Высокая энтропия биологической системы. Энтропия жизни. Взаимодействие между экосистемами

Энтропия представляет меру вероятности пребывания системы в данном состоянии. Оказалось, что энтропия является одним из фундаментальных свойств любых систем с вероятностным поведением, обеспечивающим новые уровни понимания в кодировании информации, в системном анализе, лингвистике, биологии, обработке изображений и т. п. Влияние внешней информации на систему может быть оценено через изменение энтропии состояния системы.

При достижении системой стационарного состояния суммарное изменение энтропии можно считать приблизительно равным нулю, что соответствует взаимной компенсации всех процессов, связанных с поступлением, удалением и превращением вещества, энергии и информации.

Нобелевский лауреат И. Пригожин сформулировал основное свойство стационарного состояния открытых систем при фиксированных внешних параметрах скорость воспроизведения энтропии, обусловленная протеканием необратимых процессов, постоянна во времени и минимальная по величине dЭ/dt → min.

Таким образом, согласно теореме И. Пригожина, стационарное состояние характеризуется минимальным рассеянием энтропии. Для живых систем это положение можно сформулировать так: поддержание гомеостазиса требует минимального потребления энергии, т.е. здоровый организм стремится работать в самом экономном энергетическом режиме. Что касается заболеваний организма, то оно связано с дополнительными энергетическими затратами для компенсации приобретенных или врожденных биологических дефектов и с ростом энтропии.

В динамической системе может быть несколько стационарных состояний, отличающихся уровнем воспроизведения энтропии dЭk/dt. С этой точки зрения состояние организма может быть описано в виде набора энергетических уровней, некоторые из которых устойчивы (уровни 1 и 4), другие нестабильные (уровни 2, 3, 5). При наличии постоянно действующего внешнего или внутреннего возмущения может происходить скачкообразный переход из одного состояния в другое. Любое восполнение характеризуется увеличенным потреблением энергии: температура тела повышается, увеличивается скорость обменных процессов. Отклонение от стационарного состояния с минимальными энергозатратами вызывает развитие внутренних процессов, стремящихся вернуть систему обратно, к уровню 1. При длительных действиях факторов система может перейти к уровню 3, в так называемую точку бифуркации, из которой возможно несколько исходов: возвращение на стабильный уровень 1, переход в другое устойчивое равновесное состояние 4, характеризующееся новым энергоинформационным уровнем, или скачок на более высокий, нестабильный уровень 5.

Для организма это соответствует нескольким адаптационным уровням относительно здоровья или хронического заболевания с разными уровнями функционирования системы. Острое заболевание соответствует нестационарному состоянию с повышенным воспроизведением энтропии, т.е. неэкономному типу функционирования организма. Согласно математической теории катастроф, при острых заболеваниях необходимо скачком перевести организм из "плохого" устойчивого состояния в "хорошее". При этом используют большие дозы лекарственных препаратов. В фазе затухающего обострения болезней возрастает роль малых воздействий, например акупунктуры и гомеопатических средств, оказывающих положительное воздействие.

Мультистабильность сложных нелинейных систем, какой является организм человека, вероятностная природа его постоянного развития и самоорганизация приводят к необходимости поиска "системообразующих факторов", к которым относится и энтропия.

Как показано в, энтропия является информативной характеристикой состояния организма и может использоваться для оценки его состояния и определения направления терапии больных. В предложен метод вычисления энтропии газоразрядной визуализации (ГРВ) биологических объектов и соответствующее программное обеспечение.

Одним из важных законов термодинамики считается закон энтропии.

Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть использована для производства работы. Поэтому в отличие от свободной энергии она представляет собой деградированную, отработанную энергию. Если обозначить свободную энергию через F, энтропию через S, то полная энергия системы Е будет равна Е = F+ ВТ, где Т – абсолютная температура по Кельвину.

Согласно второму закону термодинамики энтропия в замкнутой системе постоянно возрастает и в конечном счете стремится к своему максимальному значению. Следовательно, по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции замкнутой системы, а тем самым и о времени ее изменения. Так впервые в физическую науку были введены понятия времени и эволюции, связанные с изменением систем. Но понятие эволюции в классической термодинамике рассматривается совсем иначе, чем в общепринятом смысле. Это стало вполне очевидным после того, когда немецкий ученый Л. Баяьцман(1844–1906) стал интерпретировать энтропию как меру беспорядка (хаоса) в системе.

