Живые системы с позиций термодинамики

Классическая термодинамика была разработана для изолированных и замкнутых систем, и она исследует в основном процессы, происходящие в таких системах. Живые системы принципиально отличаются от классических термодинамических систем. Первое отличие состоит в том, что живой организм не может существовать изолированно от окружающей среды. Любая биологическая система поглощает из внешней среды питательные вещества, выводит продукты обмена, получает энергию в различных формах, продуцирует и выделяет теплоту. Факты показывают, что невозможность изоляции живых систем надо понимать в более широком смысле. На жизнедеятельность человека, животных, растений и микроорганизмов значительное влияние оказывают гравитационное и магнитное поля Земли. Активность Солнца, проявляющая определенную цикличность, также оказывает большое влияние на биосферу нашей планеты. Показано, что возрастание солнечной активности приводит к увеличению сердечно-сосудистых, психических и других заболеваний людей, к усиленному размножению некоторых животных, насекомых, микроорганизмов, появлению эпидемий и эпизоотий. Сказанное выше свидетельствует о том, что существование изолированных биологических систем принципиально невозможно.

Второе отличие живых систем от изолированных систем заключается в том, что они не могут находиться в состоянии равновесия. Термодинамика обратимых процессов рассматривает процессы в системах, находящиеся в равновесном состоянии или в состоянии близких к термодинамическому равновесию. Так, на основе законов классической термодинамики можно рассчитать давление, температуру, объем, энтропию газа, находящегося в цилиндре при различных положениях поршня. Однако, неравновесные процессы, например, такие как изменение концентрации молекул газа вблизи движущегося поршня, классическая термодинамика не рассматривает.

Третье отличие открытых систем от классических заключается в наличии в них градиентов различных физических величин. Так, если в изолированной термодинамической системе имеются градиенты физических величин, то через определенный промежуток времени произойдет самопроизвольное выравнивание значений этих параметров, и энтропия этой системы достигнет максимального значения. Совсем иное положение имеет место в биологических системах. В них постоянно поддерживаются градиенты различных физических величин. Так, в организме, тканях, в клетках в течение жизни поддерживаются градиенты концентрации различных веществ, градиенты температуры, градиенты электрических зарядов и т.д. С выравниванием градиентов вещества и энергии в открытых системах прекращается функционирование системы, что означает смерть организма, клетки. Способность совершать работу за счет изменения энергии в различных частях системы является характерной особенностью живых систем. Выполнение работы в биологических системах обуславливается наличием градиентов различных параметров. Существование градиентов вещества и энергии в биологических системах обеспечивается наличием специализированных образований. В тканях и клетках неравномерность распределения вещества и энергии обеспечивается мембранными структурами, которые окружают каждую клетку, и образуют внутриклеточные компартменты. Таким образом, работа, совершаемая биологической системой (следовательно, и ее свободная энергия) определяется градиентами различных величин, которые обусловлены неравномерным распределением вещества в системе и непрерывным переносом вещества и энергии из одной части системы в другую. Например, работа, совершаемая при перемещении ионов через клеточные мембраны, определяется напряженностью электрического поля (градиент электрического поля на мембране) и диффузией за счет градиента концентрации ионов по обе стороны мембраны.

Стационарное состояние открытой термодинамической системы