Az élő rendszerek termodinamikája
Az életrendi rendszerek bármikor (dinamikus állapot) jellemzi, hogy a rendszer elemeit folyamatosan megsemmisítik és újból felépítik. Ezt a folyamatot biológiai megújulásnak nevezik. Az élő rendszerek elemeinek frissítése a külső anyagok és energia folyamatos beáramlását igényli, valamint a hő- és bomlástermékek külső környezetbe történő eltávolítását. Ez azt jelenti, hogy az élő rendszereknek szükségszerűen nyitott rendszereknek kell lenniük. Emiatt kémiai és fizikai egyensúlytalanságot hoznak létre és tartanak fenn bennük. Ez az a kiegyensúlyozatlan alapú teljesítmény egy élő rendszer, fenntartását célzó nagy rendelést szerkezete (és. Ezért a megőrzése az élet), valamint a végrehajtására a különböző életfunkciók. Ráadásul az élő rendszer, a nyitottság tulajdonsága miatt, állandósulást ér el, azaz az egyensúlyi állapot állandósága. Az izolált rendszerben (egy ilyen rendszer nem kommunikál a külső anyag és energia), amely egy egyensúlyi állapotban visszafordíthatatlan folyamatokat, amelyek törekszik, hogy a rendszer egyensúlyban. Az élő rendszer átalakítása ilyen állapotba halált jelent neki.
Így a nyitottság az élő rendszerek egyik legfontosabb tulajdonsága.
Nagyon fontos kérdés a termodinamika törvényeinek az élő rendszerekre való alkalmazhatósága.
A törvény (a kezdet) a termodinamika. A termodinamika első törvénye szerint: a rendszer energiájának változása megegyezik a rendszer által kapott hőmennyiséggel és a rendszeren végrehajtott külső erők munkájával
Adiabatikus izolált (Q = 0, azaz a hőcsere a külső környezet nem fordul elő) és zárt (A = 0, vagyis nincs külső erő) rendszerek DE = 0. Az utolsó állítás a törvény az energiamegmaradás: az összes változások zajlanak adiabatikus elszigetelt, és lezárta a teljes rendszer energiája állandó marad.
Ha csak egy élő rendszert alkotó termodinamikai rendszert veszünk figyelembe, akkor az energia megőrzésének törvénye nem alkalmazható, mivel az élő rendszer nyitva van. A termodinamikai rendszerhez, amely magában foglalja az élő rendszert és a környezetet, amellyel a rendszer energiát és anyagot cserél, az energia megőrzésének törvénye teljesül. Valójában, mint azt a kísérletek mutatják, a szervezet által egy bizonyos idő alatt kapott energia összmennyiségét később a következő formában találjuk:
a) az előállított hő;
b) a külső munkában vagy a felszabadított anyagokban;
c) az ezen időszak alatt szintetizált anyagok égési hő formájában a kívülről érkező energia rovására.
II. Törvény (a kezdet) a termodinamika. A termodinamika második törvénye szerint az entrópia soha nem csökken egy elszigetelt termodinamikai rendszerben. Nulla reverzibilis folyamatokhoz, és csak visszafordíthatatlan folyamatokkal, azaz DS ³ 0-val növelhető. Egy rendszer egy nem egyensúlyi állapotból az egyensúlyi állapotba való átmenet visszafordíthatatlan, ezért DS ³ 0 is.
Van egy bizonyos összefüggés a rendszer megrendelésével, valamint az információval (a rendezés több információnak felel meg). Beszélhetünk az információ természetéről és entrópiájáról. Valójában az entrópia növekedése megegyezik egy rendszer átrendeződésével egy rendezettebbtől kevésbé rendezett állapotig. Az ilyen átmenethez a rendszer szerkezetében található információcsökkenés társul. A rendellenesség, a bizonytalanság az információ hiánya. Az információ mennyiségének növelése viszont csökkenti a bizonytalanságot.
Emlékezzünk az entrópia fizikai jelentésére. Minden folyamatban, amely spontán előfordul a természetben, visszafordíthatatlan, és hozzájárul a rendszer átmenetéhez egy egyensúlyi állapotig, amelyet mindig jellemez:
a) az átmenet folyamatában, bizonyos energia mindig feloldhatatlanul kiosztásra kerül, és nem használható fel hasznos munka elvégzésére;
b) a rendszerelemek egyensúlyi állapotát a legkevésbé jellemzi.
Ebből következik, hogy az entrópia egyaránt az energia disszipáció mércéje, és ami a legfontosabb számunkra most, a rendszer zavarának mérője.
A termodinamika második törvényének alkalmazása az élő rendszerekre, tekintet nélkül arra, hogy ezek nyílt rendszerek, ellentmondást eredményeznek. Valójában az entrópiának mindig meg kell növekednie, vagyis meg kell növekednie az élő rendszer rendellenessége. Ugyanakkor tisztában vagyunk azzal, hogy minden élő rendszer folyamatosan zavart okoz a rendellenességekből. Teremtik és fenntartják a fizikai és kémiai egyensúlyhiányokat, amelyeken az élő rendszerek munkaképessége alapul. Az egyes organizmusok fejlődésének folyamata (ortogenezis), valamint az evolúciós fejlődés (filogenezis) folyamata során új struktúrák alakulnak ki, és magasabb rendű állapotot értünk el. Ez azt jelenti, hogy az élő rendszer entrópiája (rendellenessége) nem növekedhet. Így nem alkalmazható a termodinamika második törvénye, amely az elszigetelt rendszerekre érvényes, nyílt rendszerű élő rendszerek esetében.
A nyílt termodinamikai rendszerek esetében az entrópia változás az összegből áll
ahol a DSi az entrópia változása a legtöbb élő rendszerben bekövetkező folyamatok során, a DSe az entrópia változása az anyag és energia cseréjével a környezetben.
A termodinamika második törvénye szerint a DSi mennyisége csak pozitív lehet, vagy a korlátozó esetben (reverzibilis folyamatok) nulla. A dSe mennyisége pozitív lehet (DSe> 0, a rendszer entrópiát kap) és negatív (DSe <0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При DSe <0 и |DSe|> | | DSi | :
ami azt jelenti, hogy a rendszeresség növelése abban az esetben, ha a rendszer nagyobb entrópiát hagy maga után, mint a visszafordíthatatlan folyamatok során.
Tekintsük az entrópia származékát az időben. amelyet változásnak vagy entrópia termelésnek neveznek. A DS kifejeződéséből következik, hogy a nyitott rendszer entrópia termelése:
Stacionárius állapot esetén, ha az időbeli egyenlőtlenség nem változik, az entrópia termelésének nullának kell lennie (állandó mennyiségű származék):
Ez azt jelenti
azaz A rendszeren belül bekövetkező folyamatok során keletkező entrópia (dSi) teljes mértékben át kell térnie a külső környezetre.
Prigogine tétele. Szerint Prigogine tétel, ha a nyílt termodinamikai rendszer változatlan feltételek idővel, hogy önmagában a növekedés entrópia csökken, amíg a rendszer el nem éri az egyensúlyi állapot dinamikus egyensúly; ebben az állapotban az entrópia nyeresége minimális, azaz.
Így azt mondhatjuk, hogy a nyitott rendszer helyhez kötött állapotában az entrópia termelése minimális.
Az élő rendszerek esetében ez a következőket jelenti:
Az élő rendszer élettartama alatt elemei folyamatosan szétesnek. Ezen folyamatok entrópiája pozitív (zavar).
Ahhoz, hogy kompenzálják a bomlási (rendellenesség kompenzáció) kell elvégezni formájában belső munka elemek szintézis folyamatok, hogy a törött. Ez azt jelenti, hogy ez a belső munka egy negatív entrópiával rendelkező folyamat (ezeket a folyamatokat negentropikusnak nevezik, a negatív entrópia negentropikus).
A negentropikus folyamat ellensúlyozza a rendszer entrópiájának növekedését, amely a bomlás folyamatához kötődik és rendet teremt.
A negentróp belső munka elvégzéséhez szükséges energiaforrás:
Az organizmusok esetében - heterotrófok (kizárólag bioélelmiszerek táplálására) - kémiai kötések formájában létrejövő energiák és a nagyon strukturált szerves anyagok felszívódásának alacsony entrópiája. Ebben az esetben az abszorbeált élelmiszerek több rendben (kevesebb entrópiával) rendelkeznek, mint a felszabadult metabolikus termékek. A heterotróphák szervezetei hordozzák a rendet (negentropia) a tápanyagoktól maguktól.
Az organizmusok - autotróf (egymástól függetlenül szintetizáljuk tápanyagok maguknak a szervetlen vegyületek napfény) - napfény energia, elektromágneses sugárzás képviselő alacsony entrópia.
Tehát a termodinamikai szempontból szükséges anyagcsere szükséges ahhoz, hogy ellensúlyozza az életmentő visszafordíthatatlan folyamatok által okozott entrópia növekedést.
Ha figyelembe vesszük a rendszer „élő szervezet plusz környezet”, amely tápanyagokat vesznek, és melyeket a termékek cseréjére, a termodinamika második törvénye igaz: az entrópia a rendszer növeli és nem csökkenti. Ez azt jelenti, hogy az élő rendszer önmagában teremt rendetlenséget abból a tény miatt, hogy csökkenti a rendezettséget a környezetben.
Tehát az élő rendszer nyitott rendszer, és az entrópia nem növekszik, mint egy elszigetelt rendszerben. Ez azt jelenti, hogy az élő rendszer folyamatosan olyan rendeltetésű munkát végez, amelynek célja a rendszerváltozás fenntartása, egyensúlyi egyensúlyi állapotban van. Ebben az esetben az entrópia termelése (a Prigogine tétele szerint) minimális.
Tehát a termodinamikai szempontból azt állíthatjuk, hogy az élő rendszerek olyan inherens folyamatok, amelyek csökkentik a rendszerek entrópiáját, és így a támogató szervezetet.