Термодинамика живых организмов

Живым организмам свойственно биологическое  обновление. Или, с позиций теории систем, динамическому состоянию (состояние  в любой момент времени) живой  системы характерно то, что элементы систем разрушаются и строятся заново.

 Для этого процесса биологического обновления живой системе необходим приток извне веществ и энергии, а также возможность выводить во внешнюю среду продуктов распада и тепла. Исходя из этой необходимости, живая система должна быть открытой системой. Благодаря свойству открытости, живой системе также необходимо уметь сохранять свою целостность. Целостность живой системы достигается за счет постоянства процесса биологического обновления. Постоянство процесса разрушения и восстановления создает и поддерживает физическое и химическое не равновесие. Поэтому, благодаря своему свойству открытости, живая система характеризуется постоянством своего неравновесного состояния. Любое отклонение от этого постоянства неравновесного состояния, то есть прекращение процесса биологического обновления, приведет к разрушению живой системы и к ее смерти.

Разрушение  системы возникает тогда, когда  открытая система становится изолированной  и прекращается приток извне веществ  и энергии, а вывод тепла и  продуктов распада не происходит. В изолированной системе, находящейся в неравновесном состоянии возникают необратимые процессы, которые стремятся привести систему в равновесное состояние. Переход живой системы в равновесное состояние означает для нее смерть. Так как на химическом и физическом не равновесии основана работоспособность живой системы. Высокая работоспособность живой системы, ее высокая функциональность поддерживается высокой упорядоченностью динамического состояния не равновесия.

Процессы, которые нарушают высокую упорядоченность  динамического состояния не равновесия, важным считаю рассматривать через термодинамические процессы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первый закон термодинамики живых организмов

В 19 столетии было доказано экспериментально, что первый закон термодинамики применим к  процессам, которые происходят в биологических системах. 
 
Поступление пищи обеспечивает энергию, которая используется для выполнения различных функций организма или сохраняется для последующего использования. Энергия высвобождается из пищевых продуктов в процессе их биологического окисления, которое является многоступенчатым процессом. 
 
Энергия пищевых продуктов используется в клетках первоначально для синтеза макроэргических соединений - например, аденозинтрифосфорной кислоты (ATФ). ATФ, в свою очередь, может использоваться как источник энергии почти для всех процессов в клетке. 
 
Пищевые вещества окисляются вплоть до конечных продуктов, которые выделяются из организма. Например, углеводы окисляются в организме до углекислого газа и воды. Такие же конечные продукты образуются при сжигании углеводов в калориметре: 
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O 
Величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляет 4,1 килокалории (кКал). Столько же энергии, образуется при окислении глюкозы в живых клетках, несмотря на то, что процесс окисления в них является многоступенчатым процессом и происходит в несколько стадий. Этот вывод основан на принципе Гесса, который является следствием первого закона термодинамики: тепловой эффект многоступенчатого химического процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы. 
  
Таким образом, исследования с помощью калориметра показали среднюю величину физиологически доступной энергии, которая содержится в 1грамме трех пищевых продуктов (в килокалориях): углеводы - 4,1; белки - 4,1; жиры - 9,3. 
  
С другой стороны, в конечном итоге вся энергия, поступившая в организм, превращается в теплоту. Также при образовании АТФ лишь часть энергии запасается, большая - рассеивается в форме тепла. При использовании энергии ATФ функциональными системами организма большая часть этой энергии также переходит в тепловую. 
  
Оставшаяся часть энергии в клетках идёт на выполнении ими функции, однако, в конечном счёте, превращается в теплоту. Например, энергия, используемая мышечными клетками, расходуется на преодоление вязкости мышцы и других тканей. Вязкое перемещение вызывает трение, что приводит к образованию тепла. 
  
Другим примером является расход энергии, передаваемой сокращающимся сердцем крови. При течении крови по сосудам вся энергия превращается в тепло вследствие трения между слоями крови и между кровью и стенками сосудов. 
  
Следовательно, по существу вся энергия, потраченная организмом, в конечном счете, преобразуется в теплоту. Из этого принципа существует лишь единственное исключение: в случае, когда мышцы выполняют работу над внешними телами. 
  
Если человек не выполняет внешней работы, то уровень высвобождения организмом энергии можно определить по величине общего количества теплоты, выделенной телом. Для этого применяют метод прямой калориметрии, для реализации которого используют большой, специально оборудованный калориметр. Организм помещают в специальную камеру, которая хорошо изолирована от среды, то есть не происходит обмена энергией с окружающей камеру средой. Количество теплоты, выделенной исследуемым организмом, можно точно измерить. Эксперименты, выполненные этим методом, показали, что количество энергии, поступающей в организм, равно энергии, выделяющейся при проведении калориметрии. 
  
Прямая калориметрия в проведении трудоёмка, поэтому в настоящее время используют метод непрямой калориметрии, который основан на вычислении энергетического выхода организма по использованию им кислорода.

• Второй закон термодинамики

Первый закон  термодинамики утверждает только о сохранении энергии, но не указывает направления, в котором могут осуществляться термодинамические процессы. Возможное направление термодинамических процессов является предметом второго закона термодинамики. 
  
Второй закон термодинамики указывает, что все реальные процессы (в том числе в биологических системах), сопровождаются рассеянием некоторой части энергии в теплоту. Все формы энергии (механическая, химическая, электрическая и т.п.) могут быть превращены в теплоту без остатка. Но сама теплота не может превращаться полностью в другие формы энергии. Не существует двигателя или процесса, который бы преобразовывал теплоту в другую форму энергию с 100% эффективностью. Как известно, рассеяние теплоты означает энергетическое разложение. Теплота - деградированная форма энергии, поскольку термическое движение молекул беспорядочный и вероятностный процесс. Таким образом, энергетическое рассеивание в форме теплоты необратимо. 
  
Согласно второму закону термодинамики, каждый реальный процесс, происходящий в термодинамической системе, может осуществляться только в одном направлении. Противоположный процесс, при котором как система, так и окружающая среда возвращались бы в их первоначальные состояния, невозможен. 
  
Одна из формулировок второго закон термодинамики (Клазиуса) указывает, что теплота не может передаваться самопроизвольно от тела, обладающего более низкой температурой, телу с более высокой температурой. 
 
Любой реальный процесс является в той или иной мере необратимым.

• Энтропия

Направление спонтанных процессов в изолированных системах характеризуется параметром состояния, который называетсяэнтропией (из греч."преобразование"). Изменение энтропии системы dS определяется отношением теплоты dQ, введённой в систему или выведенного из системы, к абсолютной температуре T системы, при которой этот процесс происходит:  dS = dQ/T(2) 
  
Энтропия изолированной системы возрастает, если система стремится в состояние равновесия, и достигает своей максимальной величины в этом состоянии. Энтропия возрастает во всех реальных термодинамических процессах. 
  
Энтропия системы имеет тесное отношение к показателю упорядоченности или беспорядка составляющих системы. Согласно принципу Больцмана, энтропия системы S в данном состоянии пропорциональна термодинамической вероятности W этого состояния: 
S = k ln W (3), где k - константа Больцмана. 
Термодинамическая вероятность является числом микросостояний системы, посредством которых реализуется данное макросостояние системы. Чем больше возможно микросостояний (вариантов расположения частиц), тем более неупорядочена система, тем больше - величины W и S. 
  
Каждая система стремится к переходу из менее вероятного высокоупорядоченного состояния в статистически более вероятные состояния, характеризующиеся беспорядочным расположением молекул. Можно сказать, что каждая система характеризуется тенденцией самопроизвольного перехода к состоянию максимального молекулярного беспорядка или хаоса.

• Термодинамический потенциал

Состояние каждой термодинамической системы может  полностью определяться с помощью термодинамических потенциалов. Каждому из них приписывается определенный набор независимых параметров состояния. Кроме упомянутой выше внутренней энергии U, к термодинамическим потенциалам относят: энтальпию Н, свободную энергию Гельмгольца F, свободную энергию Гиббса G. Они могут быть определены с помощью формул, где P - давление, V - объем, S - энтропия и T - температура. 
H = U + PV (4) 
F = U - ST (5) 
G = U + PV - ST (6) 
Свободная энергия Гиббса соответствует состоянию системы, при котором давление и температура являются постоянными. Поэтому этот термодинамический потенциал употребляют для описания биологических систем. Полезная работа в таких системах выполняется за счет уменьшения потенциала Гиббса. 
  
Величина свободной энергии Гиббса, приходящейся на один ион вещества, называется электрохимическим потенциалом,который включает химическую, осмотическую и электрическую составляющие энергии: 
μ^~ = μ₀ + RT ln C + zFφ (7) 
здесь  μ₀ - стандартный электрохимический потенциал, зависящий от химической природы вещества; C - концентрация вещества,R - универсальная газовая постоянная, T - термодинамическая температура, z - электрический заряд частицы, F - константа Фарадея, φ - электрический потенциал. 
  
Электрохимический потенциал натрия, калия и некоторых других веществ играет решающую роль в таком важном процессе как перенос веществ в мембранах клеток.

• Термодинамика неравновесных процессов

Термодинамика равновесных систем основана на принципах, которые в известной мере идеализируются. Биологические объекты не находятся в состоянии равновесия. Процессы, проходящие в таких системах, являются необратимыми. Термодинамика неравновесных процессов основана на таких принципах и понятиях как линейные соотношения, производство энтропии, стационарное состояние, теорема Пригожина.

• Линейные соотношения

Закон линейных соотношений определяет зависимость  между термодинамическими силами и  изменениями (потоками) в термодинамических  системах. Термодинамические силы представляют собой различные градиенты (концентрации, электрические, температурные и т.п.) Закон линейных соотношений указывает, что изменение физической величины J является линейной функцией соответствующей термодинамической силы X, где L является коэффициентом прямой пропорциональности: J = LX  (8) 
  
Линейный закон обобщает многие эмпирические принципы, например, закон Фика (зависимость переноса веществ от концентрационного градиента), закон Ома (зависимость переноса электрического заряда от градиента электрического потенциала) и т.п. 
  
