Термодинамические особенности живых систем

1. Термодинамические особенности живых систем

Термодинамика живых  систем

Состояние живых  систем в любой момент времени (динамическое состояние) характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются  и строятся заново. Этот процесс  носит название биологического обновления. Для обновления элементов в живых  системах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а  также вывод во внешнюю среду  тепла и продуктов распада. Это  означает, что живые системы обязательно  должны быть открытыми системами. Благодаря  этому в них создается и  поддерживается химическое и физическое неравновесие. Именно на этом неравновесии основана работоспособность живой  системы, направленная на поддержание  высокой упорядоченности своей  структуры, а, значит, на сохранение жизни  и осуществление различных жизненных  функций. Кроме того, живая система, благодаря свойству открытости, достигает  стационарности, т.е. постоянства своего неравновесного состояния.

В изолированной  системе (такая система не обменивается с внешней средой веществом и  энергией), находящейся в неравновесном  состоянии, происходят необратимые  процессы, которые стремятся привести систему в равновесное состояние. Переход живой системы в такое  состояние означает для нее смерть.

Таким образом, открытость – одно из важнейших свойств живых  систем.

Весьма важным является вопрос о применимости законов термодинамики  к живым системам.

I закон (начало) термодинамики. Первый закон термодинамики гласит: изменение энергии системы (dE) равно количеству тепла (Q), полученному системой, плюс работа внешних сил (A), совершенная над системой

dE = Q + A

Для адиабатически изолированных систем (Q = 0, то есть обмена теплом с внешней средой не происходит) и замкнутых (А = 0, то есть внешние силы отсутствуют) dE = 0. Последнее утверждение является законом сохранения энергии: при всех изменениях, происходящих в адиабатически изолированных и замкнутых системах, полная энергия системы остается постоянной.

Если рассматривать  термодинамическую систему, состоящую  только из живой системы, то закон  сохранения энергии неприменим, так  как живая система является открытой. Для термодинамической системы, включающей в себя живую систему  и среду, с которой система  обменивается энергией и веществом, закон сохранения энергии выполняется. Действительно, как показали опыты, общее количество энергии, которое  получает организм за некоторый промежуток времени, вновь обнаруживается впоследствии в виде:

а) выделяемого тепла;

б) совершаемой внешней  работ или выделяемых веществ;

в) теплоты сгорания веществ, синтезированных за этот промежуток времени за счет энергии, поступившей  извне.

II закон (начало) термодинамики. Второй закон термодинамики утверждает, что в изолированной термодинамической системе энтропия никогда не может уменьшаться. Она равна нулю при обратимых процессах и может только увеличиваться при необратимых процессах.

Здесь есть также  определенная связь с упорядоченностью системы, а также с информацией (большая упорядоченность соответствует  большему количеству информации). Можно  говорить при этом о единстве природы  информации и энтропии. Действительно, увеличение энтропии соответствует  переходу системы из более упорядоченного в менее упорядоченное состояние. Такой переход сопровождается уменьшением информации, содержащейся в структуре системы. Беспорядок, неопределенность можно трактовать как недостаток информации. В свою очередь возрастание количества информации уменьшает неопределенность.

Вспомним физический смысл энтропии. Все процессы, самопроизвольно  протекающие в природе, необратимы и способствуют переходу системы  в равновесное состояние, которое  всегда характеризуется тем, что:

а) в процессе этого  перехода всегда безвозвратно выделяется некоторая энергия, и для совершения полезной работы она использована быть не может;

б) в равновесном  состоянии элементы системы характеризуются  наименьшей упорядоченностью.

Отсюда следует, что энтропия является как мерой  рассеяния энергии, так и мерой  неупорядоченности системы.

