Термодинамика открытых систем.

Одним из общих и фундаментальных свойств материи ( в том числе и живой) является самоорганизация ее в форме различных более или менее упорядоченных фаз. Эти фазы известны и реально существуют не только для воды при разных температурах (лед-жидкость-пар). Переход между агрегатными состояниями не исчерпывает бесконечного многообразия форм упорядоченности. Даже для воды, как известно, существует далеко не одна форма кристаллического состояния ее - вплоть до «горячего» льда. Полимеры, а особенно – биополимеры (например, белки и углеводы), могут, пребывая в одной твердой фазе, находиться в различных состояниях, которые характеризуются степенью упорядоченности: это могут быть как спутанные хаотически клубки, так и фибриллы или глобулы, или даже жидкокристаллические образования.

В живых системах вопрос о работе, сопровождающейся изменением свободной энергии, имеет особо важное значение. Известно, что и растительные, и животные клетки и организмы беспрестанно совершают механическую работу, собственно и необходимую им для поддержания их жизни, однако, чаще всего, за счет собственных (внутренних) источников энергии, а не за счет поглощения тепла из внешней среды.

В случае же самоорганизующихся теплокровных животных (млекопитающих) совершение работы при постоянной температуре ( в изотермических условиях) за счет поглощения тепла вообще запрещено вторым началом термодинамики. Выполняемая же живой клеткой или организмом в целом полезная работа зависит от величины химической энергии, которую она, в свою очередь, получает из энергии расщепления поглощенных ею питательных веществ. Следовательно, такой вид работы осуществляется за счет изменения свободной энергии - ДО всей живой системы. Иллюстрируются эти рассуждения при помощи нижеприведенного рисунка, где приведены разные виды возможной полезной работы, характерные для разного уровня организации живых биологических систем (организмов).

Рисунок 1. Некоторые результаты полезной работы (∆G) в живых биологических системах. А. - светлячок излучает свет для привлечения полового партнера; Б. - электрический угорь убивает врагов-хищников электрическим разрядом; В. - почки животных концентрируют растворенные вещества против градиента концентрации; Г. - сила мышечнолго сокращения предвигает тяжелый груз.

Таким образом, процессы жизнедеятельности живых организмов регулируются за счет полезной работы, энергия для выполнения которой может быть получена при протекании огромного количества разнообразных биохимических реакциий.

Как уже отмечалось, с термодинамических позиций живая природа от клетки до биосферы являет собой пример открытой, неравновесной системы. Вихрь метаболических превращений осуществляет непрерывный обмен веществ между организмом и внешней средой. Для живого характерны упорядоченности двух типов: статическая в виде сложно организованных молекул и надмолекулярных структур, а также динамическая как результат организованной последовательности биологических процессов. Им присуща неразрывная слитность, но, в то же время, необходимо фиксировать и их различие.

Человек многообразнее и гораздо интенсивнее других организмов, использует доступные ему потоки химической, биологической и др. энергии из внешней среды. Одноклеточные же организмы в благоприятных условиях окружающей среды виртуозно наращивают свою биомассу и размножаются с фантастической скоростью. Однако, процессы эволюционного совершенствования организмов можно охарактеризовать и с точки зрения принципа интенсивности их развития, т.е. критерием прогресса следует считать отношение общего количества потребляемой организмами энергии к той ее доле , которая идет на нужды самые примитивные - наращивание и поддержание биомассы.

У микроорганизмов этот показатель невелик и находится в пределах 1,7 -2,3. Насекомые же, тратящие уйму сил и энергии на поиск пищи, маскировку, сигнализацию, и др.,характеризуются более солидным коэффициентом, равным 7 -10. У млекопитающих его величина достигает 50 и даже ( у некоторых высокоорганизованных видов) до 100.

Функционирование живых, упорядоченных структур, в том числе и динамики фаз, невозможно без существования процессов обмена и переносчиков информации как внутри организмов, так и между ними. Передача информации всегда связана с затратами и переносом энергии и массы. Носителями информации могут быть фотоны и электроны, а в предельно усложненных формах специальные органические молекулы: нуклеиновые кислоты, гормоны, очень часто феромоны и другие «информеры». Чем выше организованность живого приемника и источника! информации, тем сложнее должен быть построен и переносчик информации.

Из вышеизложенного, вполне очевидно, что рассмотренные! законы термодинамического равновесия, сформулированные для закрытых систем, внутри которых происходит обмен только энергией, а также и для изолированных систем, в которых вообще нет обмена ни энергией, ни веществом, вообще невозможно применить к биологическим системам и процессам .