Таким образом, второй закон термодинамики можно было теперь сформулировать так: замкнутая система, предоставленная самой себе, стремится к достижению наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации. Хотя чисто формально дезорганизацию можно рассматривать как самоорганизацию с отрицательным знаком или самодезорганизацию, тем не менее, такой взгляд ничего общего не имеет с содержательной интерпретацией самоорганизации как процесса становления качественно нового, более высокого уровня развития системы. Но для этого необходимо было отказаться от таких далеко идущих абстракций, как изолированная система и равновесное состояние.

Между тем классическая термодинамика именно на них как раз и опиралась и поэтому рассматривала, например, частично открытые системы или находящиеся вблизи от точки термодинамического равновесия как вырожденные случаи изолированных равновесных систем.

Наиболее фундаментальным из таких понятий, как уже отмечалось выше, стало понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной или даже уменьшаться. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В конечном итоге прежняя структура разрушается. Между элементами системы возникают новые когерентные, или согласованные, отношения, которые приводят к кооперативным процессам. Так, схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах, которые связаны с диссипацией, или рассеянием, энтропии в окружающую среду.

Некоторые особенности термодинамики живых систем. Второе начало термодинамики устанавливает обратную зависимость энтропии и информации. Информация(I) является важным фактором эволюции биологических систем – это мера организованности системы, то есть упорядоченности расположения и движения её частиц. Информация выражается в битах, причём 1 бит информации эквивалентен 10 -23 Дж/К (очень малой величине), но в любой системе имеет место закон сохранения: I + S = const

В биологических системах химические реакции протекают при постоянных объёме и давлении, поэтому, обозначив изменение общей энергии системы как DE , способность системы совершать полезную работу можно выразить уравнением:

Это уравнение можно записать и в другой форме:

означающей, что общий запас энергии в системе расходуется на совершение полезной работы и на рассеяние её в виде теплоты.

Другими словами, и в биологической системе изменение общей энергии системы равно изменениям энтропии и свободной энергии .В системе при постоянных температуре и давлении самопроизвольно могут совершаться только такие процессы, в результате которых энергия Гиббса уменьшается. Самопроизвольный процесс приводит к состоянию равновесия при котором DG = 0. Из этого состояния без внешнего воздействия система выйти не может. Для живого организма состояние термодинамического равновесия означает его гибель. Поэтому для функционирующих открытых систем вводят представление о стационарном состоянии , для которого характерно постоянство параметров системы, неизменность во времени скоростей притока и удаления веществ и энергии.При этом открытая система в каждый данный момент не отвечает условиям стационарного состояния, только при рассмотрении среднего значения параметров открытой системы за сравнительно большой промежуток времени, установлено их относительное постоянство. Таким образом, открытая система в стационарном состоянии во многом сходна с системой, находящейся в термодинамическом равновесии – для них наблюдается неизменность свойств системы во времени (табл. 5).

Минимальное значение свободной энергии соответствует состоянию равновесия – стационарному состоянию .

Таблица 5

Свойства термодинамически равновесных и стационарных систем

Состояние термодинамического равновесия	Стационарное состояние
1. Отсутствие обмена с окружающей средой, веществом и энергией	1. Непрерывный обмен с внешней средой, веществом и энергией
2. Полное отсутствие в системе каких-либо градиентов	2. Наличие постоянных по величине градиентов
3. Энтропия системы постоянна и соответствует максимальному в данных условиях значению	3. Энтропия системы постоянна, но не соответствует максимальному в данных условиях значению
4. Изменение энергии Гиббса равно нулю	4. Для поддержания стационарного состояния необходимы постоянные затраты энергии Гиббса
5. Система нереакционноспособная и не совершает работу против внешних воздействий. Скорости процессов, протекающих в противоположных направлениях равны	5. Реакционноспособность (работоспособность) системы постоянна и не равна нулю. Скорость процесса в одном из направлений больше, чем в другом

		Зависимость между изменениями свободной энергии и изменениями энтропии в системе и окружающей среде в условиях постоянства температуры и давления показана на рис. 8. Если система (в том числе живой организм) претерпевает какие-либо превращения, ведущие к установлению равновесия, то общая энергия системы и окружающей среды остаётся постоянной, а общая энергия самой системы может либо уменьшаться, либо оставаться неизменной, либо увеличиваться. В ходе этих превращений система либо отдаёт тепло внешней среде, либо поглощает извне. Общая энтропия системы и окружающей среды будет увеличиваться до тех пор, пока не будет, достигнут максимум , соответствующий состоянию равновесия. Стремление энтропии к максимуму является истинной движущей силой любых процессов. Однако это не означает, что все процессы, ведущие к установлению равновесия должны сопровождаться увеличением энтропии самой системы. Энтропия самой системы может увеличиваться, уменьшаться или оставаться неизменной. Если энтропия системы уменьшается, то, согласно второму закону термодинамики, энтропия окружающей среды должна увеличиваться таким образом, чтобы общая энтропия системы и окружающей среды увеличивалась. Именно это и происходит, когда растёт живой организм: энтропия организма (как системы ) уменьшается, а энтропия окружающей среды увеличивается. Математическими выражениями второго начала термодинамики для открытых систем являются:
Рис. 8. Возможные изменения свободной энергии и энтропии рассматриваемой системы и окружающей среды, когда температура, давление и объём системы постоянны.

