Живой организм как объект для ТД исследований

Превращение энергии, происходящее в процессе обмена веществ в живом организме, являющиеся предметом изучения биоэнергетики, осуществляется в полном соответствии с 1и 2 началом термодинамики. Состояние живых систем в любой момент времени (динамическое состояние) характерно тем, что элементы системы постоянно разрушаются и строятся заново. Этот процесс носит название биологического обновления. Для обновления элементов в живых системах требуется постоянный приток извне веществ и энергии, а также вывод во внешнюю среду тепла и продуктов распада. Это означает, что живые системы обязательно должны быть открытыми системами. Благодаря этому в них создается и поддерживается химическое и физическое неравновесие. Именно на этом неравновесии основана работоспособность живой системы, направленная на поддержание высокой упорядоченности своей структуры (а значит, на сохранение жизни) и осуществление различных жизненных функций. Кроме того, живая система, благодаря свойству открытости, достигает стационарности, т.е. постоянства своего неравновесного состояния.

В изолированной системе (такая система не обменивается с внешней средой веществом и энергией), находящейся в неравновесном состоянии происходят необратимые процессы, которые стремятся привести систему в равновесное состояние. Переход живой системы в такое состояние означает для нее смерть.

Живой организм имеет ряд особенностей..1) Живой организм представляет собой типично открытую систему, непрерывно обменивающуюся с окружающей средой и вещ.и энергией.I закон (начало) термодинамики. Первый закон термодинамики гласит: изменение энергии системы равно количеству тепла, полученному системой, плюс работа внешних сил, совершенная над системой.dE = Q + A

II закон (начало) термодинамики. Второй закон термодинамики утверждает, что в изолированной термодинамической системе энтропия никогда не может уменьшаться. Она равна нулю при обратимых процессах и может только увеличиваться при необратимых процессах. Переход системы из неравновесного состояния в равновесное необратим.ΔG=ΔH-TΔSΔH-изменение энтальпии(теплоты), Т-абсолютная температура..это к живым организмам не мыслимо без учета влияния биологическизх закономерностей, присущих высшим формам движения материи. Характер изменения энтропии, имеющий решающее значение при оценке процессов в неживых системах, в случае биологических систем имеет лишь подчиненное значение

Все биологические процессы происходящие в клетках живых организмов, протекают в условиях постоянстватемпературы и давления, при отсутствии значительных перепадов концентраций(Н+), резких изменений объема.

Итак живой органгизм являеся открытой термодинамической системой.осн.ист.энергии для него является химическая энергия, заключенная в пищевых продуктах,часть которой расходуется:-на совершение работы внутри организма, связанной с дыханием, кровообращением перемещением метаболитов, секреции соков.-на нагревание вдыхаемого воздуха, потребляемой воды и пищи,-на покрытие потерь теплоты в окружающую среду при непосредственной радиации, при испарении влагис поверхности тела, с выдыхаемым воздухоми продуктами жизнед-ти.-на совершение внешной работы, связанной со всеми перемещениями организма. В класс.термодинамике основопологающими являются представления об изол.системе и устанавливащемсяв нем равновесном состоянии.

Биоэнергетикаимеет дело с живыми организмами, являющимися примером открытых систем, и здесь вводят представлеие о стационарном состоянии открытой системы. Для него характерно постоянство параметров системы, не изменилась во времени скорость притока и удаления веществ и энергии.

Живой организм в каждый данный момент не отвечает приведенному определению стационарного состояния. Однако, рассматривая среднее значение его параметров за сравнительно б. промежуток времени, можно отметить их относительное постоянство и тем самым оправдать приложение понятия стационарная система к живым организмам.