Вот почему, основополагающие термодинамические уравнения, 1 вышеописанные нами для закрытых систем, должны быть модифицированы, посколько в них необходимо дополнительно ввести члены, которые по крайней мере отражают изменения массы живой системы.

С учетом этого, дифференциальные уравнения для термодинамических функций величин U, Н и G будут иметь следующий вид:

dU=TdS-PdV+µ₁dn₁+ µ₂dn₂+ µ₃dn₃+ … (6)

dH=TdS+PdV+µ₁dn₁+ µ₂dn₂+ µ₃dn₃+ … (7)

dG=-TdS+PdV+ µ ₁dn₁+ µ₂dn₂+ µ₃dn₃+ … (8)

где µ-химический потенциал, а п – число молей соответствующего компонента.

Из вышеприведенных уравнений 6-8 следует, что в зависимости от того, какие величины остаются постоянными, химический потенциал может представлять собой либо парциальную молярную внутреннюю энергию, либо энтальпию, или же свободную энергию системы.

Неравновесное же состояние биологических систем за счет поступления свободной энергии извне непрерывно поддерживается различными градиентами (температурными, диффузными, концентрационными и др.), что и позволяет живым клеткам сохранять свою жизне- и работоспособность.

Наиболее фундаментальным свойством живого является гомеостаз — динамическое постоянство внутренней среды организма, поддерживаемое в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. Особенно четко внутренние границы гомеостаза выражены в виде параметров, определяющих функциональную активность ферментов, что является обязательным условием осуществления мета­болических процессов в клетках и тканях. Внутри экосистем гомеостаз характеризует способность биологической системы сохранить основные параметры в определенных пределах на неизменном уровне. В случае биологических систем основной их силой и величиной энергообеспеченности является химическая активность. Эти силы вызывают появление потоков. Наиболее важным в химических и биологических системах является поток диффузии вещества, вызываемый протеканием химических реакций. Химический потенциал, определяющий скорость реакции, снижая концентрацию потребляемого ею вещества во внутренней среде, вызывает появление диффузионного градиента и диффузного потока вещества из внешней среды. В то же время диффузный поток, питающий реакцию, влияет на скорость химической реакции внутри системы и обеспечивает возникновение| противоположно направленного потока веществ-одтодов.

Это означает, что в открытых системах одновременно! происходит тесное взаимодействие многих сил и потоков.) Например, химические силы вызывают не только поток диффузии вещества клетки, но одновременно создают поток тепла и| обратный поток энергетически деградированных продуктов реакции. Реакции окисления в живых клетках снижают концентрацию в них кислорода и создают приток кислорода в клетках; одновременно эта же сила создает диффузный отток углекислоты из клетки наружу, поток тепла и целый ряд других] потоков, связанных с окислением промежуточных продуктов.

Вполне естественно, что биологические системы должны! совершенствоваться в направлении наиболее экономного расходования свободной энергии для поддержания стационарного состояния, т.е не производить изменении энтропии в те периоды, когда организм выполняет минимальную работу. В открытых системах, вследствие поступления энергетически емких веществ из внешней среды, скорость химических реакций может в стационарных условиях удерживаться на одном уровне так же, как и концентрации участвующих в них! веществ, и поэтому сила химического сродства биосистем сохраняется все время постоянной.

Клетки живых организмов способны сохранять сложную порядоченность своей хрупкой структуры благодаря непрерывному потреблению энергии. Как только поступление энергии прекращается, сложная структура клетки распадается и она переходит в неупорядоченное и лишенное организации состояние. Кроме поддержания целостности клетки, поступающая энергия обеспечивает осуществление разнообразных механических, электрических, химических, осмотических процессов, связанных с жизнедеятельностью организма.

Превращение энергии в живой клетке подчиняется законам термодинамики. Согласно ее второму закону, энергия может существовать в двух формах: полезной и рассеиваемой. При любом физическом изменении наблюдается тенденция к рассеиванию энергии, к уменьшению количества полезной энергии, а также к возрастанию энтропии - степени разупорядоченности системы. Поэтому живая клетка нуждается в постоянном притоке свободной (полезной) энергии. Эту энергию клетка получает за счет запаса энергии химических связей органических веществ. Сложен и многообразен путь энергетического обмена в организме. Так, даже, в казалось бы, такой простой реакции как биохимическое превращение глюкозы в молочную кислоту по известной схеме: