Ентропія біосистем. ентропія

Відповідно до формули Больцмана, ентропія визначається як логарифм числа микросостояний, можливих в даній макроскопічної системі

де А в = 1,38- 10 16 ерг-град або 3,31? 10 24 ентропійних одиниць (1 Е.Е. = 1 кал град 1 = 4,1 Дж / К), або 1,38 10 "23 Дж / К. - постійна Больцмана; W- число микросостояний (наприклад, число способів, якими можна розмістити молекули газу в посудині).

Саме в цьому сенсі ентропія є міра невпорядкованості і хаотизации системи. У реальних системах існують стійкі і нестійкі ступені свободи (наприклад, тверді стінки судини і молекули укладеного п ньому газу).

Поняття ентропії пов'язане саме з нестійкими ступенями, за якими можлива хаотизации системи, а число можливих микросостояний набагато більше одиниці. У повністю стійких системах реалізується тільки одне-єдине рішення, т. Е. Число способів, якими здійснюється це єдине макросостояніе системи, дорівнює одиниці (IV = 1), а ентропія дорівнює нулю. У біології використовувати поняття ентропії, а також і термодинамічні уявлення можна тільки по відношенню до конкретних метаболічним процесам, а не для опису в цілому поведінки і общебіолошческіх властивостей організмів. Зв'язок ентропії та інформації в теорії інформації було встановлено для статистичних ступенів свободи.

Припустимо, що ми отримали інформацію про те, яким способом здійснено дане макросостояніе системи. Очевидно, кількість інформації, яке при цьому отримано, буде тим більше, чим більше була вихідна невизначеність або ентропія

Відповідно до теорії інформації в цьому простому випадку кількість інформації про єдиний реальний стан системи дорівнюватиме

За одиницю кількості інформації (біт) приймається інформація, що міститься в достовірному повідомленні, коли число вихідних можливих станів дорівнювало W = 2:

Наприклад, повідомлення про те, на який бік впала монета при киданні в повітря, містить кількість інформації 1 біт. Зіставляючи формули (7.1) і (7.2), можна знайти зв'язок між ентропією (в ентропійних одиницях) і інформацією (в бітах)

Тепер спробуємо формально оцінити кількість інформації, що міститься в тілі людини, де є 10 13 клітин. За допомогою формули (7.2) отримаємо величину

Така кількість інформації необхідно було б початково отримати, щоб здійснити єдино правильне розташування клітин в організмі. Цьому еквівалентно вельми незначне зниження ентропії системи на

Якщо вважати, що в організмі здійснюється також унікальний характер розташування амінокислотних залишків в білках і нуклеотидних залишків в ДНК, то загальна кількість інформації, що міститься в гелі людини, складе

що еквівалентно невеликого зниження ентропії на AS ~~ 300 Е.С. = 1200 Дж / К.

ГС процесах метаболізму це зниження ентропії легко компенсується збільшенням ентропії при окисленні 900 г глюкози. Таким чином, зіставлення формул (7.1) і (7.2) показує, що біологічні системи не мають будь-якої підвищеної інформаційною ємністю в порівнянні з іншими неживими системами, що складаються з того ж числа структурних елементів. Цей висновок на перший погляд суперечить ролі та значенню інформаційних процесів в біології.

Однак зв'язок між / і Sв (7.4) справедлива лише по відношенню до інформації про те, яке з усіх Wмикросостояний реалізовано в даний момент. Ця мікроінформація, пов'язана з розташуванням всіх атомів в системі, насправді не може бути запам'ятав і збережена, оскільки будь-яка з таких микросостояний швидко перейде в інше через теплових флуктуацій. А цінність біологічної інформації визначається не кількістю, а перш за все можливістю її запам'ятовування, зберігання, переробки і подальшої передачі для використання в життєдіяльності організму.

Основна умова сприйняття і запам'ятовування інформації - це здатність рецепторной системи внаслідок отриманої інформації переходити в одне зі стійких станів, заздалегідь заданих в силу її організації. Тому інформаційні процеси в організованих системах пов'язані тільки з певними ступенями свободи. Сам процес запам'ятовування інформації повинен супроводжуватися деякою втратою енергії в рецепторной системі для того, щоб вона могла в ній зберегтися достатній час і не губитися внаслідок теплових флуктуацій. Саме тут і здійснюється перетворення мікроінформація, яку система не могла запам'ятати, в макроинформацию, яку система запам'ятовує, зберігає і потім може передати іншим акцепторні системам. Як кажуть, ентропія є міра безлічі не запам'ятовуються системою микросостояний, а макроінформацію - міра безлічі їх станів, про перебування в яких система повинна пам'ятати.

Наприклад, інформаційна ємність в ДНК визначається тільки кількістю певних нуклеотидів, а не загальним числом микросостояний, що включають коливання всіх атомів ланцюжка ДНК. Процес запам'ятовування інформації в ДНК це фіксація певного розташування нуклеотидів, яке стійке внаслідок утворюються хімічних зв'язків в ланцюжку. Подальша передача генетичної інформації здійснюється в результаті біохімічних процесів, в яких диссипация енергії і утворення відповідних стійких хімічних структур забезпечує ефективність біологічної переробки інформації.

В цілому інформаційні процеси широко поширені в біології. На молекулярному рівні вони протікають не тільки при запам'ятовуванні і переробці генетичної інформації, але і при взаємному впізнавання макромолекул, забезпечують специфічність і спрямований характер ферментативних реакцій, мають важливе значення при взаємодії клітинних мембран і поверхонь.

Фізіологічні рецепторні процеси, які відіграють самостійну інформаційну роль в життєдіяльності організму, також засновані на взаємодіях макромолекул. У всіх випадках макроінформацію виникає початково у вигляді конформаційних змін при дисипації частини енергії за певними ступенями свободи у взаємодіючих макромолекулах. В результаті ма- кроінформація виявляється записаною у вигляді набору досить енергетично глибоких конформаційних підстанів, які дозволяють зберігати цю інформацію протягом часу, необхідного для її подальшої переробки. Біологічний сенс цієї макроінформацію реалізується вже відповідно до особливостей організації біологічної системи і конкретними клітинними структурами, на яких розігруються подальші процеси, що призводять в результаті до відповідних фізіолого-біохімічним ефектів.

Можна стверджувати, що живі системи направлено контролюють біохімічні реакції на рівні одиничних макромолекул.

сукупність яких в підсумку визначає вже макроскопічні властивості біологічних систем.

Такими властивостями не володіють навіть найсучасніші технологічні пристрої, такі як, наприклад, субмікронні комп'ютерні процесори, де управління потоками елекгроноз відбувається з неминучими енергетичними втратами. Далі буде показано, що в биомембранах регуляція потоків електронів здійснюється по відношенню до переносу кожного окремого електрона по ланцюгу макромолекулярних переносників.

Крім того, буде показано, що трансформація енергії в біологічних процесах відбувається в макромолекулярних енергопреобразующіх «машинах», мають нанорозміри.

Малі розміри визначають і малі величини градієнтів енергії. а отже, наближають роботу таких машин до умов термодинамічної оборотності. Це, як відомо, підвищує енергетичну ефективність (ККД) перетворення енергії. Саме в таких нанорозмірних молекулярних машинах оптимально поєднуються максимальний енергетичний вихід і низький рівень дисипації енергії, відповідний низькій швидкості продукування ентропії в системі.

Низькі перепади значень редокс-потенціапов між окремими переносниками в ланцюзі фотосинтезу і дихання ілюструють це положення, забезпечуючи умови, близькі до оборотності окремих процесів електронного транспорту.

Вивчення роботи окремих молекулярних моторів, пов'язаних з трансформацією енергії, викликає потребу в розвитку термодинаміки малих систем, де перепади енергії на елементарних етапах робочих циклів можна порівняти за розмірами з тепловими флуктуаціями. Справді, середня величина загальної енергії макросистеми (ідеального газу), що складається з Nчастинок і розподіленої по ним за законом Гаусса, становить 2> / 2Nk b T.Розмір випадкових флуктуацій цієї величини порядку l / V) V нікчемний по відношенню до середнього значення для системи, що складається з великого числа частинок. Однак при малих Nрозмір флуктуацій наближається до середньої величини енергії такої малої системи, яка сама може складати всього декілька одиниць k h T.

Наприклад, молекула кінезин розміром менше 100 нм пересувається уздовж мікротрубочок, переносячи органели клітин і здійснюючи кожні 10- 15 мс «кроки» по 8 нм за рахунок енергії гідролізу АТФ (20 до і Т).«Кінезіновий мотор» на кожному кроці виробляє роботу 2к г, Тз ККД = 60%. В цьому відношенні кінезин - одна з багатьох молекулярних машин, що використовують енергію гідролізу фосфатних зв'язків в різних процесах, в тому числі в реплікації, транскрипції, трансляції, репарації та ін. Малий розмір таких машин може допомогти їм поглинати енергію великих теплових флуктуацій з навколишнього простору. В середньому, звичайно, при русі молекулярного мотора уздовж його динамічної траєкторії здійснення роботи супроводжується виділенням теплової енергії, однак, можливо, що випадково поглинена енергія теплових флуктуацій на окремих етапах робочого циклу в поєднанні з «спрямованої» енергією гідролізу фосфатних зв'язків вносить свій внесок в співвідношення між зміною вільної енергії і виробленої роботою. В цьому випадку теплові флуктуації можуть привести вже до помітних відхилень від усереднених динамічних траєкторій. Отже, такі малі системи не можуть бути описані адекватно на основі класичної термодинаміки. В даний час ці питання інтенсивно розробляються, в тому числі з розвитком нанотехнологій, пов'язаних зі створенням нанорозмірних молекулярних машин.

Відзначимо ще раз, що біохімічні процеси трансформації енергії, в яких відбувається корисна хімічна робота, самі по собі є лише постачальником вихідних елементів для самоорганізації біологічних структур і створення тим самим інформації в біологічних системах.

Саме до біохімічних реакцій застосовні основні принципи хімічної термодинаміки і, зокрема, фундаментальне поняття хімічного потенціалу як заходи залежності числа допустимих микросостояний від числа частинок в системі.

Хімічна реакція розглядається як результат перерозподілу числа молей або відносного числа частинок (молекул) реагентів і продуктів в ході реакції при загальному незмінній кількості їх атомів. Ці перерозподілу пов'язані з розривом і освітою хімічних зв'язків і супроводжуються тим самим тепловими ефектами. Саме в області лінійної термодинаміки їх загальна спрямованість підпорядковується теоремі Пригожина. Образно кажучи, біохімічна реакція створює вихідні елементи і доставляє їх до місця самозборки стабільних «інформаційних» макро- молекулярних комплексів, носіїв інформації. Безпосередньо самосборка здійснюється мимовільно і, природно, йде із загальним зменшенням вільної енергії: A F =Д U - TAS

Справді, при виникненні стабільної впорядкованої структури енергія утворених структурних зв'язків (-AU)по абсолютній величині повинна бути більше зменшення ентропії члена ( -TAS)в вираженні для вільної енергії | ДС / | > | 7A, S |, так що Д F

Нагадаємо, що в період предбиологической еволюції стабільні структурні «цеглинки» живого (амінокислоти, нуклеотиди, цукру) утворилися, таким чином, мимовільно, абіогенним шляхом, з неорганічних простих з'єднань, без будь-якої участі живих систем, за рахунок зовнішніх джерел енергії (світло, електричні розряди), необхідної для подолання активаційних бар'єрів реакцій синтезу.

В цілому безпосередньо виникнення біологічної інформації на макромолекулярному рівні дійсно веде до відповідного зменшення структурної ентропії (появі негативної ентропії). Це зменшення ентропії компенсується утворенням стабільних зв'язків в інформаційній структурі. У той же час баланс «термодинамічної» ентропії у відкритій системі визначається співвідношенням рушійних сил і швидкостей в групі хімічних процесів, які створюють умови для синтезу інформаційних структур.

Очевидно, підрахунок загального балансу зміненої структурної і термодинамічної ентропії в живій системі носить чисто арифметичний характер. Він визначається двома взаємопов'язаними, але різними за своєю природою групами процесів, безпосередня компенсація зміни ентропії між якими не має місця.

Надіслати свою хорошу роботу в базу знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ РФ

Федеральне державне автономне освітня установавищої професійної освіти

«Санкт-Петербурзький державний університет АЕРОКОСМІЧНОЇ ПРИЛАДОБУДУВАННЯ»

КАФЕДРА ЕКОНОМІЧНОЇ БЕЗПЕКИ

Ентропія в живих системах

з дисципліни: Концепції сучасного природознавства

Виконала: студент

керівник:

д-р екон. наук,

професор А. В. Самойлов

Санкт-Петербург 2014

Електронна схема життя

ентропія життя

Діагностичні технології, засновані на досягненнях квантової біофізики

висновок

Список літератури

ведення

Методи дослідження функціонального стану людини шляхом реєстрації електрооптичних параметрів шкірного покриву можна розділити на дві умовні групи за характером втягуються біофізичних процесів. До першої групи належать "повільні" методи, час вимірювання в яких становить понад 1 с.

При цьому під впливом прикладених потенціалів в тканинах стимулюються іонно-деполяризационного струми і основний внесок в вимірюваний сигнал вносить іонна компонента. "Швидкі" методи, час вимірювання в яких становить менше 100 мс, засновані на реєстрації фізичних процесів, стимульованих електронної компонентою тканинної провідності.

Подібні процеси описуються в основному квантово-механічними моделями, тому їх можна позначити як методи квантової біофізики.

До останніх відносяться методи реєстрації викликане і власної люмінесценції, а також метод викликане електронної емісії з посиленням в газовому розряді (метод газорозрядної візуалізації). Розглянемо більш детально біофізичні і ентропійних механізми реалізації методів квантової біофізики.

Електронна схема життя

"Я глибоко переконаний, що ми ніколи не зможемо зрозуміти сутність життя, якщо обмежимося молекулярним рівнем ... Дивовижна тонкість біологічних реакцій обумовлена рухливістю електронів і з'ясовна лише з позицій квантової механіки". А. Сент-Дьордь, 1971

Електронна схема життя - кругообіг і перетворення енергії в біологічних системах. Фотони сонячного світла поглинаються молекулами хлорофілів, зосереджених в мембранах хлоропластів органоїдів зелених рослин.

Поглинаючи світло, електрони хлорофілів набувають додаткову енергію і переходять з основного в збуджений стан. Завдяки впорядкованої організації білково-хлорофіловий комплексу, який носить назву фотосистеми (ФС), збуджений електрон не витрачає енергію на теплові перетворення молекул, а набуває здатність долати електростатичне відштовхування, хоча розташоване поруч з ним речовина має більш високий електронний потенціал, ніж хлорофіл. В результаті збуджений електрон переходить на цю речовину.

Після втрати свого електрона хлорофіл має вільну електронну вакансію. І він відбирає електрон у навколишніх молекул, причому донором можуть служити речовини, електрони яких мають меншу енергію, ніж електрони хлорофілу. Цією речовиною є вода.

Відбираючи електрони у води, фотосистема окисляє її до молекулярного кисню. Так атмосфера Землі безперервно збагачується киснем.

При перенесенні рухомого електрона по ланцюгу структурно пов'язаних між собою макромолекул він витрачає свою енергію на анаболічні і катаболические процеси в рослинах, а при відповідних умовах, і у тварин. За сучасними уявленнями міжмолекулярної перенесення порушеної електрона відбувається за механізмом тунельного ефекту в сильному електричному полі.

Хлорофіли служать проміжною сходинкою в потенційній ямі між донором і акцептором електронів. Вони приймають електрони від донора з низьким енергетичним рівнем і за рахунок енергії сонця збуджують їх настільки, що вони можуть переходити на речовина з більш високим електронним потенціалом, ніж донор.

Це єдина, хоча і багатоступенева світлова реакція в процесі фотосинтезу. Подальші аутотрофний биосинтетические реакції не потребують світлі. Вони відбуваються в зелених рослинах за рахунок енергії, укладеної в електронах, що належать НАДФН і АТФ. За рахунок колосального припливу електронів з двоокису вуглецю, води, нітратів, сульфатів та інших порівняно простих речовин створюються високомолекулярні сполуки: вуглеводи, білки, жири, нуклеїнові кислоти.

Ці речовини є основними поживними речовинами для гетеротрофів. В ході катаболічних процесів, також забезпечуються електрон-транспортними системами, звільняються електрони приблизно в такій же кількості, в якому вони захоплювалися органічними речовинами при їх фотосинтезі.

Електрони, що звільняються при катаболизме, переносяться на молекулярний кисень дихальної ланцюгом мітохондрій. Тут окислення пов'язане з фосфорилюванням - синтезом АТФ за допомогою приєднання до АДФ залишку фосфорної кислоти (тобто фосфорилювання АДФ). Цим забезпечується енергопостачання всіх процесів життєдіяльності тварин і людини.

Перебуваючи в клітці, біомолекули "живуть", обмінюючись енергією і зарядами, а значить, інформацією, завдяки розвиненій системі делокалізованних р-електронів. Делокалізація означає, що єдине хмара р-електронів розподілено певним чином по всій структурі молекулярного комплексу. Це дозволяє їм мігрувати не тільки в межах своєї молекули, але і переходити з молекули на молекулу, якщо вони структурно об'єднані в ансамблі. Явище міжмолекулярної перенесення було відкрито J. Weiss в 1942 р, а квантовомеханічну модель цього процесу розробив в 1952-1964 рр R.S. Mulliken.

Разом з тим найважливіша місія р-електронів в біологічних процесах пов'язана не тільки з їх делокализацией, але і з особливостями енергетичного статусу: різниця енергій основного і збудженого станів для них значно менше, ніж у р-електронів і приблизно дорівнює енергії фотона h н.

Завдяки цьому саме р-електрони здатні акумулювати і конвертувати сонячну енергію, за рахунок чого з ними пов'язано все енергозабезпечення біологічних систем. Тому р-електрони прийнято називати "електронами життя".

Зіставляючи шкали відновних потенціалів компонентів систем фотосинтезу і дихальної ланцюга, неважко переконатися в тому, що сонячна енергія, конвертована р-електронами при фотосинтезі, витрачається переважно на клітинне дихання (синтез АТФ). Так, за рахунок поглинання двох фотонів в хлоропласті р-електрони переносяться від Р680 до ферредоксина, збільшуючи свою енергію приблизно на 241 кДж / моль. Її невелика частина витрачається при перенесенні р-електронів з ферредоксина на НАДФ. В результаті синтезуються речовини, які потім стають їжею для гетеротрофів і перетворюються в субстрати клітинного дихання. На початку дихального ланцюга запас вільної енергії р-електронів становить 220 кДж / моль. Значить, до цього енергія р-електронів знизилася всього на 20 кДж / моль. Отже, більше 90% сонячної енергії, запасеної р-електронами в зелених рослинах, доноситься ними до дихального ланцюга мітохондрій тварин і людини.

