ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.12.2021
Просмотров: 326
Скачиваний: 2
Основи біофізики і біомеханіки
35
ГЛАВА 2
ТЕРМОДИНАМІКА
БІОФІЗИЧНИХ ПРОЦЕСІВ
Біологічні системи можуть бути ізольованими, замкненими або
відкритими.
Відкрита система
здійснює обмін енергією і матерією з оточуючим
середовищем.
Замкнена система
не обмінюється речовиною з оточуючим
середовищем, але може обмінюватися енергією.
Ізольована система
не
може обмінюватися з оточуючим середовищем ані енергією, ані
речовиною. Приклад ізольованої системи – термос, замкненої –
зачинена банка з гарячим чаєм, відкритої – чай у блюдці.
Кожна клітина і весь людський організм в цілому є відкритою
біосистемою, і лише в окремих випадках є умови для існування
закритих і ізольованих систем. У біосистемах протікають різноманітні
енергетичні процеси: дихання, фотосинтез, м’язове скорочення,
транспорт речовин тощо. Проте при всій якісній різноманітності ці
процеси можна звести до двох типів: оборотні і необоротні.
Оборотний процес – це такий процес, при якому система в кожен
певний момент часу знаходиться у стані, нескінченно близькому до
термодинамічної рівноваги, і досить лише трохи змінити умови, щоб
процес був обернений
.
При цьому під
термодинамічною рівновагою
розуміють
такий
стан системи, коли градієнти різних видів енергії (хімічної, електричної)
вирівняні, і здатність системи здійснювати роботу дорівнює нулю
.
Повертання оборотного процесу не викликає залишкових змін в довкіллі.
На відміну від цього
при необоротному процесі система
змінюється в напрямку кінцевого стану (при мимовільному протіканні
процесу – до стану рівноваги) з певною швидкістю
. При цьому частина
вільної енергії
системи
1
витрачається у вигляді тепла. Наприклад,
якщо здійснюється механічна робота, то частина витраченої на неї
вільної енергії витрачається при терті. Для того, щоб обернути даний
процес, необхідно компенсувати ці втрати. Отже, обернення
необоротного процесу пов’язано із залишковими змінами у довкіллі.
1
Вільна енергія
– енергія системи, за рахунок якої може здіснюватися робота при сталій
температурі
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
36
Процеси, які протікають у біосистемах, як і в будь-яких інших
системах, є необоротними (нерівноважними), тобто при переході
системи з одного стану в інший, повертання у початковий стан є
неможливим без додаткового притоку енергії ззовні.
Фундаментальним поняттям класичної термодинаміки є
рівноважний
стан системи
,
в якому термодинамічні параметри (об’єм, тиск,
температура тощо) мають однакове значення у всіх точках системи
і не можуть змінюватися з часом самостійно
. Рівноважний стан для
біологічних систем є неприпустимим, бо в цьому випадку неможливе
проходження ніяких спрямованих процесів, крім випадкових відхилень
від положення рівноваги. Тому в термодинаміці біологічних процесів
розглядають
стаціонарний стан системи:
коли параметри системи
також є незмінними у часі, але можуть відрізнятися у різних частинах
системи, тобто існують і постійно підтримуються градієнти
параметрів
. Це можливо лише за рахунок притоку енергії або речовини
з оточуючого середовища.
Розглянемо стаціонарний стан системи
на прикладі
іонного
балансу клітини.
Концентрація іонів калію (
К
+
) всередині клітин
теплокровних у 15-20 разів є вищою, ніж ззовні, а концентрація іонів
натрію (
Na
+
) є у 10-15 разів нижчою. Різниця концентрацій іонів
К
+
підтримується наявністю негативно зарядженого потенціалу на
внутрішньому боці мембрани, який заважає виходу катіонів з клітини.
Це, а також градієнт концентрацій, сприяє просочуванню іонів натрію
всередину клітини, незважаючи на низьку проникність для них
цитоплазматичної мембрани. Підтримання різниці концентрацій
Na
+
потребує витрат енергії. Іони натрію викачуються з клітини
Na-K
насосами, які працюють за рахунок енергії, що виділяється при
гідролізі АТФ. Енергії однієї молекули АТФ достатньо для виведення з
клітини трьох молекул
Na
+
і введення двох молекул
К
+
.