где – общее изменение энтропии системы за промежуток времени ; – производство энтропии внутри системы, обусловленное протеканием в ней необратимых процессов (например, деструкция сложных молекул пищевых веществ и образование большого числа более простых молекул); – изменение энтропии, обусловленное взаимодействием открытой системы с окружающей средой;

где – изменение энергии Гиббса, противоположное по знаку изменению энтропии; – изменение энергии Гиббса внутри системы; – разница между изменением энергии Гиббса внутри системы и внешней среде.при стационарном состоянии рассеяние энергии Гиббса открытой системой оказывается минимальным. Живой организм, представляющий открытую систему, поставлен природой в выгодные с точки зрения энергообеспечения условия: поддержание относительного постоянства его внутренней среды, называемого в биологии гомеостазисом требует минимального потребления энергии Гиббса .

Таким образом,живой организм – это открытая система , обменивающаяся с окружающей средой энергией, материей и информацией Жизнедеятельность биологических объектов показывает, что они «не хотят» подчинятся законам линейной термодинамики для изолированных систем , для которых устойчивым является равновесное состояние с минимумом свободной энергии и максимумом энтропии.

Многие системы неживой и особенно живой природы требуют принципиально другого подхода – как к сложным самоорганизующимся объектам , в которых идут неравновесные нелинейные процессы когерентного характера . Физику живого можно рассматривать как феномен пост - неклассической физики. С возникновением теоретической базы биологии, развитием молекулярной биологии и генетики удаётся объяснить механизмы организации живого, передачи генетического кода, синтеза ДНК, аминокислот, белкови других важных для жизни молекулярных соединений физико-химическими причинами .

«Не может человек найти суть дела, что делается под солнцем,
-сколько б ни трудился искать человек – не найдет;
и если даже скажет мудрец, что сумеет, - не найдет».
Соломон Мудрый, царь иудейский, Х век до н.э.

Таков сей мир, а отчего он так,
Того не ведает ни умный, ни дурак.
Д. И. Фонвизин (1745 – 1792).

Системой можно назвать совокупность взаимодействующих частей. Опытным фактом является то обстоятельство, что некоторые свойства частей диктуются самой системой, что интегративные, системные свойства этой совокупности не являются свойствами самих частей. Для человека с индуктивным мышлением эта идея является крамолой и ее хочется предать анафеме.

Клетка в живом организме человека.

Клетка человека является частью организма. Внутренний геометрический объем клетки ограничен от внешней среды мембраной, оболочкой. Через эту границу происходит взаимодействие среды и клетки. Будем рассматривать клетку человека с ее оболочкой как термодинамическую систему, даже если великие термодинамики современности сочтут клетку собственного организма вульгарным и недостойным для термодинамики объектом рассмотрения.

По отношению к клетке человека внешняя среда – это межклеточная жидкость, водный раствор. Ее состав определяется обменом химическими веществами с кровеносными сосудами (капиллярами) и обменом с множеством клеток. Из межклеточной жидкости в клетку через оболочку поступают «полезные» вещества и кислород. Из клетки через ту же оболочку выходят в межклеточную жидкость продукты жизнедеятельности, это необходимые для организма вещества, побочные продукты, шлаки, не прореагировавшие компоненты. Следовательно, клетка человека, как термодинамическая система, взаимодействует с внешней средой химически . Потенциал этого взаимодействия обозначим традиционно буквой μ, а координату состояния этого рода взаимодействия обозначим m. Тогда количество этого взаимодействия внешнего мира и клетки организма равно

где j – номер маршрута последовательных и/или параллельных химических превращений, m j – масса вновь образовавшегося j-го вещества. Индекс (е) вверху означает, что следует брать величину j-го потенциала превращения для внешней среды, т.е. для межклеточной жидкости.

Одновременно, через оболочку клетки организма осуществляется термическое взаимодействие с потенциалом Т (абсолютная температура) и координатой термического рода s (энтропия). Количество взаимодействия – T (e) ds.

Деформационным взаимодействием (потенциал – давление, координата состояния – удельный объем системы) для жидкостей пренебрегаем.

Тогда первый закон термодинамики для термо-химической системы записывается в стандартной форме:

du = μ j (e) dm j + T (e) ds ,

где u – внутренняя энергия системы.

