Термодинамика открытых систем

Прогностическая ценность законов классической термодинамики, описы-вающей обратимые реакции в закрытых системах, относительно мала для биологических процессов, так как организм, с точки зрения термодинамики, является открытой системой, а процессы, протекающие в нём, - необрати-мыми.

В ХХ веке начала развиваться термодинамика необратимых процессов, которая рассматривает свойства систем не только в пространстве, но и во времени. Характерным параметром при этом является скорость изменения энтропии -DS/ Dt . Ее создателем по праву можно назвать нобелевского лауреата, бельгийского физика, философа русских корней Илью Пригожина.

Илья Романович Пригожин, физикохимик по роду занятий, мыслитель по существу, русский по происхождению, франкоязычный бельгиец по культурной принадлежности — человек с чрезвычайно своеобразной интеллектуальной судьбой. Еще своеобразнее культурные последствия того, что он сделал. Его называют «современным Ньютоном», а сделанное им в науке признают основой возможной в будущем новой модели мироздания — третьей в европейское Новое время после моделей Ньютона и Эйнштейна.

Всю свою естественнонаучную жизнь он занимался неравновесной термодинамикой открытых систем — термодинамикой вдали от равновесия, которую он же, со своими брюссельскими коллегами, и создавал. Ему обязана существованием брюссельская школа термодинамики — крупнейшая в своей области; с нею — важный этап в становлении термодинамики необратимых процессов; одна из самых удачных, по мнению математиков, математических моделей в теории самоорганизации и химических колебательных систем — так называемый брюсселятор. В 1977 году Пригожин получил Нобелевскую премию — за достижения сугубо химические: «за работы по термодинамике необратимых процессов и химических колебательных систем, особенно за теорию диссипативных структур». Он ввел само понятие «диссипативные структуры» (исходно — устойчивое упорядоченное неравновесное состояние системы, через которую проходят потоки энергии, массы и энтропии). И еще одно, настолько популярное в последние десятилетия, что оно как будто потеряло авторство: «самоорганизация».

В открытой термодинамической системе непрерывно происходят посту-пление вещества, химические превращения с выделением (или поглоще-нием) тепла и удаление продуктов реакции, а также некоторого количества образовавшегося тепла. В результате в системе устанавливается стационар-ное состояние (в данном случае эквивалентное равновесному состоянию изолированной системы), характеризующееся неизменными во времени скоростями притока и удаления энергии вещества.

Условием стационарного состояния открытой термодинамической систе-мы является постоянство энтропии, то есть DS _откр = const, соответственно скорость изменения энтропии равняется нулю:

( DS _откр/Dt) _cтац = 0.

Положение Пригожина, по которому производство энтропии системой, на-ходящейся в стационарном состоянии, стремится к минимуму, позволяет использовать его для интерпретации биологических процессов с точки зрения термодинамики необратимых процессов.

Установлено, что производство энтропии возрастает в период эмбрио-генеза, при процессах регенерации и росте злокачественных новообразова-ний. Последняя стадия роста организма отвечает достижению наименьшего производства энтропии на единицу массы вещества. Движение к стационар-ному состоянию сопровождается уменьшением энтропии, поскольку повы-шается уровень организации системы.

Что происходит со смертью в организме? В системе кардинально меняет-ся набор химических процессов: прекращаются процессы, связанные с уменьшением энтропии - синтез белков, ферментов и др., и растет число де-структивных процессов - окисление до СО₂ , распад макромолекул и т.д., сопровождающихся ростом энтропии. Отсюда смерть сопровождается рос-том энтропии.