Потрібно мати на увазі, що будь-який живий організм постійно
розвивається і змінюється, і тому в цілому не знаходиться у
стаціонарному стані. Однак протягом невеликого інтервалу часу стан
деяких його ділянок можна розглядати як стаціонарний.
§ 2.1. ЗАКОНИ ТЕРМОДИНАМІКИ БІОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ
Початковий розвиток термодинаміки стимулювався потребами
промислового виробництва. На цьому етапі (XIX ст.) її основні
досягнення полягали у формулюванні законів, розробці теорії циклів і
термодинамічних потенціалів стосовно ідеалізованих процесів (рівно-
важних і оборотних).
Основи біофізики і біомеханіки
37
Відповідно до першого закону термодинаміки різні види енергії
можуть переходити одна в одну, але при цих перетвореннях енергія не
зникає і не з’являється з нічого.
I закон класичної термодинаміки
– це закон збереження енергії
(тепло, яке було надане системі, витрачається на внутрішню енергію
системи і здійснення системою роботи над зовнішніми тілами):
A
dU
Q
,
(2.1.1.)
де
A
Q
,
– функціонали (тобто малі зміни тепла
Q
і роботи
A
),
dU
– повний диференціал внутрішньої енергії як функції стану.
Термодинаміка біологічних систем у цей період не розвивалася.
Одним із яскравих виключень з цього була робота
Р. Майера
, який за
кольором венозної крові матросів, що працювали в умовах тропічного
клімату, сформував застосованість закону збереження енергії у
термодинаміці до живих систем.
Виконання I закону термодинаміки для біологічних систем довели
у 1780 р.
Антуан Лавуазьє
та
П’єр Лаплас
. Вони вимірювали кількість
тепла (за швидкістю танення снігу) та вуглекислого газу, які виділялися
морською свинкою в процесі її життєдіяльності, і порівнювали ці
величини з тепловим ефектом реакцій спалювання до СО
2
продуктів
споживання. Отримані результати свідчили про відсутність різниці між
внутрішньою енергією продуктів споживання і теплом, яке виділялося.
Це доводить, що живі організми не є незалежними постачальниками
енергії, а лише здійснюють перебудову одних видів енергії в інші.
Застосування першого закону термодинаміки до живих систем
полягає в тому, що енергія, яка надходить у живі організми з іжею,
розподіляється у процесі споживання на дві частини:
виділяється в середовище у вигляді тепла та енергії, що
міститься у продуктах життєдіяльності;
відкладається в клітинному матеріалі.
Сума цих двох частин дорівнює внутрішній енергії іжі, що
надходить до організму.
I закон термодинаміки біологічних систем
вказує
,
що
будь-яка
біологічна система є відкритою термодинамічною системою
. Цей
закон встановлює кількісні співвідношення між кількістю тепла,
роботою і зміною внутрішньої енергії термодинамічної системи, але не
визначає напрямок термодинамічних процесів.
За законом Гесса
тепловий ефект будь-якої біохімічної реакції не
залежить від шляху реакції, а визначається лише різницею внутрішніх
енергій вихідних речовин і продуктів реакції (при об’ємі V=const) або
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
38
різницею ентальпій
2
(при постійному тиску р).
Тобто
тепловий ефект
хімічних реакцій залежить тільки від стану вихідної речовини і
кінцевих продуктів.
У біологічних системах процеси здійснюються
при постійному тиску, тому тепловий ефект біохімічних реакцій
дорівнює зміні ентальпій під час реакції.
Існування живого організму потребує підтримання його у
нерівноважному стані, а це неможливо без притоку енергії ззовні.
Людина в якості джерела енергії використовує продукти харчування (а
саме, хімічну енергію, яка є в цих продуктах). Ця енергія вивільнюється
при окисненні речовин, що супроводжується споживанням кисню і
виділенням вуглекислого газу.