Если потенциалы в клетке организма μ j (i) и Т (i) близки к потенциалам снаружи, то наступает равновесие. Равновесность означает, что количество исходных реагентов и количество продуктов реакций в обратимых химических превращениях становятся неизменными (все химические реакции – обратимы).

Системное свойство организма заключается в том, что функциональное назначение каждой клетки человека - производство веществ, необходимых организму (белки, жиры, ферменты, энергоносители и т.п.). Клетка должна выдавать эти вещества в межклеточную жидкость и далее в кровеносную систему. Следовательно, состояние клетки человека должно быть неравновесным, а процессы обмена – необратимыми. Это значит, что если

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

Для рассматриваемой ситуации (необратимость) первый закон термодинамики принимает вид:

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

Последний член в этом уравнении обусловлен необратимостью процесса химического взаимодействия. И, согласно второму закону термодинамики, эта необратимость обязательно приводит к росту энтропии:

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

Все происходит так, как будто необратимость при взаимодействии любого рода «включает» в термодинамической системе источник теплоты с активностью T (i) ds (m) дисс, клетка организма нагревается (не обязательно в смысле роста температуры, как на кухне, а в более широком смысле - подвода теплоты). Рост энтропии в клетке человека безусловно искажает течение химических реакций (об этом чуть дальше). Происходит генерация ненужных организму веществ, мусора, шлаков, происходит разбавление раствора. Организму приходится отводить энтропию из клетки, а то она такого ему наделает!

Один из путей отвода энтропии указывает термодинамика: необходимо уменьшить термический потенциал Т (е) , сделать его меньше Т (i) . А чтобы реализовать отвод теплоты, разность температур ΔТ = Т (i) – Т (e) должна снова быть конечной величиной, следовательно, процесс теплообмена станет тоже необратимым, появится еще один источник теплоты с активностью T (i) ds (T) дисс. Окончательно, первый закон термодинамики для термо-химической системы с необратимыми процессами обмена примет вид:

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

Первые два члена в du справа ответственны за обратимые процессы взаимодействия, последние два – за необратимые, причем последний обусловлен предпоследним. Следовательно, часть внутренней энергии системы необратимо превращается в теплоту, т.е. клетка человека генерирует энтропию .

На этом остановимся в применении термодинамического метода анализа клетки в живом организме. Остановка определяется смыслом эпиграфов к этой статье: для этого метода исследования необходима еще количественная информация, которой мы не располагаем. Но и то, что получили, дорогого стоит! Осталось делать комментарий и получать следствия.

Чем опасна энтропия в клетке организма?

Попробуем понять, почему рост энтропии ds (m) дисс > 0 и ds (T) дисс > 0 опасен для организма. А может быть этот рост благоприятен?

Организм «требует» от клетки ее функционирования, выполнения полезных и необходимых ему потребительских услуг в виде производства каких-то веществ. Причем, требует реализации этих услуг «быстро» в каком-то смысле. Скорость превращений обусловлена конечностью разностей потенциалов, применением катализаторов и специальных транспортных молекул. Но в любой ситуации необходимо расположить молекулы реагентов плотно и рядом (в геометрическом смысле). Далее, молекулы реагентов за счет своей энергии Е должны «возбудить» электронные оболочки каких-то атомов, затем может произойти акт соединения, синтеза с образованием новых веществ.

Молекулы в клетке человека имеют, как правило, сложную пространственную трехмерную структуру. И потому у таких молекул много степеней свободы движения элементов. Это может быть вращательное движение фрагментов молекулы, это может быть колебательное движение тех же фрагментов и отдельных атомов. Наверное, вращение крупных фрагментов молекулы в жидкой фазе затруднено, очень уж тесно. Вращаются, по-видимому, только мелкие фрагменты. А вот колебаниям мелких фрагментов и отдельных атомов молекулы высокая плотность жидкой фазы не очень мешает. Во всяком случае, число степеней свободы движения у такой молекулы огромно, следовательно, общее число W вариантов распределения энергии Е по этим степеням свободы еще больше. Если следовать Больцману и принять

то рост энтропии в клетке организма приводит к отводу энергии от вариантов, способных возбудить электронные оболочки с последующим образованием «нужных» веществ. Да еще при таком росте энтропии начинают синтезироваться побочные продукты.

Организму придется навести порядок в клетке человека, отвести энтропию из объема клетки, чтобы сосредоточить энергию молекул в «полезных» степенях свободы. Бедный организм, даже на клеточном уровне у него нет халявы: хочешь что-то ценное получить, убирай энтропию из клетки.

Методы интенсификации отвода энтропии.

Из теории теплопередачи следует, что количество теплоты

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

где k – коэффициент теплопередачи, F – поверхность теплообмена (оболочки клетки организма), τ – время, ρ – плотность системы. Поделим обе части этого уравнения на объем клетки V. Тогда слева появится множитель F/V ∼ d -1 , где d – характерный размер клетки организма. Следовательно, чем мельче клетка, тем интенсивнее идет процесс отвода энтропии при одной и той же разности термических потенциалов. Более того, с уменьшением размера d можно уменьшить эту разность при том же dQ и, следовательно, меру термической необратимости ds (T) дисс.

Иными словами, генерация энтропии происходит в объеме клетки V ∼ d 3 , а отвод энтропии из клетки человека осуществляется через поверхность F ∼ d 2 (см. рис. 1).

Рис. 1. Иллюстрация к определению критического размера клетки организма.

Но клетка увеличивает свою массу и, следовательно, объем. И пока d d 0 поверхность отводит меньше энтропии, чем ее генерируется, да еще в темпе внешней среды. При d > d 0 , наступит «разогрев» клетки, она начнет вредить организму. Что же делать? С одной стороны, клетке человека надо увеличивать свою массу, а, с другой, нельзя увеличивать свой размер. Единственный путь «спасения» клетки и организма – деление клетки. Из «большой» клетки размером d 0 (считая пока для простоты клетку человека сферической) образуется два «ребенка» размером d р:

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

Размер «детей» будет на 20% меньше размера «матушки». На рис. 2 представлена динамика размера клетки человека в организме.

Рис. 2. Динамика размера клетки организма. d 00 – размер клетки у новорожденного.

Замечание . Увеличение интенсивности отвода энтропии из клетки человека возможно не только уменьшением температуры T (e) межклеточной жидкости и, следовательно, крови в капиллярах, но и увеличением температуры T (i) внутри клетки организма. Но такой способ изменит весь химизм в клетке, она перестанет выполнять свои функции в организме, да еще начнет производить всякий «мусор». Вспомните, как вам плохо из-за высокой температуры при каком-то заболевании. Температуру в клетке человека лучше не трогать, для работоспособности с позиции организма клетке придется регулярно делиться, и это же обстоятельство уменьшает прирост ds (T) дисс > 0.

Еще одно замечание . Если рассмотреть удельную поверхность тел различной геометрической формы, то не сложно увидеть, что минимальная удельная поверхность у шара. Поэтому на Севере и в Сибири жители строят дома в виде полусфер, да еще стараются делать дома большими по размеру (d > d 0) на 2-3 семьи. Это позволяет существенно экономить свои силы на заготовку дров к зиме. Зато в жарких странах дома строят в виде вытянутых тел с большим числом пристроек. Для интенсификации отвода энтропии из клетки человека последняя должна иметь форму, далекую от шара.

Энтропия управляет всем.

Теперь попробуем представить себе, что было бы, если бы делились еще и нервные клетки человека (нейроны со своими отростками-дендритами и синапсами на их конце). Нейрофизиолог сразу пришел бы в ужас от такой перспективы: это означало бы просто разрушение всей системы иннервации организма и работы мозга. Только-только человек усвоил какое-то знание, приобрел какой-то навык, прием, и вдруг все исчезло, начинай снова или пропадай.

Простым аналогом деления нервных клеток являются путчи, смуты, бунты и революции, т.е. смена команды правящей элиты в какой-то стране. А народы потом долго корчатся, приспосабливаясь к новым правителям. Нет, чисто функционально нервным клеткам человека нельзя позволить делиться!

Как же это реализуется, ведь энтропия в клетках организма неумолимо растет? Прежде всего, обратим внимание на разветвленность нервной клетки человека, на большое развитие ее теплообменной поверхности (поверхность тонкой длинной нити много больше поверхности шара того же объема).

Далее, оказывается, организм тщательно бдит за температурой артериальной крови, поступающей в головной мозг. Проявляется это, в частности, в том, что у теплокровных животных создана автономная система (малый круг) кровообращения. Единственный температурный датчик находится в сонной артерии, с помощью его организм управляет температурой артериальной крови, приходящей в мозг. Забота о регулировании этой температуры дошла до того, что теплокровные наземные животные имеют дополнительную возможность охлаждения крови, поступающей в мозг. Оказывается, сонная артерия разветвляется так, что часть крови по байпасу проходит через ушные раковины-теплообменники. Специальный датчик управляет расходом этой крови. Если температура увеличилась сверх номинальной, то этот расход увеличивается, кровь остывает в ушах на ветерке, далее смешивается с основным потоком и направляется в мозг.

Вспомните бедного африканского слона: в жару приходится все время махать ушами. Вспомните, какие большие уши у млекопитающих в жарких странах, и какие маленькие в холодных. В русской бане, в парной следует закрывать именно уши, чтобы подольше с удовольствием попариться. На лыжной прогулке зимой опять-таки надо закрывать уши, чтобы не охлаждать мозг. У студента-двоечника, мечтающего о позорной тройке, на экзамене или зачете уши всегда красные, а у отличника – уши нормального цвета. По цвету ушей можно сразу определять оценку!

Ну, а когда человеческая головка совсем перестала соображать, т.е. накопила многовато энтропии в нервных клетках головного мозга, то придется пойти погулять, сменить вид деятельности, например, порубить дрова. Наконец, просто поспать, снять нагрузку на нейроны головного мозга, уменьшить производство энтропии и за 8 часов ночного сна вывести ее из головного мозга с помощью венозной крови. Получается, что накопление энтропии в нервных клетках человека определяет весь режим его жизни: с утра едем на работу, потом едем домой с работы, немного отдыха и далее сон.

Вот бы придумать такой механизм отвода энтропии из нервных клеток, чтобы можно было все 24 часа в сутки работать! Сколько было бы радости для творческих людей и для эксплуататоров! ВВП в стране вырос бы сразу более чем на 30%! Не нужен транспорт для перевозки людей, не нужны жилища, а только рабочие места. Организация жизни стала бы простейшей: ребенок непрерывно учится в школе, потом в институте или профтехучилище, далее человек помещается на рабочем месте и в конце отвозится в крематорий. Фантасты, хватай идею!

Наверное, понятно, что производство разных целевых продуктов для организма приводит к разной интенсивности генерации энтропии в разных клетках человека. Все определяется «сложностью», т.е. пространственной архитектурой молекул целевого вещества и разнообразием и числом радикалов и атомов в ее составе. Чем больше эта «сложность», тем больше уменьшается энтропия при синтезе из простых радикалов, но и тем больше прирост диссипативной энтропии.

Производство мужских половых гормонов у теплокровных наземных животных отличается от производства других необходимых организму веществ. Суть дела в том, что в этом гормоне должно быть огромное количество информации, которое организм - папа хочет передать женской яйцеклетке. Он озабочен передачей своих свойств и черт своему ребенку, так как они позволили папе выживать в окружающем его макромире.

Специалисты в теории информации утверждают, что информация без ее материальных носителей не существует. И таким носителем информации о свойствах и чертах папы является молекула гормона, точнее, ее архитектура, набор и расположение фрагментов, радикалов и атомов элементов из таблицы Д.И. Менделеева. И чем больше количество информации, чем она подробнее и детальнее, тем сложнее молекула гормона. Шаг вправо, шаг влево – образуется мутация, отклонение от мечтаний папы. Следовательно, синтез такой молекулы означает существенное уменьшение энтропии в системе, и одновременно производство в клетке человека еще большего количества диссипативной энтропии.

Простой аналогией является строительство здания. Строительство царского Зимнего дворца в Петербурге со всеми его архитектурными излишествами и роскошью означает сильное уменьшение энтропии по сравнению со строительством деревенских изб той же полезной площади, но зато количество мусора (энтропии) после завершения – несоизмеримо.

Производство мужских половых гормонов у теплокровных наземных животных так интенсивно генерирует диссипативную энтропию, что межклеточная жидкость с кровеносными сосудами не может столько ее отвести из клеток. Бедному самцу пришлось выделить эти органы наружу для обдува холодным атмосферным воздухом. Если молодой парень сидит на скамейке в метро или в автобусе, широко раздвинув колени к вящему возмущению соседок-старушек, то не обвиняйте его в хамстве, это выходит энтропия. А мальчишки в возрасте до 15 лет, старички и женщины всех возрастов сидят, скромно и культурно сдвинув колени.

И в женской яйцеклетке после ее образования происходят химические превращения, поддерживающие ее в «боеспособном» состоянии. Но энтропия неумолимо увеличивается со временем, отвода теплоты по существу нет, приходится организму выбрасывать яйцеклетку, а потом делать новую, создавая массу неприятностей нашим милым дамам. Если этого не делать, то или зачатия не будет, или будут рождаться всякие ужастики. У других млекопитающих этих проблем с энтропией в яйцеклетке нет, они готовы к деторождению в течение малого промежутка времени, да еще строго дискретно: слоны – раз в 5–6 лет, человекообразные обезьяны – раз в 3 года, коровы – раз в год, кошки – 3–4 раза в год. Зато человек – практически непрерывно. И за что его так отяготила природа? А, может быть, осчастливила? Тайна!