Применение второго  закона термодинамики к живым  системам без учета того, что это  открытые системы, приводит к противоречию. Действительно, энтропия должна всегда возрастать, то есть должна расти неупорядоченность  живой системы. В то же время мы хорошо знаем, что все живые системы  постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается  и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность  живых систем. В процессе развития каждого организма (онтогенеза), так же как и в процессе эволюционного развития (филогенеза), все время образуются новые структуры, и достигается состояние с более высокой упорядоченностью. А это означает, что энтропия (неупорядоченность) живой системы не должна возрастать. Таким образом, второй закон термодинамики, справедливый для изолированных систем, для живых систем, являющихся открытыми, неприменим.

В течение времени  жизни живой системы ее элементы постоянно подвергаются распаду. Энтропия этих процессов положительна (возникает  неупорядоченность).

Для компенсации  распада (компенсации неупорядоченности) должна совершаться внутренняя работа в форме процессов синтеза  элементов взамен распавшихся. А  это означает, что эта внутренняя работа является процессом  с отрицательной энтропией (такие процессы называют негэнтропийными, а отрицательную энтропию – негэнтропией). Негэйнтропийный процесс противодействует увеличению энтропии системы, которое связано с процессом распада, и создает упорядоченность.

Источником энергии  для совершения негэнтропийной внутренней работы являются:

Для организмов –  гетеротрофов (питающихся только органической пищей) – энергия в виде химических связей и низкая энтропия поглощаемых  высокоструктурированных органических веществ. В этом случае поглощаемые  пищевые вещества обладают большей  упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы  гетеротрофы переносят упорядоченность (негэнтропию) из питательных веществ в самих себя.

Для организмов –  автотрофов (самостоятельно синтезирующих  для себя питательные вещества из неорганических соединений с участием солнечного излучения) – энергия  солнечного света, представляющего  электромагнитное излучение с низкой энтропией.

Таким образом, обмен  веществ с точки зрения термодинамики  необходим для противодействия  увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой  системе.

Если рассматривать  систему «живой организм плюс среда», из которой берутся питательные  вещества и в которую отдаются продукты обмена, то второй закон термодинамики  справедлив: энтропия этой системы  возрастает и никогда не уменьшается. Это означает, что живая система  создает внутри себя упорядоченность  за счет того, что она уменьшает  упорядоченность в окружающей среде.

Итак, живая система является открытой системой, и ее энтропия не возрастает, как это имеет место в изолированной системе. Это означает, что живая система постоянно совершает работу, направленную на поддержание своей упорядоченности, и находится в неравновесном стационарном состоянии. Производство энтропии при этом минимально.

Таким образом, с  позиций термодинамики можно  утверждать, что живым системам присущи  процессы, уменьшающие энтропию систем и, следовательно, поддерживающие их организованность.

Следующий вопрос заключается  в том, как реализуются процессы самоуправления и самоорганизации  живых систем. Этот вопрос,  прежде всего, связан с рассмотрением жизни как информационного процесса. Недаром кибернетика определена ее создателем Н. Винером как «наука об управлении и передачи информации в живых организмах и машинах».

2. Круговорот веществ в природе

Деятельность живых  организмов сопровождается извлечением  из окружающей их неживой природы  больших количеств минеральных  веществ. После смерти организмов, составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный круговорот веществ в природе, т.е. циркуляция веществ между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами.

Приведём некоторые  примеры.

Круговорот воды. Под действием энергии Солнца вода испаряется с поверхности водоёмов и воздушными течени- ями переносятся на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разруше- нию горных пород и делает составляющие их минералы доступными для растений, микроорганизмов и животных. Она размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворёнными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими и неорганическими частицами в моря и океаны. Циркуляция воды между океаном и сушей важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.

Растения участвуют в круговороте воды двояким способом: извлекают её из почвы и испаряют в атмосферу; часть воды в клетках растений расщепляется в процессе фотосинтеза. При этом водород фиксируется в виде органических соединений, а кислород поступает в атмосферу.

Животные потребляют воду для поддержания осмотического и солевого равновесия в организме и выделяют её во внешнюю среду вместе с продуктами обмена веществ.