Кінцевим продуктом окисно-відновних реакцій в дихальної ланцюга мітохондрій є вода. Вона має найменшу вільної енергією з усіх біологічно важливих молекул. Кажуть, ніби з водою організм виділяє електрони, позбавлені енергії в процесах життєдіяльності. Насправді запас енергії в воді аж ніяк не нульовий, але вся енергія укладена в у-зв'язках і не може бути використана для хімічних перетворень в організмі при температурі тіла і інших фізико-хімічних параметрах організму тварин і людини. У цьому сенсі хімічну активність води приймають за точку відліку (нульовий рівень) на шкалі хімічної активності.

З усіх біологічно важливих речовин вода має найвищий іонізаційним потенціалом - 12,56 еВ. У всіх молекул біосфери іонізаційні потенціали нижче цієї величини, діапазон величин знаходиться приблизно в межах 1 еВ (від 11,3 до 12,56 еВ).

Якщо прийняти іонізаційний потенціал води за точку відліку реакційної здатності біосфери, то можна побудувати шкалу биопотенциалов. Біопотенціал кожного органічної речовини має цілком певне значення - він відповідає енергії, яка звільняється при окисленні даного з'єднання до води.

Розмірність БП - це розмірність вільної енергії відповідних речовин (в ккал). І хоча 1 еВ = 1,6 10 -19 Дж, при переході від шкали іонізаційних потенціалів до шкалою біопотенціалів потрібно враховувати число Фарадея і різниця стандартних відновних потенціалів між редокс-парою даної речовини і редокс-парою О2 / H 2 O.

Завдяки поглинанню фотонів електрони досягають найвищого биопотенциала в фотосистемою рослин. З цього високого енергетичного рівня вони дискретно (по сходинках) спускаються на найнижчий в біосфері енергетичний рівень - рівень води. Енергія, що віддається електронами на кожній сходинці цієї драбини, перетворюється в енергію хімічних зв'язків і таким чином рухає життям тварин і рослин. Електрони води зв'язуються рослинами, а клітинне дихання знову породжує воду. Цей процес утворює електронний кругообіг в біосфері, джерелом якого служить сонце.

Ще одним класом процесів, які є джерелом і резервуаром вільної енергії в організмі, є окислювальні процеси, що протікають в організмі за участю активних форм кисню (АФК). АФК - це високо реакційно-здатні хімічні частинки, до яких відносять містять кисень вільні радикали (О 2 3/4 ·, АЛЕ 2 ·, АЛЕ ·, NO ·, ROO), а також молекули, здатні легко продукувати вільні радикали (синглетний кисень , O 3, ONOOH, HOCl, H 2 O 2, ROOH, ROOR). У більшості присвячених АФК публікацій, обговорюються питання, пов'язані з їх патогенним дією, оскільки довгий час вважалося, що АФК з'являються в організмі при порушеннях нормального метаболізму, а в ході ініційованих вільними радикалами ланцюгових реакцій неспецифически пошкоджуються молекулярні компоненти клітини.

Однак зараз стало ясно, що генерують супероксид ферменти є практично у всіх клітин і що багато нормальні фізіологічні реакції клітин корелюють зі збільшенням продукції АФК. АФК генеруються і в ході постійно протікають в організмі неферментативних реакцій. За мінімальними оцінками, в стані спокою при диханні людини і тварин на виробництво АФК йде до 10-15% кисню, а при підвищенні активності ця частка істотно зростає. При цьому стаціонарний рівень АФК в органах і тканинах в нормі дуже низький завдяки повсюдної поширеності потужних ферментативних і неферментативних усувають їх систем. Питання про те, навіщо організм настільки інтенсивно продукує АФК з тим, щоб негайно від них позбутися, в літературі поки не обговорюється.

Встановлено, що адекватні реакції клітини на гормони, нейромедіатори, цитокіни, на фізичні фактори (світло, температура, механічні дії) вимагають певного змісті АФК в середовищі. АФК і самі можуть викликати в клітинах ті ж реакції, що розвиваються під дією біорегуляторних молекул - від активації або оборотного інгібування ферментативних систем до регуляції активності геному. Біологічна активність так званих аероіонів, що надають виражену терапевтичну дію на широке коло інфекційних і неінфекційних захворювань, обумовлена тим, що вони являють собою вільні радикали (О 2 3/4 ·). Розширюється застосування в терапевтичних цілях і інших АФК - озону і перекису водню.

Важливі результати були отримані в останні роки професором Московського державного університету В.Л. Воєйкова. На підставі великого обсягу експериментальних даних по дослідженню надслабкого світіння цільної нерозведеної крові людини було встановлено, що в крові безперервно протікають реакції за участю АФК, в ході яких генеруються електронно-збуджені стани (ЕВС).

Аналогічні процеси можуть бути ініційовані і модельних водних системах, що містять амінокислоти і компоненти, що сприяють повільному окисленню амінокислот, в умовах близьких до фізіологічних. Енергія електронного збудження може випромінювальні і безвипромінювальної мігрувати в водних модельних системах і в крові, і використовуватися як енергія активації для інтенсифікації процесів, що породжують ЕВС, зокрема, за рахунок індукції виродженого розгалуження ланцюгів.

Процеси за участю АФК, що протікають в крові і в водних системах, виявляють ознаки самоорганізації, що виражаються в їх коливальному характері, стійкості до дії інтенсивних зовнішніх факторів при збереженні високої чутливості до дії чинників низької і наднизької інтенсивності. Це положення закладає основу для пояснення багатьох ефектів, використовуваних в сучасній низкоинтенсивной терапії.

Отримані В.Л. Воєйкова результати демонструють ще один механізм генерації та утилізації ЕВС в організмі, на цей раз в рідких середовищах. Розвиток уявлень, викладених в цьому розділі, дасть можливість обґрунтувати біофізичні механізми генерації і транспорту енергії в біологічних системах.

ентропія життя

В термодинамічній відношенні відкриті (біологічні) системи в процесі функціонування проходять через ряд нерівноважних станів, що, в свою чергу, супроводжується зміною термодинамічних змінних.

Підтримка нерівноважних станів у відкритих системах можливо лише за рахунок створення в них потоків речовини і енергії, що говорить про необхідність розгляду параметрів таких систем як функції часу.

Зміна ентропії відкритої системи може відбуватися за рахунок обміну з зовнішнім середовищем (d e S) і за рахунок зростання ентропії в самій системі внаслідок внутрішніх необоротних процесів (d i S> 0). Е. Шредінгер запровадив поняття, що загальна зміна ентропії відкритої системи складається з двох частин:

dS = d e S + d i S.

Продифференцировав цей вислів, отримаємо:

dS / dt = d e S / dt + d i S / dt.

Отриманий вираз означає, що швидкість зміни ентропії системи dS / dt дорівнює швидкості обміну ентропією між системою і навколишнім середовищем плюс швидкість виникнення ентропії всередині системи.

Член d e S / dt, що враховує процеси обміну енергією з навколишнім середовищем, може бути і позитивним, і негативним, так що при d i S> 0 загальна ентропія системи може як зростати, так і зменшуватися.

Негативна величина d e S / dt< 0 соответствует тому, что отток положительной энтропии от системы во внешнюю среду превышает приток положительной энтропии извне, так что в результате общая величина баланса обмена энтропией между системой и средой является отрицательной. Очевидно, что скорость изменения общей энтропии системы может быть отрицательной при условии:

dS / dt< 0 if d e S/dt < 0 and |d e S/dt| >d i S / dt.

Таким чином, ентропія відкритої системи зменшується за рахунок того, що в інших ділянках зовнішнього середовища йдуть пов'язані процеси з утворенням позитивної ентропії.

Для земних організмів загальний енергообмін можна спрощено уявити як освіта в фотосинтезі складних молекул вуглеводів з СО 2 і Н 2 О з подальшою деградацією продуктів фотосинтезу в процесах дихання. Саме цей енергообмін забезпечує існування і розвиток як окремих організмів - ланок в круговороті енергії. Так і життя на Землі в цілому.

З цієї точки зору зменшення ентропії живих систем в процесі їх життєдіяльності обумовлено в кінцевому підсумку поглинанням квантів світла фотосинтезуючими організмами, що, однак, з надлишком компенсується утворенням позитивної ентропії в надрах Сонця. Цей принцип стосується і окремих організмам, для яких надходження ззовні поживних речовин, що несуть приплив "негативною" ентропії, завжди пов'язане з продукуванням позитивної ентропії при їх утворенні в інших ділянках зовнішнього середовища, так що сумарна зміна ентропії в системі організм + зовнішнє середовище завжди позитивно .

При незмінних зовнішніх умовах в частково рівноважної відкритій системі в стаціонарному стані, близькому до термодинамічної рівноваги, швидкість приросту ентропії за рахунок внутрішніх незворотних процесів досягає відмінного від нуля постійного мінімального позитивного значення.

d i S / dt => A min> 0

Цей принцип мінімуму приросту ентропії, або теорема Пригожина, являє собою кількісний критерій для визначення загального напрямку самовільних змін у відкритій системі поблизу рівноваги.