Ентропія, як одна з найважливіших термодинамічних функцій
біосистем
. Серед термодинамічних функцій, що характеризують
енергетичний стан біологічного об’єкта, виключно важливе місце
належить ентропії. Поняття ентропії було введене у 1865 році
Рудольфом Клаузіусом
, і з тих пір ця функція привертає увагу
фізиків, фізикохиміків та біологів. Адже живий організм – це перш за
все енергетична система, де діють ті самі закони термодинаміки, що і в
неживій природі.
Ентропія
3
характеризує
витрати енергії при необоротних
процесах, які відбуваються зазвичай у вигляді тепла
. Таким чином,
ентропія відображує ту частину енергії системи, яка розсіялася,
деградувала в тепловій формі і не може вже бути використана для
здійснення роботи при сталій температурі.
Тобто при оборотних процесах зміна ентропії дорівнює нулю (ΔS = 0),
а при необоротних вона позитивна (ΔS > 0). Таким чином, чим
меншими в системі є градієнти енергії і чим більше у ній розсіяної у
вигляді тепла деградованої енергії, тим більшою є її ентропія.
Практична відсутність оборотних процесів у біологічних системах
обумовлює той факт, що усі процеси, що в них протікають,
супроводжуються збільшенням ентропії. Отже, в біосистемах не вся
2
Ентальпія
або
теплоємність
– кількість тепла, яке необхідне для підвищення або
зниження температури тіла без зміни його хімічного стану.
3
Ентропія
– функція стану системи, диференціал якої в нескінченно малому зворотному
процесі дорівнює відношенню нескінченно малої кількості тепла, яке було передано
системі, до абсолютної температури останньої: dS =
T
Q
, де диференціал dS є повним.
Одиницею вимірювання ентропії в системі СІ є Дж/К. Ентропія є мірою
невпорядкованості системи, і її зростання в ізольованій системі вказує на бажання
системи перейти з впорядкованого – до хаотичного стану
.
Основи біофізики і біомеханіки
39
вільна енергія, що витрачається при певному процесі, переходить у
корисну роботу. Частина її розсіюється у вигляді тепла. Відношення
кількості виконаної роботи до кількості витраченої на неї вільної
енергії називається
коефіцієнтом корисної дії (ККД) біологічного процесу.
Так, м’язове скорочення здійснюється з ККД ~ 30 %, гліколіз ~ 36 %.
Як видно, втрати вільної енергії при цих процесах вельми великі.
Зустрічаються, проте, і такі процеси, які близькі до оборотних, тобто
ККД яких є високим. Наприклад, свічення деяких тропічних комах має
ККД 98-99 %, розряд електричних риб – 98 %. Причина такого
високоефективного використання вільної енергії доки не зовсім ясна.
Таким чином, чим більшим є збільшення ентропії при даному процесі,
тим ймовірнішою є необоротність цього процесу.
II закон термодинаміки біологічних систем
.
Згідно з другим
законом класичної термодинаміки, зміна ентропії (
dS
) більше або
дорівнює величині поглиненого системою елементарного тепла:
dS ≥
T
Q
,
(2.1.2.)
де
Т
– температура (К).
Для ізольованої системи (
Q
= 0) другий закон термодинаміки
приймає вигляд:
dS ≥ 0
(2.1.3.)
Тобто ентропія ізольованої системи або зростає (у необоротних
процесах), або залишається незмінною (при оборотних процесах). Цей
принцип відображує фундаментальний закон природи і в загальній
формі встановлює, що в ізольованій системі енергія самостійно може
переходити лише від більш високого рівня до нижчого, а не навпаки.
Як постулював Р. Клаузіус, «теплота не може переходити сама собою
від більш холодного тіла до більш теплого». Це є критерієм еволюції
класичної термодинаміки (к р и т е р і й К л а у з і у с а ):
ізольована
система наближує досягнення кінцевого стану з максимальною
ентропією
.
Таким чином в ізольованій системі можуть самостійно протікати
лише такі процеси, при яких ентропія або залишається постійною
(оборотні), або збільшується (необоротні). Самостійного зменшення
ентропії у такій системі не відбувається. При цьому, навіть, якщо в
результаті випадкових флуктуацій ентропія зменшиться на деяку
величину, то в системі самостійно відбудуться такі процеси, які
повернуть її у стан з максимальною ентропією.