需要相似的时间来应对压力，并且有相似的压力阈值。在这种情况下，对群体成员的实际状态和他们期望的行为刻板印象之间的差异具有最高容忍度的个体占据了主导地位。(图2.1 - -2.4)

虽然第一个和第二级具有生理性质，但第三级取决于集团成员的情感精神和培训。第一级创造了一个专制层次结构，其中个人成员是集团的主导领导者，所有其他成员都是顺从仆人。另一个级别更有可能与每个占据较低排名的个人的个人成员创建线性层次结构。应该强调的是，这种层次结构是纯粹的“动态效果”，因为它出现了进化方程的后果，而最初则假设所有集团的成员都有相同的地位。

这本书中详细的研究将普遍认为的优势形成机制与现存物种的内在生理特征联系起来，并与经常使用的优势行为的赢者输者假设相关联。

生存斗争-人口动态
从理论上讲，在社会群体研究中导出的方程对于任何大小的系统都有效。然而，实际上，描述了非常大的群体的行为，或大型组及其环境之间的相互作用，需要进一步开发具有S依赖拉格朗吉人和哈密顿人的系统的现场力学。

为了将S-Lagrangian动力学应用于环境中生活物种的行为的描述，提交人认为，生活物种活动的主要动机是通过应对邻近死亡的一般指标来避免死亡 - 压力。这构成了作者在环境中生活物种行为理论的生物学基础。在这种情况下，压力是来自其他社区物种的压力的结果，包括食物和侵略性的竞争，以及不利的环境压力，例如食物赤字，即食品剥夺强度。相反，与稳态一样，内部应力保护和通过调节人口密度和产生迁移流量来降低压力。

使用MATLAB进行计算机模拟。本文中提出的结果源于在栖息地内部建模两个中等密集物种的群体。还假设在其生命期间，一个物种可以产生损害环境的有害因素，并且所有物种具有相似的适应性，对应于静态优势。

和平
考虑两个共存的物种，其中一个物种对另一个物种没有特别的优势，种群中的个体成员对他们的邻居只有适度的不容忍。最初，主要是由于种群压力，两种物种的密度都有所下降，群落很快就实现了稳定共存。一旦种群压力得到调整，两个物种都可以占据整个栖息地。[图3.1、3.2]

战争
在这种情况下，一个物种主导另一个物种，并且物种彼此强烈不宽容。有两种情况需要考虑。当主要物种产生损伤因子时，侵入最初被较弱的物种占用的高食品供应面积，较弱的物种被抑制并废除了栖息地。然而，这是一种挑剔的胜利，因为主导物种摧毁了栖息地，他们的密度大幅下降。[图3.3]

或者，如果一个较弱的物种可以产生一个破坏因素，当高食物供应的地区被优势物种入侵时，较弱的物种会使用“敲胃”战术，破坏栖息地，以保护自己并消灭入侵物种。起初，这一策略是成功的，但结果是这个物种遭受了饥饿并被打败，最终导致了栖息地的改善。[图3.4 & 3.5]

生态灾难
生态灾难模拟导致两种竞争食品供应的物种，但对其环境的损害意味着两种物种都被消除了栖息地。由于损伤因子的产生被中断，因此栖息地随着时间的推移恢复。然而，应该强调的是，与战争情景不同，人口势的灭绝与低压力水平。

猎物和掠夺者
通过竞争和共存探索了猎物捕食者生态系统的共同演变。在这些情景中，提交人认为猎物的人口密度远高于捕食者的初始群体密度，并且猎物能够损坏环境。在竞争存在的情况下，人口密度都显示出振荡。猎物和捕食者都表现出低，略微振荡水平，表明它们实际上和平地共同发展。在共存情况下，猎物和捕食者都与低压力水平合作。捕食者抑制有害猎物的捕食者得到了改善。[图3.6和3.7]

更广泛的影响
与任何拉格朗日（或哈密顿人）动态共同，整个系统只有一个S-Lagrangian，因此无法独立分析系统部件的行为。这意味着由生活派各种栖息地组成的星球似乎展示了生物的行为，特别是稳态和地球倾向于保持稳定状态和完整性的地球的特征。桑德勒教授言论“在这个意义上，我们的地球是一个活着的星球”。该行为的示例与上述存在的斗争记录。然而，当子系统试图独立运作时会发生什么，这是一个广泛的现象。桑德勒教授解释道：“我们生活的世界，是生活众生和环境的互相共同进化的结果。”