Круговорот углерода. Углерод поступает в биосферу в результате фиксации его в процессе фотосинтеза. Коли-чество углерода, ежегодно связываемого растениями, оценивается в 46 млрд. т. Часть его поступает в тело животных и освобождается в результате дыхания в виде СО2, который вновь поступает в атмосферу. Кроме того, запасы углерода в атмосфере пополняются за счёт вулканической деятельности и сжигания человеком горючих ископаемых. Хотя основная часть поступающего в атмосферу диоксида углерода поглощается океаном и откладывается в виде карбонатов, содержание СО2 в воздухе медленно, но неуклонно повышается.

Круговорот азота.

Азот - один из основных биогенных элементов - в громадных количествах содержится в атмосфере, где составляет 80% от общей массы её газообразных компонентов. Однако в молекулярной форме он не может использоваться ни высшими растениями, ни животными.

В форму, пригодную  для использования, атмосферный  азот переводят электрические разряды (при которых образуются оксиды азота, в соединении с водой дающие азотистую  и азотную кислоты), азотфиксирующие бактерии и сине-зеленые водоросли. Одновременно образуется аммиак, который другие хемосинтезирующие бактерии последовательно переводят в нитриты и нитраты. Последние наиболее усвояемы для растений. Биологическая фиксация азота на суше составляет примерно 1 г/м 2, а в плодородных областях достигает 20 г/м2.

После отмирания  организмов гнилостные бактерии разлагают азотсодержащие соединения до аммиака. Часть его уходит в атмосферу, часть восстанавливается денитрифицирующими бактериями до молекулярного азота, но основная масса окисляется до нитритов и нитратов и вновь используется. Некоторое количество соединений азота оседает в глубоководных отложениях и надолго (миллионы лет) выключается из круговорота. Эти потери компенсируются поступлением азота в атмосферу с вулканическими газами.

Круговорот серы. Сера входит в состав белков и также  представляет собой жизненно важный элемент. В виде соединений с металлами - сульфидов - она залегает в виде руд на суше и входит в состав глубоководных отложений. В доступную  для усвоения растворимую форму  эти соединения переводятся хемосинтезирующими бактериями, способными получать энергию путём окисления восстановленных соединений серы. В результате образуются сульфаты, которые используются растениями. Глубоко залегающие сульфаты вовлекаются в круговорот другой группой микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода.

Круговорот фосфора. Резервуаром фосфора служат залежи его соединений в горных породах. Вследствие вымывания он попадает в  речные системы и частью используется растениями, а частью уносится в  море, где оседает в глубоководных  отложениях. Кроме того, в мире ежегодно добывается от 1 до 2 млн.т. фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора  также вымывается и исключается  из круговорота. Благодаря лову рыбы часть фосфора возвращается на сушу в небольших размерах (около 60 тыс.т. элементарного фосфора в год).

Из приведённых  примеров видно, какую значительную роль в эволюции неживой природы  играют живые орга-низмы. Их деятельность существенно влияет на формирование состава атмосферы и земной коры. Большой вклад в понимание взаимосвязей между живой и неживой природой внёс выдающийся советский учёный В.И.Вернадский. Он выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты.

Таким образом, живые  организмы, испытывая на себе влияние  факторов неживой природы, своей  деятельностью изменяют условия  окружающей среды, т.е. среды своего обитания. Это приводит к изменению  структуры всего сообщества - биоценоза.

Установлено, что  азот, фосфор и калий могут оказывать  наибольшее положительное влияние  на урожаи культурных растений, и потому эти три элемента в наибольших количествах вносят в почву с удобрениями, применяемыми в сельском хозяйстве. Поэтому азот и фосфор оказались главной причиной ускоренной эвтрофизации озёр в странах с интенсивным земледелием. Эвтрофизация - это процесс обогащения водоёмов питательными веществами. Она представляет собой естественное явление в озёрах, так как реки приносят питательные вещества с окружающих дренажных площадей. Однако этот процесс обычно идёт очень медленно, в течение тысяч лет.