а) система с большей упорядоченностью имеет более высокую энтропию и наоборот;

б) любой физический процесс в изолированной системе повышает энтропию системы;

в) все реальные физические процессы обратимы;

г) во всех биологических системах энтропия всегда отрицательна;

д) энергия и энтропия взаимопревращаемы.

Какое одно утверждение, приведенное ниже, верно?

а) энтропия может превращаться в энергию;

б) любой физический процесс в изолированной системе понижает энтропию системы;

в) понижение энтропии всегда повышает энергию системы;

г) во всех биологических системах энтропия отсутствует.

3-5.96. Правильно выбранные последовательности электромагнитных излучений в порядке убывания длин волн (энергий), это:

а) радиоволны, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи;

б) радиоволны, инфракрасные лучи, ультрафиолетовые лучи;

в) ультрафиолетовые лучи, радиоволны, инфракрасные лучи;

г) инфракрасные лучи, радиоволны, ультрафиолетовые лучи.

3-5.97. Увеличению процесса беспорядка в системе соответствует:

а) возрастание энтропии;

б) убывание энтропии;

в) энтропия остается неизменной;

г) возрастание энергии;

д) убывание энергии.

Какое перечисленное ниже излучение обладает наибольшей энергией?

а) микроволновое;

б) инфракрасное;

в) гамма-излучение;

г) реликтовое.

3-5.99. Процесс передачи внутренней энергии без совершения механической работы, называется:

а) теплообмен;

б) броуновское движение;

в) фотосинтез;

г) эффект Комптона.

3-5.100. Ученый, давший имя единице измерения энергии, это:

б) Джоуль;

в) Вольта;

д) Эрстед.

Какое утверждение относительно энергетического состояния системы верно?

а) при обратимом процессе система возвращается в исходное состояние;

б) система закрыта, если она обменивается энергией с окружающей средой;

в) система закрыта, если она обменивается веществом с окружающей средой;

г) система открыта, если в ней идут процессы диффузии.

3-5.102. Действие закона сохранения биомассы Вернадского основывается на:

а) законе сохранения энергии;

б) постоянстве неэнтропии;

в) биогенетическом законе Геккеля;

г) теории диссипативных структур Пригожина;

д) законе сохранения массы.

Какое утверждение относительно процессов в системе верно?

Рассмотрена одна из наиболее важных термодинамических функций - энтропия. Описаны свойства этой функции и значение, которое она имеет в биосистемах.

ЭНТРОПИЯ БИОСИСТЕМ

ВВЕДЕНИЕ

Среди термодинамических функций, характеризующих энергетическое состояние биологического объекта, исключительно важное место принадлежит энтропии. Понятие энтропии было введено в 1865 году Рудольфом Клаузиусом, и с тех пор эта функция привлекает внимание физиков и физикохимиков. Широко используется энтропия и биологами , что вполне понятно. Ведь живой организм - это прежде всего энергетическая система, где действуют те же законы термодинамики, что и в неживой природе. Следует, однако, учесть, что живые организмы характеризуются некоторыми особенностями, которые отсутствуют у физических объектов. Это, как известно, размножение, развитие и т.д. Поэтому энергетический обмен таких систем обладает качественным своеобразием и требует специального анализа.

Почему для этого анализа мы взяли именно энтропию? Это связано с тем, что данная функция дает наиболее полную и в то же время обобщенную характеристику системы. Она может указывать, какие процессы возможны в данных условиях и до какого предела они могут идти.

ЧТО ТАКОЕ ЭНТРОПИЯ

Энтропия - очень "скользкая" термодинамическая функция. Многие о ней слышали, но далеко не все представляют, что это такое. Конечно, можно сказать (как это сделает физик), что изменение энтропии системы при равновесном процессе равно отношению теплоты, сообщенной системе, к абсолютной температуре: dS = dQ / T, что с повышением температуры (неадиабатическим путем) энтропия системы возрастает, что она представляет собой функцию состояния, то есть ее изменение не зависит от формы пути и, следовательно, в замкнутом контуре ее изменение равно нулю и т.д. Но все это мало удовлетворит биолога, поэтому начнем несколько издалека.

В биосистемах протекают самые разные энергетические процессы: дыхание, фотосинтез, мышечное сокращение, транспорт веществ и т.д. Однако при всем качественном разнообразии эти процессы можно попытаться свести к двум типам: обратимые и необратимые. Обратимый процесс - это такой, при котором система в каждый данный момент времени находится в состоянии, бесконечно близком к термодинамическому равновесию, и достаточно лишь незначительно изменить условия, чтобы процесс был обращен. При этом под термодинамическим равновесием понимают такое состояние системы, когда градиенты различных видов энергии (химической, электрической) выровнены и способность системы совершать работу равна нулю. Обращение обратимого процесса не вызывает остаточных изменений в окружающей среде.

В отличие от этого при необратимом процессе система изменяется по направлению к конечному состоянию (при самопроизвольном протекании процесса - к состоянию равновесия) с определенной скоростью. При этом часть свободной энергии системы (то есть той энергии системы, за счет которой может совершаться работа при постоянной температуре) теряется в виде тепла. Например, если совершается механическая работа, то часть затраченной на нее свободной энергии теряется при трении. Для того чтобы обратить данный процесс, необходимо компенсировать эти потери. Следовательно, обращение необратимого процесса связано с остаточными изменениями в окружающей среде. Потери энергии при необратимых процессах, которые происходят обычно в виде тепла, и характеризует энтропия. Таким образом, энтропия отражает ту часть энергии системы, которая рассеялась, деградировала в тепловой форме и не может уже быть использована для совершения работы при постоянной температуре. Из сказанного становится ясным, что при обратимых процессах изменение энтропии равно нулю (DS = 0), а при необратимых оно положительно (DS > 0). Таким образом, чем меньше в системе градиенты энергии и чем больше в ней рассеянной в виде тепла деградированной энергии, тем больше ее энтропия.

Особенностью биосистем является то, что в них практически нет обратимых процессов. Все процессы, которые в них протекают, носят необратимый характер, то есть сопровождаются увеличением энтропии. Следовательно, в биосистемах не вся затрачиваемая при данном процессе свободная энергия переходит в полезную работу. Часть ее рассеивается в виде тепла. Отношение количества совершенной работы к количеству затраченной на нее свободной энергии называется коэффициентом полезного действия биологического процесса. Так, мышечное сокращение совершается с КПД ~ 30%, гликолиз ~ 36% и т.д. Как видим, потери свободной энергии при этих процессах весьма велики. Встречаются, однако, и такие процессы, которые близки к обратимым, то есть КПД которых высок. Например, свечение некоторых тропических насекомых имеет КПД 98-99%, разряд электрических рыб - 98%. Причина такого высокоэффективного использования свободной энергии пока не совсем ясна. Таким образом, мы приходим к выводу, что, чем больше увеличение энтропии при данном процессе, тем более он необратим.

БИОСИСТЕМЫ И ВТОРОЙ ПРИНЦИП ТЕРМОДИНАМИКИ

Значение энтропии особенно четко проявляется при рассмотрении второго принципа термодинамики . Этот принцип, как известно, представляет собой фундаментальный закон природы и в общей форме устанавливает, что в изолированной системе энергия самопроизвольно может переходить только от более высокого уровня к более низкому, а не наоборот. Как постулировал Р. Клаузиус, "теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому".

Пользуясь понятием энтропии, можно придать второму принципу более конкретный вид: в изолированной системе могут самопроизвольно протекать только такие процессы, при которых энтропия или остается постоянной (обратимые), или увеличивается (необратимые). Самопроизвольного уменьшения энтропии в такой системе не происходит.

Применим ли второй принцип термодинамики к биосистемам? Ответ на этот вопрос не так прост. В биосистемах протекают процессы, при которых энергия в соответствии с этим принципом переходит с более высокого на более низкий уровень. Это, например, процесс дыхания. В ходе его богатые энергией соединения (углеводы) распадаются до простых низкоэнергетических веществ - воды и углекислоты, а выделившаяся свободная энергия используется для протекания других процессов (например, синтеза АТФ). Однако хорошо известно, что в живых системах осуществляются и такие процессы, в ходе которых энергия переходит с более низкого на более высокий уровень. Так, например, происходит при фотосинтезе. Здесь, как известно, из простых бедных энергией соединений углекислоты и воды при участии квантов света синтезируются вещества (например, углеводы), содержащие значительный запас свободной энергии. Можно назвать и другие процессы в биосистемах, протекание которых, казалось бы, не подчиняется второму принципу термодинамики. Это позволило некоторым ученым говорить о том, что данный принцип не действует в биосистемах.

Но так ли это? Ответ на этот вопрос связан с выбором системы для рассмотрения. Необходимо рассматривать организм не изолированно от внешней среды, а во взаимодействии с ней. Как известно, в изолированной системе самопроизвольно протекающие процессы приводят ее к состоянию так называемого термодинамического равновесия. При этом состоянии градиенты энергии выровнены, работоспособность системы равна нулю, а ее энтропия максимальна. Однако хорошо известно, что биологические системы, пока они функционируют, никогда не достигают такого состояния. Они всегда обладают работоспособностью, а их энтропия немаксимальна. Это связано с тем, что биосистемы являются не изолированными, а открытыми системами.