Цю умову можна уявити по-іншому:

d / dt (d i S / dt)< 0

Це нерівність свідчить про стійкість стаціонарного стану. Дійсно, якщо система знаходиться в стаціонарному стані, то вона не може мимовільно вийти з нього за рахунок внутрішніх незворотних змін. При відхиленні від стаціонарного стану в системі повинні відбутися внутрішні процеси, які повертають її до стаціонарного стану, що відповідає принципу Ле-Шательє - стійкості рівноважних станів. Іншими словами, будь-яке відхилення від стійкого стану викличе збільшення швидкості продукування ентропії.

В цілому зменшення ентропії живих систем відбувається за рахунок вільної енергії, що звільняється при розпаді поглинаються ззовні поживних речовин або за рахунок енергії сонця. Одночасно це призводить до збільшення їх вільної енергії.

Таким чином, потік негативної ентропії необхідний для компенсації внутрішніх деструктивних процесів і зменшення вільної енергії за рахунок мимовільних реакцій метаболізму. По суті, мова йде про кругообіг і перетворенні вільної енергії, за рахунок якої підтримується функціонування живих систем.

Діагностичні технології, засновані на досягненнях квантової біофізики

На підставі розглянутих вище уявлень був розвинений цілий ряд підходів, що дозволяють досліджувати прижиттєву активність біологічних систем.

Це перш за все спектральні методи, серед яких необхідно відзначити методику одночасного вимірювання власної флуоресценції НАДН і окислених флавопротеїдів (ФП), розвинену колективом авторів під керівництвом В.О. Самойлова.

Ця методика заснована на використанні оригінальної оптичної схеми, розробленої Е.М. Брумберг, що дозволяє одномоментно вимірювати флуоресценцію НАДН на довжині хвилі л = 460 нм (синє світло) і флуоресценцію ФП на довжині хвилі л = 520-530 нм (жовто-зелене світло) при порушенні ультрафіолетом (л = 365 нм).

У цій донорно-акцепторної парі донор р-електронів флуоресціює в відновленій формі (НАДН), а акцептор - в окисленої (ФП). Природно, що в спокої переважають відновлені форми, а при посиленні окисних процесів - окислені.

Методика була доведена до практичного рівня зручних ендоскопічних приладів, що дозволило розробити ранню діагностику злоякісних захворювань шлунково-кишкового тракту, лімфатичних вузлів в процесі хірургічних операцій, шкіри. Принципово важливою виявилася оцінка ступеня життєздатності тканин в процесі хірургічних операцій для проведення економною резекції.

Прижиттєва флуометр дає, крім статичних показників, динамічні характеристики біологічних систем, так як дозволяє проводити функціональні проби і досліджувати залежність типу "доза-ефект". Це забезпечує в клініці надійну функціональну діагностику і служить інструментом експериментального вивчення інтимних механізмів патогенезу захворювань.

До напрямку квантової біофізики можна віднести і метод газорозрядної візуалізації (ГРВ). Стимулювання емісії електронів і фотонів з поверхні шкірного покриву відбувається за рахунок коротких (10 мкс) імпульсів електромагнітного поля (ЕМП). Як показали вимірювання за допомогою імпульсного осцилографа з пам'яттю, під час дії імпульсу ЕМП розвивається серія імпульсів струму (і світіння) тривалістю приблизно 10 нс кожен.

Розвиток імпульсу обумовлено іонізацією молекул газового середовища за рахунок емітованих електронів і фотонів, зрив імпульсу пов'язаний з процесами зарядки діелектричної поверхні і виникненням градієнта ЕМП, спрямованого протилежно вихідному полю. При подачі серії стимулюючих імпульсів ЕМП з частотою проходження 1000 Гц емісійні процеси розвиваються протягом часу дії кожного імпульсу.

Телевізійне спостереження тимчасової динаміки світіння ділянки шкірного покриву діаметром кілька міліметрів і покадровое порівняння картин світіння в кожному імпульсі напруги свідчить про виникнення емісійних центрів практично в одних і тих же точках шкіри. біологічний ентропія білковий

За такий короткий час - 10 нс - іонно-деполізаціонние процеси в тканини розвинутися не встигають, тому струм може бути обумовлений транспортом електронів по структурним комплексам шкіри чи іншої досліджуваної біологічної тканини, включеної в ланцюг протікання імпульсного електричного струму. Біологічні тканини прийнято розділяти на провідники (в першу чергу біологічні проводять рідини) і діелектрики.

Для пояснення ефектів викликане електронної емісії необхідно розглядати механізми транспорту електронів по непровідним структурам. Неодноразово висловлювалися ідеї застосувати до біологічних тканин модель напівпровідникової провідності. Напівпровідникова модель міграції електрона на великі міжмолекулярні відстані по зоні провідності в кристалічній решітці добре відома і активно застосовується у фізиці і техніці.

Відповідно до сучасних уявлень, напівпровідникова концепція не отримала підтвердження для біологічних систем. В даний час найбільшу увагу в цій області привертає до себе концепція тунельного транспорту електронів між окремими білковими молекулами-переносниками, відокремленими один від одного енергетичними бар'єрами.

Процеси тунельного транспорту електронів добре експериментально вивчені і промоделювати на прикладі перенесення електронів по білкової ланцюга. Тунельний механізм забезпечує елементарний акт перенесення електрона між донорно-акцепторними групами в білку, що знаходяться один від одного на відстані близько 0,5 - 1,0 нм. Однак існує багато прикладів, коли електрон переноситься в білку на набагато більші відстані.

Істотно, що при цьому перенесення відбувається не тільки в межах однієї молекули білка, але може включати взаємодію різних білкових молекул. Так, в реакції переносу електрона між цитохромами з і цитохромом-оксидазой і цитохромом b5 виявилося, що відстань між геммами взаємодіючих білків становить понад 2,5 нм. Характерне час перенесення електрона становить 10 -11 - 10 -6 с, що відповідає часу розвитку одиничного емісійного акту в методі ГРВ.

Провідність білків може носити домішковий характер. За даними експериментів, значення рухливості u [м 2 / (В см)] в змінному електричному полі склали для цитохрому ~ 1 * 10 -4, для гемоглобіну ~ 2 * 10 -4. В цілому виявилося, що для більшості білків провідність здійснюється в результаті стрибків електронів між локалізованими донорними і акцепторними станами, розділеними відстанями в десятки нанометрів. Лимитирующей стадією в процесі перенесення є не рух заряду по струмовим станам, а релаксаційні процеси в донора і акцепторі.

В останні роки вдалося розрахувати реальні конфігурації такого роду "електронних стежок" в конкретних білках. У цих моделях білкове середовище між донором і акцептором розбивається на окремі блоки, пов'язані між собою ковалентними і водневими зв'язками, а також невалентних взаємодіями на відстані близько Ван-дер-ваальсових радіусів. Електронна стежка, таким чином, представляється комбінацією тих атомних електронних орбіталей, які дають найбільший внесок у величину матричного елемента взаємодії хвильових функцій компонентів.

У той же час загальновизнано, що конкретні шляхи перенесення електрона не носять строго фіксований характер. Вони залежать від конфірмаціонного стану білкової глобули і можуть відповідно змінюватися в різних умовах.

У роботах Маркуса був розвинений підхід, в якому розглядається не одна-єдина оптимальна траєкторія перенесення в білку, а їх набір. При обчисленні константи переносу бралися до уваги орбіталі цілого ряду електронно-взаємодіючих атомів амінокислотних залишків білка між донорной і акцепторной групами, які дають найбільший внесок в суперобменное взаємодія. Виявилося, що для окремих білків виходять більш точні лінійні залежності, ніж при обліку однієї-єдиної траєкторії.

Трансформація електронної енергії в біоструктури пов'язана не тільки з перенесенням електронів, а й з міграцією енергії електронного збудження, яка не супроводжується відривом електрона від молекули донора. Найбільш важливими для біологічних систем, за сучасними уявленнями, виявляються індуктивно-резонансний, обмінно-резонансний і екситонні механізми перенесення електронного збудження. Ці процеси виявляються важливими при розгляді процесів перенесення енергії за молекулярними комплексам, як правило, не супроводжуються переносом заряду.

висновок

Розглянуті уявлення показують, що основним резервуаром вільної енергії в біологічних системах є електронно-збуджені стани складних молекулярних комплексів. Ці стани безперервно підтримуються за рахунок кругообігу електронів в біосфері, джерелом якого є сонячна енергія, а основним "робочим речовиною" - вода. Частина станів витрачається на забезпечення поточного енергоресурсу організму, частина може запасатися надалі, подібно до того, як це відбувається в лазерах після поглинання імпульсу накачування.

Перебіг імпульсного електричного струму в непровідних біологічних тканинах може забезпечуватися за рахунок міжмолекулярної перенесення збуджених електронів за механізмом тунельного ефекту з активованим перескоком електронів в контактній області між макромолекулами.

Таким чином, можна припустити, що формування специфічних структурно-білкових комплексів в товщі епідермісу і дермиса шкіри забезпечує формування каналів підвищеної електронної провідності, експериментально вимірюваних на поверхні епідермісу як електропунктурних точки.

Гіпотетично можна припустити наявність таких каналів і в товщі сполучної тканини, що може бути асоційоване з "енергетичними" меридіанами. Іншими словами, поняття переносу "енергії", характерне для уявлень Східної медицини і ріже слух людині з європейською освітою, може бути асоційоване з транспортом електронно-збуджених станів за молекулярною білкових комплексів.

При необхідності здійснення фізичної або розумової роботи в даній системі організму електрони, розподілені в білкових структурах, транспортуються в дане місце і забезпечують процес окисного фосфорилювання, тобто енергетичного забезпечення функціонування локальної системи.

Таким чином, організм формує електронне "енергетичне депо", що підтримує поточне функціонування і є базисом для здійснення роботи, що вимагає миттєвої реалізації величезних енергоресурсів або протікає в умовах надвеликих навантажень, характерних, наприклад, для професійного спорту.

Стимульована імпульсна емісія також розвивається в основному за рахунок транспорту делокалізованних р-електронів, що реалізуються в електрично непроводящей тканини шляхом тунельного механізму перенесення електронів. Це дозволяє припустити, що метод ГРВ дозволяє непрямим чином судити про рівень енергетичних запасів молекулярного рівня функціонування структурно-білкових комплексів.

Список літератури

1. Goldstein N.I., Goldstein R.H., Merzlyak M.N. 1992. Negative air ions as a source of superoxide. Int. J. Biometeorol., V. 36., pp. 118-122.

2. Khan, A.U. and Wilson T. Reactive Oxygen Species as Second Messengers. Chem. Biol. 1995. 2: 437-445.

3. Koldunov V.V., Kononov D.S., Voeikov V.L. Sustained chemiluminescence oscillations during Maillard reaction proceeding in aqueous solutions of amino acids and monosaccarides. In: Chemilumunescence at the Turn of the Millenium. Stephen Albrecht, Tomas Zimmerman and Herbert Brandl (eds.) SCHWEDA-WEBERDRUCK GmbH, Druckerei & Verlag, Dresden, 2001., pp. 59-64.

4. Mullarkey CJ, Edelstein D, Brownlee M Free radical generation by early glycation products: a mechanism for accelerated atherogenesis in diabetes. Biochem Biophys Res Commun 1990 Dec 31 173: 3 932-9

5. Novikov C.N., Voeikov V.L., Asfaramov R.R., Vilenskaya N.D. Comparative study of peculiarities of chemiluminescene in non-diluted human blood and isolated neutrophiles. In: Chemilumunescence at the Turn of the Millenium. Stephen Albrecht, Tomas Zimmerman and Herbert Brandl (eds.) SCHWEDA-WEBERDRUCK GmbH, Druckerei & Verlag, Dresden, 2001., pp. 130-135.

6. Sauer H., Wartenberg M, Hescheler J. (2001) Reactive Oxygen Species as Intracellular Messengers During Cell Growth and Differentiation. Cell Physiol Biochem; 11: 173-186.

7. Tiller W. On the evolution of Electrodermal Diagnostic Instruments. J of Advancement in Medicine. 1,1, (1988), pp. 41-72.

8. Vlessis AA; Bartos D; Muller P; Trunkey DD Role of reactive O2 in phagocyte-induced hypermetabolism and pulmonary injury. J Appl Physiol, 1995 Jan, 78: 1, 112

9. Voeikov V. Reactive Oxygen Species, Water, Photons, and Life. // Rivista di Biologia / Biology Forum 94 (2001), pp. 193-214

10. Воєйков В.Л. Доброчинна роль активних форм кисню. // "Російський журнал гастроентерології, гепатології, колопроктології" 2001 рік, том XI, № 4, С. 128-135.

11. Воєйков В.Л. Регуляторні функції активних форм кисню в крові і в водних модельних системах. Автореферат Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук. М. МГУ. 2003

12. Коротков К.Г. Основи ГРВ біоелектрографіі. Ст. Петербург. СПбГІТМО. 2001.

13. Лук'янова Л.Д .. Балмуханов Б.С., Уголев А.Т. Кисень-залежні процеси в клітці і її функціональний стан. М .: Наука, 1982

14. Рубін А.Б. Біофізика. М. Книжковий дім "Університет". 1999.

15. Самойлов В.О. Електронна схема життя. Ст. Петербург, Інститут фізіології РАН. 2001.

16. Самойлов В.О. Медична біофізика. Ленінград. ВМА. Тисяча дев'ятсот вісімдесят шість.

18. Чижевський А.Л. Аероіони і життя. М. Думка. 1999

Розміщено на Allbest.ru

...

подібні документи

Фізичний сенс зростання ентропії. Характеристика самоорганізації в дисипативних структурах. Особливості еволюції в соціальних і гуманітарних системах. Сутність процесів взаємоперетворення різних видів енергії. Термодинамічна рівновага.

контрольна робота, доданий 19.04.2015

Поняття і властивості зворотного зв'язку, її поширеність і значення в живій природі, техніці та суспільстві. Сутність теорії двоїстої зв'язку як важливого боку управління в живих системах. Відмінні ознаки позитивних і негативних зв'язків.

реферат, доданий 27.06.2010

Сучасні уявлення про структуру організації електрон-транспортного ланцюга мітохондрій і молекулярні перетворювачі в клітинах. Роль порушень енергетики в розвитку патології. Основні молекулярні механізми споживання енергії живою клітиною.

контрольна робота, доданий 23.02.2014

Ентропія як міра невизначеності, міра хаосу, її фізичний зміст. Ентропія в термодинаміки - міра незворотного розсіювання енергії, є функцією стану термодинамічної системи. Ентропія Всесвіту, ентропія та інформація, поняття негентропії.

реферат, доданий 24.03.2010

Теплота і ентропія. Складність розуміння фізичного змісту ентропії. Ентропія Всесвіту, теорія теплової смерті. Сфера застосування законів термодинаміки. Ентропія як функція стану термодинамічної системи для опису еволюції реальних систем.

реферат, доданий 18.11.2009

Сутність поняття "біоенергетика". Істотні ознаки живого. Зовнішній і проміжний обмін речовин і енергії. Метаболізм: поняття, функції. Три стадії катаболічних перетворень основних поживних речовин в клітині. Відмінності катаболізму від анаболізму.

презентація, доданий 05.01.2014

Проектування і створення нових біологічних систем, які не зустрічаються в природі. Методи синтезу штучних органічних молекул, що грають певну роль в живих системах. Генетична модифікація бактерій за допомогою технології рекомбінантних ДНК.

презентація, доданий 14.11.2016

Загальна характеристика дихальної ланцюга як системи структурно і функціонально пов'язаних трансмембранних білків і переносників електронів. Організація дихального ланцюга в мітохондріях. Роль дихального ланцюга в уловлюванні енергії. Завдання і цілі інгібіторів.

реферат, доданий 29.06.2014

Поняття ентропії як заходи хаосу, її принципи та місце в історії розвитку класичної фізики. Загальна характеристика освіти структур наростаючої складності. Аналіз взаємозв'язку екології і природознавства. Оцінка екологічної обстановки в м Новосибірську.

реферат, доданий 21.10.2010

Етапи зародження життя на Землі, появи перших прокаріотичних і еукаротіческіх організмів. Процес еволюції еукаріотів від одноклітинного до багатоклітинного будови тіла. Основні властивості і прояви життя, закономірності зміни ентропії.

Загальноприйнята в фізиці формулювання другого початку термодинаміки говорить, що в закритих системахенергія прагне розподілитися рівномірно, тобто система прагне до стану максимальної ентропії.

Відмінною ж особливістю живих тіл, екосистем і біосфери в цілому є здатність створювати і підтримувати високий ступінь внутрішньої упорядкованості, тобто стану з низькою ентропією. поняття ентропіїхарактеризує ту частину повної енергії системи, яка не може бути використана для виробництва роботи. На відміну від вільної енергії вона являє собою деградовану, відпрацьовану енергію. Якщо позначити вільну енергію через Fі ентропію через S, То повна енергія системи Ебуде дорівнює:

E = F + ST;

де Т - абсолютна температура за Кельвіном.

За визначенням фізика Е. Шредінгера: «життя - впорядковане й закономірне поведінка матерії, що грунтується не тільки на одній тенденції переходити від впорядкованості до невпорядкованості, а й частково на існування впорядкованості, яка підтримується весь час ... - ... засіб, за допомогою якого організм підтримує себе постійно на досить високому рівні впорядкованості (так само на досить низькому рівні ентропії), в дійсності складається в безперервному витягу впорядкованості з навколишнього середовища ».

У вищих тварин нам добре відомий той вид упорядкованості, яким вони харчуються, а саме: вкрай впорядкований стан матерії в більш-менш складних органічних сполуках служить їм їжею. Після використання тварини повертають ці речовини в дуже деградованої формі, однак, не цілком деградованої, так як їх ще можуть засвоювати рослини.

Для рослин потужним джерелом «негативною ентропії» - негентропії -є сонячне світло.

Властивість живих систем витягувати впорядкованість з навколишнього середовища дало підставу деяким вченим зробити висновок, що для цих систем другий початок термодинаміки не виконується. Однак другий початок має ще й іншу, більш загальне формулювання, справедливу для відкритих, в тому числі живих, систем. У ньому записано, що ефективність мимовільного перетворення енергії завжди менше 100%. Згідно з другим початком термодинаміки підтримку життя на Землі без припливу сонячної енергії неможливо.

Звернемося знову до Е. Шредингеру: «Все, що відбувається в природі, означає збільшення ентропії в тій частині Всесвіту, де це має місце. Так і живий організм безперервно збільшує свою ентропію, або виробляє позитивну ентропію і, таким чином, наближається до небезпечного стану - максимальної ентропії, який представляє собою смерть. Він може уникнути цього стану, тобто залишатися живим, тільки постійно витягуючи з навколишнього середовища негативну ентропію ».

Перенесення енергії в екосистемах та її втрати

Як відомо, в перенесення енергії їжі від її джерела - рослин - через ряд організмів, що відбувається шляхом поїдання одних організмів іншими, проходить через харчовий ланцюг. При кожному черговому перенесенні велика частина (80-90%) потенційної енергії втрачається, переходячи в тепло. Перехід до кожного наступного ланці зменшує доступну енергію приблизно в 10 разів. Екологічна енергетична піраміда завжди звужується догори, оскільки енергія на кожному наступному рівні втрачається (рис. 1).

Ефективність природних систем багато нижче ККД електромоторів і інших двигунів. У живих системах багато «пального» йде на «ремонт», що не враховується при розрахунку ККД двигунів. Будь-яке підвищення ефективності біологічної системи обертається збільшенням витрат на їх підтримку в стійкому стані. Екологічну систему можна порівняти з машиною, з якої не можна «вичавити» більше, ніж вона здатна дати. Завжди настає межа, після якого виграш від зростання ефективності зводиться нанівець зростанням витрат і ризиком руйнування системи. Пряме видалення людиною або тваринами більше 30-50% річного приросту рослинності може зменшити здатність екосистеми чинити опір стресу.

Один з меж біосфери - валова продукція фотосинтезу, і під нього людині доведеться підганяти свої потреби, поки не вдасться довести, що засвоєння енергії шляхом фотосинтезу можна сильно підвищити, не піддаючи при цьому небезпеки порушити рівновагу інших, більш важливих ресурсів життєвого кругообігу. Зараз же поглинається лише близько половини всієї променевої енергії (в основному, в видимій частині спектру) і, щонайбільше, - близько 5% - її в найсприятливіших умовах перетворюється в продукт фотосинтезу.

Мал. 1. Піраміда енергій. Е - енергія, що виділяється з метаболітами; D = природні смерті; W - фекалії; R - дихання

У штучних екосистемах для отримання більшого врожаю людина змушена витрачати додаткову енергію. Вона необхідна для індустріалізованого сільського господарства, так як цього вимагають культури, спеціально створені для нього. «Індустріалізованих (що використовує енергію горючих копалин) сільське господарство (як, наприклад, практикується в Японії) може дати в 4 рази вищий урожай з гектара, ніж сільське господарство, в якому всю роботу виконують люди і домашні тварини (як в Індії), але воно вимагає в 10 разів більших витрат різного роду ресурсів і енергії ».

Замкнутість виробничих циклів по енергетично Ентропійний параметру теоретично неможливо, оскільки протягом енергетичних процесів (відповідно до другого початку термодинаміки) супроводжується деградацією енергії і підвищенням ентропії природного середовища. Дія другого закону термодинаміки виражається в тому, що перетворення енергії йдуть в одному напрямку на відміну від циклічного руху речовин.

В даний час ми є свідками того, що підвищення рівня організації та різноманітності культурної системи зменшує її ентропію, але збільшує ентропію навколишнього природного середовища, викликаючи її деградацію. Якою мірою можна елімінувати ці слідства другого закону термодинаміки? Існують два шляхи.

перший шляхполягає в зменшенні втрат використовуваної людиною енергії при її різних перетвореннях. Цей шлях ефективний в тій мірі, в якій не приводить до зниження стабільності системи, через яку йде потік енергії (як відомо, в екологічних системах збільшення числа трофічних рівнів сприяє підвищенню їх стійкості, але в той же час сприяє зростанню втрат енергії, що проходить через систему ).

другий шляхполягає в переході від підвищення впорядкованості культурної системи до підвищення впорядкованості всієї біосфери. Суспільство в цьому випадку підвищує організованість природного середовища за рахунок зниження організованості частини тієї природи, яка знаходиться за межами біосфери Землі.

Перетворення речовин і енергії в біосфері як відкритій системі

Принципове значення для розуміння динаміки біосферних процесів і конструктивного вирішення конкретних екологічних проблем мають теорія і методи відкритих систем, які є одним з найважливіших досягнень XX століття.

Відповідно до класичної теорії термодинаміки, фізичні та інші системи неживої природи еволюціонують в напрямку посилення їх безладу, руйнування і дезорганізації. При цьому енергетична міра неорганізованості, виражена ентропією, має тенденцію до безперервного збільшення. Виникає питання: яким же чином з неживої природи, системи якої мають тенденцію до дезорганізації, могла з'явитися жива природа, системи якої в своїй еволюції прагнуть до вдосконалення і ускладнення своєї організації? До того ж, в суспільстві в цілому прогрес очевидний. Отже, вихідне поняття класичної фізики - поняття закритої або ізольованої системи не відображає реальності і знаходиться в явному протиріччі з результатами досліджень в біології і суспільних науках (наприклад, похмурі прогнози «теплової смерті» Всесвіту). І цілком закономірно, що в 1960-і роки з'являється нова (нелінійна) термодинаміка, яка грунтується на концепції необоротних процесів. Місце закритою, ізольованою системи в ній займає принципово інше основне поняття відкритої системи, яка здатна обмінюватися з навколишнім середовищем речовиною, енергією та інформацією. Засіб, за допомогою якого організм підтримує себе на досить високому рівні впорядкованості (так само на досить низькому рівні ентропії), в дійсності складається в безперервному витягу впорядкованості з навколишнього середовища.

відкрита система, Таким чином, запозичує ззовні або нову речовину, або свіжу енергію і одночасно виводить в зовнішнє середовище використане речовина і відпрацьовану енергію, тобто вона не може залишатися замкнутої.В процесі еволюції система постійно обмінюється енергією з навколишнім середовищем і виробляє ентропію. При цьому характеризує ступінь безладдя в системі ентропія, на відміну від закритих систем, що не акумулюється, а транспортується в навколишнє середовище. Логічним є висновок, що відкрита система не може бути рівноважної, Оскільки вимагає безперервного надходження із зовнішнього середовища енергії або багатого нею речовини. За Е. Шредингеру, внаслідок такої взаємодії система черпає з навколишнього середовища порядок і тим самим привносить в неї безлад.

Взаємодія між екосистемами

Якщо між двома системами існує зв'язок, можливий перехід ентропії з однієї системи в іншу, вектор якого визначається значеннями термодинамічних потенціалів. Тут-то і проявляється якісна відмінність між ізольованими і відкритими системами. В ізольованій системі ситуація залишається нерівноважної. Процеси йдуть, поки ентропія не досягне максимуму.

У відкритих системах відтік ентропії назовні може врівноважити її зростання в самій системі. Такого роду умови сприяють виникненню і підтримці стаціонарного стану (типу динамічної рівноваги), званого поточним рівновагою. У стаціонарному стані ентропія відкритої системи залишається постійною, хоча і не є максимальною. Сталість підтримується за рахунок того, що система безперервно отримує з навколишнього середовища вільну енергію.

Динаміка ентропії у відкритій системі описується рівнянням І.Р. Пригожина (бельгійський фізик, лауреат Нобелівської премії 1977 г.):

ds / dt = ds 1 / dt + ds e / dt,

де ds 1 / dt- характеристика ентропії незворотних процесів всередині самої системи; ds e / dt- характеристика обміну ентропією між біологічною системою і навколишнім середовищем.

Саморегулювання флуктуючих екосистем

Сумарне зменшення ентропії в результаті обміну з зовнішнім середовищем за певних умов може перевищити її внутрішнє виробництво. З'являється нестійкість попереднього неупорядкованого стану. Виникають і зростають до макроскопічного рівня великомасштабні флуктуації. При цьому можлива саморегуляція, Тобто виникнення певних структур з хаотичних утворень. Такі структури можуть послідовно переходити в усі більш впорядкований стан (дис-сіпатівние структури). Ентропія в них зменшується.

Дисипативні структури утворюються внаслідок розвитку власних внутрішніх неустойчивостей в системі (в результаті самоорганізації), що відрізняє їх від організації впорядкованих структур, що формуються під впливом зовнішніх причин.

Впорядковані (дисипативні) структури, спонтанно виникають з безладу і хаосу в результаті процесу самоорганізації, реалізуються і в екологічних системах. Прикладом може служити просторово впорядковане розташування бактерій в поживних середовищах, що спостерігається при певних умовах, а також тимчасові структури в системі «хижак-жертва», що відрізняються стійким режимом коливань з певною періодичністю чисельності популяцій тварин.

Процеси самоорганізації грунтуються на обміні енергією і масою з навколишнім середовищем. Це і дозволяє підтримувати штучно створюється стан поточної рівноваги, коли втрати на дисипацію компенсуються ззовні. З надходженням нової енергії або речовини в системі зростає неравновесность. В кінцевому підсумку колишні взаємозв'язку між елементами системи, що визначають її структуру, руйнуються. Між елементами системи встановлюються нові зв'язки, що призводять до кооперативних процесів, тобто до колективного поводження її елементів. Така загальна схема процесів самоорганізації у відкритих системах, названа наукою синергетикою.

Концепція самоорганізації, по-новому висвітлюючи взаємозв'язок неживої і живої природи, дозволяє краще зрозуміти, що весь навколишній світ і Всесвіт являють собою сукупність систем, що самоорганізуються процесів, які лежать в основі будь-якого еволюційного розвитку.

Доцільно звернути увагу на таку обставину. Виходячи з випадкового характеру флуктуації слід, що поява нового в світі завжди обумовлено дією випадкових факторів.

Виникнення самоорганізації спирається на принцип позитивного зворотного зв'язку, відповідно до якого зміни, що виникають у системі, не усуваються, а накопичуються. У підсумку саме це і призводить до виникнення нового порядку й нової структури.

Точка біфуркації - імпульс розвитку біосфери по новому шляху

Відкриті системи фізичного Всесвіту (до яких відноситься і наша біосфера) безперервно флуктуируют і на певному етапі можуть досягти точки біфуркації. Суть біфуркації найбільш наочно ілюструє казковий витязь, що стоїть на роздоріжжі. В якомусь місці шляху зустрічається розвилка, де необхідно приймати рішення. При досягненні точки біфуркації принципово не можна передбачити, в якому напрямку буде далі розвиватися система: чи перейде вона в хаотичний стан або придбає новий, більш високий рівень організації.

Для точка біфуркації - імпульс до її розвитку за новим, невідомому шляху. Яке місце посяде в ньому людське суспільство - передбачити складно, біосфера ж, найбільш ймовірно, продовжить свій розвиток.

«Не може людина знайти суть справи, що робиться під сонцем,
-скільки б не працював шукати людина - не знайде;
і якщо навіть скаже мудрець, що зуміє, - не знайде ».
Соломон Мудрий, цар юдейський, Х століття до н.е.

Такий цей світ, а чому він так,
Того не відає ні розумний, ні дурень.
Д. І. Фонвізін (1745 - 1792).

Системою можна назвати сукупність взаємодіючих частин. Досвідченим фактом є та обставина, що деякі властивості частин диктуються самою системою, що інтегративні, системні властивості цієї сукупності не є властивостями самих частин. Для людини з індуктивним мисленням ця ідея є крамолою і її хочеться піддати анафемі.

Клітка в живому організмі людини.

Клітка людини є частиною організму. Внутрішній геометричний обсяг клітини обмежений від зовнішнього середовища мембраною, оболонкою. Через цю межу відбувається взаємодія середовища і клітини. Будемо розглядати клітину людини з її оболонкою як термодинамічну систему, навіть якщо великі термодинаміки сучасності вважатимуть клітку власного організму вульгарним і негідним для термодинаміки об'єктом розгляду.

По відношенню до клітки людини зовнішнє середовище - це міжклітинна рідина, водний розчин. Її склад визначається обміном хімічними речовинами з кровоносними судинами (капілярами) і обміном з безліччю клітин. З міжклітинної рідини в клітку через оболонку надходять «корисні» речовини і кисень. З клітини через ту ж оболонку виходять в міжклітинну рідину продукти життєдіяльності, це необхідні для організму речовини, побічні продукти, шлаки, що не прореагували компоненти. Отже, клітина людини, як термодинамічна система, взаємодіє з зовнішнім середовищем хімічно. Потенціал цієї взаємодії позначимо традиційно буквою μ, а координату стану цього роду взаємодії позначимо m. Тоді кількість цієї взаємодії зовнішнього світу і клітини організму одно

де j - номер маршруту послідовних і / або паралельних хімічних перетворень, m j - маса новоутвореної j-го речовини. Індекс (е) вгорі означає, що слід брати величину j-го потенціалу перетворення для зовнішнього середовища, тобто для міжклітинної рідини.

Одночасно, через оболонку клітини організму здійснюється термічне взаємодія з потенціалом Т (абсолютна температура) і координатою термічного роду s (ентропія). Кількість взаємодії - T (e) ds.

Деформаційних взаємодією (потенціал - тиск, координата стану - питомий об'єм системи) для рідин нехтуємо.

Тоді перший закон термодинаміки для термо-хімічної системи записується в стандартній формі:

du = μ j (e) dm j + T (e) ds,

де u - внутрішня енергія системи.

Якщо потенціали в клітині організму μ j (i) і Т (i) близькі до потенціалом зовні, то настає рівновага. Рівновага означає, що кількість вихідних реагентів і кількість продуктів реакцій в оборотних хімічних перетвореннях стають незмінними (всі хімічні реакції - оборотні).

Системне властивість організму полягає в тому, що функціональне призначення кожної клітини людини - виробництво речовин, необхідних організму (білки, жири, ферменти, енергоносії тощо). клітка повинна видаватиці речовини в міжклітинну рідину і далі в кровоносну систему. Отже, стан клітини людини повинно бутинерівновагим, а процеси обміну - незворотними. Це означає, що якщо

Δμ j = μ j (e) - μ j (i), то Δμ j / μ j (i) ≥ 10 0.

Для даної ситуації (незворотність) перший закон термодинаміки приймає вид:

du = T (e) ds + (Δμ j + μ j (i)) dm j = T (e) ds + μ j (i) dm j + Δμ j dm j.

Останній член в цьому рівнянні обумовлений необоротністю процесу хімічної взаємодії. І, згідно з другим законом термодинаміки, ця незворотність обов'язково призводить до зростання ентропії:

Δμ j dm j = T (i) ds (m) дисс, де ds (m) дисс> 0. (дис = диссипация).

Все відбувається так, як ніби незворотність при взаємодії будь-якогороду «включає» в термодинамічній системі джерело теплоти з активністю T (i) ds (m) дисс, клітина організму нагрівається (не обов'язково в сенсі зростання температури, як на кухні, а в більш широкому сенсі - підведення теплоти). Зростання ентропії в клітці людини безумовно спотворює протягом хімічних реакцій (про це трохи далі). Відбувається генерація непотрібних організму речовин, сміття, шлаків, відбувається розбавлення розчину. Організму доводиться відводити ентропію з клітки, а то вона такого йому наробить!

Один із шляхів відводу ентропії вказує термодинаміка: необхідно зменшити термічний потенціал Т (е), зробити його менше Т (i). А щоб реалізувати відведення теплоти, різниця температур Т = Т (i) - Т (e) повинна знову бути кінцевою величиною, отже, процес теплообміну стане теж незворотнім, з'явиться ще одне джерело теплоти з активністю T (i) ds (T) дисс. Остаточно, перший закон термодинаміки для термо-хімічної системи з незворотними процесами обміну набуде вигляду:

du = T (i) ds + μ j (i) dm j + T (i) ds (m) дисс + Т (i) ds (T) дисс.

Перші два члена в du справа відповідальні за оборотні процеси взаємодії, останні два - за незворотні, причому останній обумовлений передостаннім. Отже, частина внутрішньої енергії системи необоротно перетворюється в теплоту, тобто клітина людини генерує ентропію.

На цьому зупинимося в застосуванні термодинамічної методу аналізу клітини в живому організмі. Зупинка визначається змістом епіграфів до цієї статті: для цього методу дослідження необхідна ще кількісна інформація, якою ми не володіємо. Але і те, що отримали, дорогого коштує! Залишилося робити коментар і отримувати слідства.

Чим небезпечна ентропія в клітині організму?

Спробуємо зрозуміти, чому зростання ентропії ds (m) дисс> 0 і ds (T) дисс> 0 небезпечний для організму. А може бути це зростання сприятливий?

Організм «вимагає» від клітини її функціонування, виконання корисних і необхідних йому споживчих послуг у вигляді виробництва якихось речовин. Причому, вимагає реалізації цих послуг «швидко» в якомусь сенсі. Швидкість перетворень обумовлена кінцівкою різниць потенціалів, застосуванням каталізаторів і спеціальних транспортних молекул. Але в будь-якій ситуації необхідно розташувати молекули реагентів щільно-густо (в геометричному сенсі). Далі, молекули реагентів за рахунок своєї енергії Е повинні «порушити» електронні оболонки якихось атомів, потім може статися акт злуки, синтезу з утворенням нових речовин.

Молекули в клітці людини мають, як правило, складну просторову тривимірну структуру. І тому у таких молекул багато ступенів свободи руху елементів. Це може бути обертальний рух фрагментів молекули, це може бути коливальний рух тих же фрагментів і окремих атомів. Напевно, обертання великих фрагментів молекули в рідкій фазі утруднено, дуже вже тісно. Обертаються, мабуть, тільки дрібні фрагменти. А ось коливань дрібних фрагментів і окремих атомів молекули висока щільність рідкої фази не надто заважає. У всякому разі, число ступенів свободи руху у такий молекули величезна, отже, загальне число W варіантів розподілу енергії Е за цими ступенями свободи ще більше. Якщо слідувати Больцману і прийняти

то зростання ентропії в клітині організму призводить до відведення енергії від варіантів, здатних порушити електронні оболонки з наступним утворенням «потрібних» речовин. Та ще при такому зростанні ентропії починають синтезуватися побічні продукти.

Організму доведеться навести порядок в клітці людини, відвести ентропію з обсягу клітини, щоб зосередити енергію молекул в «корисних» ступенях свободи. Бідний організм, навіть на клітинному рівні у нього немає халяви: хочеш щось цінне отримати, прибирай ентропію з клітки.

Методи інтенсифікації відводу ентропії.

З теорії теплопередачі слід, що кількість теплоти

dQ = kF (T (i) - T (e)) dτ = (T (i) ds (m) дисс + T (i) ds (T) дисс) ρV,

де k - коефіцієнт теплопередачі, F - поверхня теплообміну (оболонки клітини організму), τ - час, ρ - щільність системи. Поділимо обидві частини цього рівняння на обсяг клітини V. Тоді зліва з'явиться множник F / V ~ d -1, де d - характерний розмір клітини організму. Отже, чим дрібніше клітина, тим інтенсивніше йде процес відведення ентропії при одній і тій же різниці термічних потенціалів. Більш того, зі зменшенням розміру d можна зменшити цю різницю при тому ж dQ і, отже, міру термічної незворотності ds (T) дисс.