Каждое отдельное изменение в системе может вызвать только уменьшение её свободной энергии и повышение энтропии. Но другие изменения в этой же системе могут происходить так, что повышение энтропии при одном изменении компенсировалось её уменьшением из-за другого изменения. 
  
Например, некоторые частицы могут перемещаться через мембрану клетки в направлении их более высокой концентрации. При этом происходит уменьшение энтропии системы, которое компенсируется гидролизом АТФ, в результате которого энтропия системы увеличивается.

• Производство энтропии в открытой системе

Изменение энтропии в открытой системе dS состоит из двух компонентов. Один из них - dS_i - производство энтропии в системе в результате необратимости процессов. Второй компонент dS_e - отражает взаимодействие между системой и окружающей средой. 
ds = dS_i + dS_e (9) 
Термодинамика необратимых процессов рассматривается также показатель производства энтропии в открытых системах: 
ds/dt = dS_i/dt + dS_e/dt  (10) 
Как видно, два компонента играются роль в процессе производства энтропии в открытой системе: показатель производства энтропии в системе и показатель изменения энтропии из-за энергообмена с окружающей средой. Согласно второму закону термодинамики, первый компонент всегда положительный. Второй компонент может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от направления энергетического обмена через границу системы.

• Стационарное состояние открытой системы

Состояние системы  называется стационарным, если величина энтропии не изменяется во времени, то есть dS = 0. Это возможно, когда производство энтропии в системе полностью компенсируется энтропией, выходящей из системы (dS_i = - dS_e). 
  
Стационарное состояние открытой системы имеет сходство с термодинамическим равновесием, поскольку оба состояния характеризуются устойчивостью характеризующих их параметров состояния. Но стационарное состояние существенно отличается от состояния равновесия, поскольку обменивается энергией с окружающей средой: количество свободной энергии в системе необходимо поддерживать. Энтропия системы в стационарном состоянии - стабильная, но не максимальная. Градиенты и потоки сохраняются в системе. 
  
Основная характеристика стационарного состояния определена теоремой Пригожина, согласно которой производство энтропии в стационарном состоянии минимально (dS=min). Это означает, что система рассеивает минимальную энергию в среду и нуждается в минимальном поступлении свободной энергии для поддержания своего состояния. 
  
Теорема Пригожина объясняет устойчивость стационарных состояний в открытых системах. Если система выходит из этого состояния самопроизвольно, происходит увеличение энтропии. В результате в системе возникают процессы, которые стремятся возвратить её в стационарное состояние. 
  
Многие физиологические параметры являются достаточно стабильными. Их стационарный уровень регулируют специальные физиологические механизмы. В качестве примера поддержания стационарного состояния можно привести терморегуляцию организма. Постоянство температуры обеспечивается поддержанием баланса теплопродукции и теплоотдачи. В результате температура тела поддерживается неизменной, несмотря на колебания внешней температуры. Механизмы, с помощью которых живые организмы поддерживают гомеостаз, то есть статические условия своей внутренней среды, изучает физиология.

 
Особенности организмов как термодинамических систем

При применении термодинамики к биологическим системам необходимо

учитывать особенности организации живых систем: 1) биологические системы

открыты для потоков вещества и энергии; 2) процессы в живых системах в

конечном счете имеют необратимый характер; 3) живые системы далеки от

равновесия; 4) биологические системы гетерофазны, структурированы и

отдельные фазы могут иметь небольшое число молекул.

Все это отличает биологические системы от изолированных и близких к

состоянию равновесия систем, в которых, как это делалось в предыдущих

разделах, рассматриваются обратимые процессы в гомогенной среде,

содержащей огромное множество молекул. Для более адекватного описания

свойств биологических систем во многих случаях полезно применение

термодинамики необратимых процессов, основателями которой считают

лауреатов Нобелевской премии по химии Л. Онзагера и И. Пригожина.

В отличие от классической термодинамики, в термодинамике необратимых

процессов рассматривается ход процессов во времени. Фундаментальное

понятие классической термодинамики — равновесное состояние. В

термодинамике необратимых процессов столь же важным понятием можно

считать стационарное состояние системы.

Различие между равновесием и стационарным состоянием хорошо видно на

примере ионного баланса клетки. Концентрация К+

 внутри клеток

теплокровных примерно в 15 раз выше, чем во внеклеточной среде, но это не

приводит к выходу этих ионов из клетки, так как на клеточной мембране

имеется потенциал со знаком минус внутри клетки, который удерживает К+

 от

выхода из цитоплазмы. Система близка к равновесию, условия которого

описываются известным уравнением Нернста (1.7).

Иная ситуация с ионами Na+

. Их концентрация в клетке примерно в 15 раз

меньше, чем в окружающей среде. Постоянный градиент концентрации и

разность потенциалов на мембране приводят к тому, что имеется хотя и

небольшое, но постоянное просачивание ионов Na+

 в клетку. Тем не менее,

постоянная концентрация ионов Na+

 в клетке поддерживается насосами,