3.2. Применение второго начала термодинамики к живым системам. Уравнение пригожина.

Уже более ста лет тому назад была доказана применимость к живым организмам первого начала термодинамики. Но применимость к биологическим объектам второго начала вплоть до середины прошлого века ставилась под сомнение, пока не появились работы И.Р.Пригожина. А в свое время даже великий Макс Планк, непререкаемый авторитет в области термодинамики, считал, что нет никакого смысла говорить о применимости второго начала к биологическим системам, потому что жизнь стремится к упорядочению, созиданию, совершенствованию. А второе начало термодинамики говорит о разупорядочении, деградации, дегенерации. Великие люди тоже могут ошибаться!

Согласно второму началу термодинамики – закону энтропии, как его иногда называют, элементарное изменение энтропии системы больше или равно элементарному количеству теплоты обмененному системой с окружающей средой, деленному на абсолютную температуру системы Т:

dS ≥ (3.5)

› - для необратимых, неравновесных процессов

= - для обратимых, равновесных процессов.

В замкнутой системе, не обменивающейся с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией, энтропия может только расти при неравновесных процессах и устанавливаться постоянной при достижении равновесия:

dS>0 (3.6)

Согласно знаменитой формуле Больцмана-Планка:

S = k ln W (3.7)

Здесь S - энтропия состояния системы, k = 1,38 10^-23 Дж/К - константа Больцмана, W - термодинамическая вероятность состояния системы - число микросостояний, определяющих макросостояние, число способов его осуществления. Чем больше W, тем более разупорядочена система.

Например, если лекарства в аптеке разложены по одному раз и навсегда заведенному правилу – это полный порядок:

W = 1, S = 0.

Если это не так, и лекарства могут быть разложены разными способами, что заставляет их долго искать, это уже беспорядок:

W > 1, S > 0.

Энтропия S - параметр неупорядоченности системы.

Согласно второму началу термодинамики, замкнутая система стремится к состоянию с максимальной энтропией, максимальной термодинамической вероятностью, максимальной неупорядоченностью – к равновесному состоянию:

S → S _max, W → W_max (3.8)

При равновесии все макроскопические параметры системы не меняются во времени и в системе прекращаются все макроскопические процессы.

В биологической системе, оказавшейся в условиях, исключающих обмен с окружающей средой, рано или поздно неизбежно наступит равновесие, прекратятся все жизненные процессы. Равновесие – это смерть!

Поэтому в замкнутой системе жизнь невозможна! Жизнь возможна только в открытой системе!

Пригожин для открытой системы написал уравнение баланса энтропии – уравнение Пригожина:

∆ S = ∆ S_ί + ∆ S_e (3.9)

∆ S - это изменение энтропии открытой системы,

∆ S_ί - (i -inside) - изменение энтропии этой системы, сопровождающее внутренние процессы, происходящие в системе,

∆ S_e - (e - exchange)- изменение энтропии в процессах обмена системы с окружающей средой.

Жизненные процессы – неравновесные, необратимые, поэтому они сопровождаются производством энтропии, беспорядка:

∆ S_ί > 0 (3.10)

Если бы не было процессов обмена с окружающей средой, энтропия, беспорядок накапливались бы в системе, что неизбежно привело бы к смерти – равновесному состоянию с максимальной энтропией:

S = S_max

Чтобы сохранить свое неравновесное упорядоченное состояние с энтропией, меньшей максимальной S < S_max, живая система должна выбрасывать всю произведенную ей энтропию в окружающую среду: ∆ S_e < 0

Во взрослом здоровом организме энтропия в среднем остается постоянной: S = const

Поэтому: ∆S_e = - ∆ S_ί

Организм выбрасывает из себя энтропию, в основном, в процессах теплообмена и процессах обмена веществом с окружающей средой (рис.3.2).

Рис.3.2. Способы выведения энтропии из организма.

Чтобы выжить, организм должен в конечном итоге отдавать теплоту в окружающую среду Q < 0. Поэтому так важны потогонные, жаропонижающие лекарства, способствующие усилению теплоотдачи при лечении некоторых заболеваний.

Вместе с теплотой отдается и энтропия:

∆ S_e < 0

Другой способ отдачи организмом энтропии в окружающую среду – процессы питания, включающие в себя:

1. введение в организм пищи и

2. выделения из организма продуктов ее переваривания.

Дело в том, что энтропия пищи S_пищи меньше энтропии продуктов ее окисления S_{продуктов}.

Поэтому процессы питания тоже, в конечном итоге, сопровождаются уменьшением энтропии организма:

S_пищи – S _{продуктов} < 0

(Кстати, достаточно забавно выглядят вывески на некоторых магазинах «Продукты питания». Ведь по смыслу продукты питания – это конечные продукты химических реакций окисления пищи в организме).