Іншими словами, генерація ентропії відбувається в обсязі клітини V ~ d 3, а відведення ентропії з клітки людини здійснюється через поверхню F ~ d 2 (див. Рис. 1).

Мал. 1. Ілюстрація до визначення критичного розміру клітини організму.

Але клітина збільшує свою масу і, отже, обсяг. І поки d d 0 поверхня виводить менше ентропії, ніж її генерується, та ще в темпі зовнішнього середовища. При d> d 0, настане «розігрів» клітини, вона почне шкодити організму. Що ж робити? З одного боку, клітці людини треба збільшувати свою масу, а, з іншого, не можна збільшувати свій розмір. Єдиний шлях «порятунку» клітини і організму - поділ клітини. З «великої» клітини розміром d 0 (вважаючи поки для простоти клітку людини сферичної) утворюється два «дитини» розміром d р:

πd 0 3/6 = 2πd 3 р / 6> d р = 2 -1/3 d 0 = 0,794d 0.

Розмір «дітей» буде на 20% меншим за розмір «матушки». На рис. 2 представлена динаміка розміру клітини людини в організмі.

Мал. 2. Динаміка розміру клітини організму. d 00 - розмір клітини у новонародженого.

зауваження. Збільшення інтенсивності відводу ентропії з клітки людини можливо не тільки зменшенням температури T (e) міжклітинної рідини і, отже, крові в капілярах, а й збільшенням температури T (i) всередині клітини організму. Але такий спосіб змінить весь хімізм в клітці, вона перестане виконувати свої функції в організмі, та ще почне виробляти всякий «сміття». Згадайте, як вам погано через високу температуру при якомусь захворюванні. Температуру в клітці людини краще не чіпати, для працездатності з позиції організму клітці доведеться регулярно ділитися, і це ж обставина зменшує приріст ds (T) дисс> 0.

Ще одне зауваження. Якщо розглянути питому поверхню тіл різної геометричної форми, то не складно побачити, що мінімальна питома поверхня у кулі. Тому на Півночі і в Сибіру жителі будують будинки у вигляді півсфер, та ще намагаються робити вдома більшими за розміром (d> d 0) на 2-3 сім'ї. Це дозволяє істотно економити свої сили на заготівлю дров до зими. Зате в жарких країнах будинки будують у вигляді витягнутих тел з великим числом прибудов. Для інтенсифікації відводу ентропії з клітки людини остання повинна мати форму, далеку від кулі.

Ентропія керує всім.

Тепер спробуємо уявити собі, що було б, якби ділилися ще й нервові клітини людини (нейрони зі своїми відростками-дендрита і синапсами на їх кінці). Нейрофізіолог відразу прийшов би в жах від такої перспективи: це означало б просто руйнування всієї системи іннервації організму і роботи мозку. Тільки-тільки людина засвоїла якесь знання, придбав якийсь навик, прийом, і раптом все зникло, починай знову або пропадай.

Простим аналогом ділення нервових клітин є путчі, смути, бунти і революції, тобто зміна команди правлячої еліти в якійсь країні. А народи потім довго корчаться, пристосовуючись до нових правителів. Ні, чисто функціонально нервовим клітинам людини не можна дозволити ділитися!

Як же це реалізується, адже ентропія в клітинах організму невблаганно зростає? Перш за все, звернемо увагу на розгалуженість нервової клітини людини, на великий розвиток її теплообмінної поверхні (поверхня тонкої довгої нитки багато більше поверхні кулі того ж обсягу).

Далі, виявляється, організм ретельно пильнує за температурою артеріальної крові, яка надходить у головний мозок. Проявляється це, зокрема, в тому, що у теплокровних тварин створена автономна система (мале коло) кровообігу. Єдиний температурний датчик знаходиться в сонної артерії, за допомогою його організм управляє температурою артеріальної крові, що приходить в мозок. Турбота про регулювання цієї температури дійшла до того, що теплокровні наземні тварини мають додаткову можливість охолодження крові, що надходить в мозок. Виявляється, сонна артерія розгалужується так, що частина крові по байпасу проходить через вушні раковини-теплообмінники. Спеціальний датчик управляє витратою цієї крові. Якщо температура збільшилася понад номінальну, то цей витрата збільшується, кров холоне в вухах на вітерці, далі змішується з основним потоком і направляється в мозок.

Згадайте бідного африканського слона: в спеку доводиться весь час махати вухами. Згадайте, які великі вуха у ссавців в жарких країнах, і які маленькі в холодних. У російській лазні, в парній слід закривати саме вуха, щоб довше із задоволенням попаритися. На лижній прогулянці взимку знову-таки треба закривати вуха, щоб не охолоджувати мозок. У студента-двієчника, що мріє про ганебну трійці, на іспиті або заліку вуха завжди червоні, а у відмінника - вуха нормального кольору. За кольором вух можна відразу визначати оцінку!

Ну, а коли людська головка зовсім перестала думати, тобто накопичила забагато ентропії в нервових клітинах головного мозку, то доведеться піти погуляти, змінити вид діяльності, наприклад, порубати дрова. Нарешті, просто поспати, зняти навантаження на нейрони головного мозку, зменшити виробництво ентропії і за 8 годин нічного сну вивести її з головного мозку за допомогою венозної крові. Виходить, що накопичення ентропії в нервових клітинах людини визначає весь режим його життя: з ранку їдемо на роботу, потім їдемо додому з роботи, трохи відпочинку і далі сон.

От би придумати такий механізм відведення ентропії з нервових клітин, щоб можна було всі 24 години на добу працювати! Скільки було б радості для творчих людей і для експлуататорів! ВВП в країні виріс би відразу більш ніж на 30%! Чи не потрібен транспорт для перевезення людей, не потрібні житла, а тільки робочі місця. Організація життя стала б найпростішої: дитина безперервно вчиться в школі, потім в інституті або профтехучилище, далі людина поміщається на робочому місці і в кінці відвозить в крематорій. Фантасти, хапай ідею!

Напевно, зрозуміло, що виробництво різних цільових продуктів для організму призводить до різної інтенсивності генерації ентропії в різних клітинах людини. Все визначається «складністю», тобто просторової архітектурою молекул цільового речовини і різноманітністю і числом радикалів і атомів в її складі. Чим більше ця «складність», тим більше зменшується ентропія при синтезі з простих радикалів, а й тим більше приріст диссипативной ентропії.

Виробництво чоловічих статевих гормонів у теплокровних наземних тварин відрізняється від виробництва інших необхідних організму речовин. Суть справи в тому, що в цей гормон має бути величезна кількість інформації, яку організм - тато хоче передати жіночої яйцеклітини. Він стурбований передачею своїх властивостей і рис своїй дитині, так як вони дозволили татові виживати в навколишньому його макросвіті.

Фахівці в теорії інформації стверджують, що інформація без її матеріальних носіїв не існує. І таким носієм інформації про властивості і риси тата є молекула гормону, точніше, її архітектура, набір і розташування фрагментів, радикалів і атомів елементів з таблиці Д.І. Менделєєва. І чим більше кількість інформації, ніж вона докладніше й детальніше, тим складніше молекула гормону. Крок вправо, крок вліво - утворюється мутація, відхилення від мрій тата. Отже, синтез такої молекули означає істотне зменшення ентропії в системі, і одночасно виробництво в клітці людини ще більшої кількості диссипативной ентропії.

Простий аналогією є будівництво будівлі. Будівництво царського Зимового палацу в Петербурзі з усіма його архітектурними надмірностями і розкішшю означає сильне зменшення ентропії в порівнянні з будівництвом сільських хат тієї ж корисної площі, але зате кількість сміття (ентропії) після завершення - незрівнянно.

Виробництво чоловічих статевих гормонів у теплокровних наземних тварин так інтенсивно генерує дисипативну ентропію, що міжклітинна рідина з кровоносними судинами не може стільки її відвести з клітин. Бідному самцеві довелося виділити ці органи назовні для обдування холодним атмосферним повітрям. Якщо молодий хлопець сидить на лавці в метро або в автобусі, широко розставивши коліна на превеликий обуренню сусідок-бабусь, то не звинувачуйте його в хамстві, це виходить ентропія. А хлопчаки віком до 15 років, старички і жінки різного віку сидять, скромно і культурно зсунувши коліна.

І в жіночій яйцеклітині після її утворення відбуваються хімічні перетворення, що підтримують її в «боєздатному» стані. Але ентропія невблаганно збільшується з часом, відведення теплоти по суті немає, доводиться організму викидати яйцеклітину, а потім робити нову, створюючи масу неприємностей нашим милим дамам. Якщо цього не робити, то чи зачаття не буде, або будуть народжуватися всякі страшилки. У інших ссавців цих проблем з ентропією в яйцеклітині немає, вони готові до дітородіння протягом малого проміжку часу, та ще строго дискретно: слони - раз в 5-6 років, людиноподібні мавпи - раз в 3 роки, корови - раз на рік, кішки - 3-4 рази на рік. Зате людина - практично безперервно. І за що його так обтяжила природа? А, може бути, ощасливила? Таємниця!

dS = d e S + d i S.

Продифференцировав цей вислів, отримаємо:

dS / dt = d e S / dt + d i S / dt.

dS / dt< 0 if d e S/dt < 0 and |d e S/dt| >d i S / dt.

d i S / dt => A min> 0

Цю умову можна уявити по-іншому:

d / dt (d i S / dt)< 0