Открытая система в стационарном состоянии во многом сходна с системой, находящейся в термодинамическом равновесии. Для них наблюдается неизменность свойств системы во времени. Это сходство подчеркивается еще и тем, что к стац. Открытым системам, так же как равновесным, приложен принцип Ле Шателье. Если в стационарной системе изменить какой-либо из параметров, определяющих ее постоянство (темп,давл,энтропию), то в системе возникают процессы, способствующие изменению произведенного воздействия точно также , как это наблюдается в случае равновесной термодинамической системы.. различия между типами систем: Термодинамическое равновесие: отсут.обмена с окр.средой вещ-м и эн.; полное отсутствие в системе каких либо градиентов; энтропия постоянно максимальна в данных условиях; для поддержания равновесия не нужна эн. Гиббса.; сист.не способна совершать работу против внешних сил и нереакционноспособность. Скорости процессов во всех направлениях равны.. Стационарное состояние: непрерывный обмен; наличие пост по величине градиентов; энтропия системы постоянна, но не максимальна; для поддержания стац. Сост. Необходимы постоянные затраты энергии гиббса.; работоспособность систе постоянна и не равна 0;скорости не равны.

Общее изменение энтропии открытой системы за промежуток времени можно рассматривать как сумму 2 слогаемых:

1)производства энтропии внутри системы ds(i)/dt(i-внутренний)обусловлено протеканием в ней необратимых процессов(деструкция сложных молекул вещ пищи и образование из них большого кол-ва простых молекул-СО2, Н2О и др.с более прочными связями между атомами)

2) изменение энтропии ds(е)/dt (е-внешний) обусловлено взаимодействием открытой системы с окружающей средой(разница между поступлением энтропии в систему с пищей и отводом ее в окружающую среду с продуктами жизнед-и): ds/dt= ds(i)/dt+ ds(е)/dt.

Изменению энтропии системы отвечает противоположное по знаку изменение свободной энергии Гиббса: dG/dt= dG(i)/dt+ dG(i)/dt/ эти уравнения явл. Математическим выражением 2 нач.терм. для открытых систем.для живого организма рассматриваемого в совокупности с окр. Средой, возможно либо увеличение энтропии(ds/dt>0) и уменьшение свободной энергии (dG/dt<0)- если эта система не достигла стац сост.,либо отсутствие изменения этих величин(ds/dt=0 и dG/dt=0)- если стац сост.и мы получим: ds(i)/dt= - ds(е)/dt и dG(i)/dt=- dG(i)/dt

Следовательно стац состояние живого организма характер тем, что производство энтропии, связанное с процессами усвоения пищи, компенсируется отдачей ее в окружающую среду, а убыль свободной энергии выполняется за счет поступления энергии из окруж среды: S,G=const

В 1946 бельгийский ученый Илья Пригожин исходя из общей теории необратимых процессов, доказал одну из основных теорем термодинамики открытых систем: в стац. Термодинамически открытой системе скорость производства энтропии, обусловленного протеканием в ней необратимых процессов, принимает минимальное для данных условий положительное значение: ds(i)/dt->0 / поскольку энтропия является мерой деградации или рассеяния энергии, теорема Пригожина приводит к заключению: при стац. Состоянии рассеяние своб энергииоткрытой состемы оказывается минимальным. Т.о живой организм, представляющий собой открытую стационарную систему, поставлен природой в весьма выгодные с точки зрения энергообеспечения условия: поддержание относительного постоянства его внутренней среды, наз гомеостазом, требует минимального потребления свободной энергии.

В процессе усвоения пищи происходит деструкция высокомолекулярных соединений, что связано с производством энтропии. Воздействие факторов, нарушающих установившееся стац состояние в направлении увеличения энтропии, должно повлечь,возникновение в системе процессов, направленных на уменьшение энтропии(производство негэнтропии). Гл из этих процессов является синтез в организме так называемых высокоэнергетических макроэнергетических веществ типа АТФ, фосфокреатина. Ти вещества отличаются сложной структурой много атомных молекул, низким значением энтропии, и значительными запасами свободной энергии в весьма подвижной форме. Синтезируя макроэргические вещества, живой организм как бы сглаживает увеличение энтропии, стабилизируя ее на более низком уровне, чем это могло бы быть, еслиб не было протевопоставлено производство негэнтропии. Т.о живой организм, как и всякая открытая стац система, проявляет способность к саморегулированию. Итак с точки зрения термодинамики наиболее существенным свойством живых существ является устойчивая термодинамическая неравновесность и способность поддерживать еена определенном уровне.

Вопрос номер 13

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: