Применение законов термодинамики к биологическим процессам

I = log₂ (10¹³!) ~ 10¹³ log₂ 10¹³ ~ 4 ^. 10¹⁴ бит.

Такое количество информации необходимо было бы исходно получить, чтобы осуществить единственно правильное расположение клеток в организме. Этому эквивалентно весьма незначительное снижение энтропии системы на

ДS = 2,3 ^. 10^{- 24 .} 4 ^. 10¹⁴ ~ 10^{- 9} э.е. ~ 4 ^. 10^{- 9} Дж/К.

Если считать, что в организме осуществляется также уникальный характер расположения аминокислотных остатков в белках и нуклеиновых остатков в ДНК, то общее количество информации, содержащейся в теле человека, составит

I = 1,3 ^. 10²⁶ бит,

что эквивалентно небольшому понижению энтропии на DS ї 300 э.е. = 1200 Дж/К. В процессах метаболизма это снижение энтропии легко компенсируется увеличением энтропии при окислении 900 молекул глюкозы. Таким образом, формально сопоставление формул (12) и (13) показывает, что биологические системы не обладают какой-либо повышенной информационной ёмкостью по сравнению с другими неживыми системами, состоящими из того же числа структурных элементов. Этот вывод на первый взгляд противоречит роли и значению информационных процессов в биологии.

Однако связь между I и S в (15) справедлива лишь по отношению к информации о том, какое из всех W микросостояний реализовано в данный момент. Эта микроинформация, связанная с расположением всех атомов в системе, на самом деле не может быть запомнена и сохранена, поскольку любое из таких микросостояний быстро перейдет в другое из-за тепловых флуктуаций. А ценность биологической информации определяется не количеством, а прежде всего возможностью её запоминания, хранения, переработки и дальнейшей передачи для использования в жизнедеятельности организма.

Основное условие восприятия и запоминания информации - способность рецепторной системы переходить вследствие полученной информации в одно из устойчивых состояний, заранее заданных в силу ее организации. Поэтому информационные процессы в организованных системах связаны только с определенными степенями свободы. Сам процесс запоминания информации должен сопровождаться некоторой потерей энергии в рецепторной системе для того, чтобы она могла в ней сохраниться достаточное время и не теряться вследствие тепловых флуктуаций. Именно здесь и осуществляется превращение микроинформации, которую система не могла запомнить, в макроинформацию, которую система запоминает, хранит и затем может передать другим акцепторным системам. Как говорят, энтропия есть мера множества незапоминаемых системой микросостояний, а макроинформация - мера множества их состояний, о пребывании в которых система должна помнить.

Информационная ёмкость в ДНК, например, определяется не только количеством определенных нуклеотидов, а общим числом микросостояний, включающих колебания всех атомов цепочки ДНК. Процесс запоминания информации в ДНК - это фиксация определенного расположения нуклеотидов, которое устойчиво вследствие образующихся химических связей в цепочке. Дальнейшая передача генетической информации осуществляется в результате биохимических процессов, в которых диссипация энергии и образование соответствующих химических устойчивых структур обеспечивают эффективность биологической переработки информации. В целом информационные процессы широко распространены в биологии. На молекулярном уровне они протекают не только при запоминании и переработке генетической информации, но и при взаимном узнавании макромолекул, обеспечивают специфичность и направленный характер ферментативных реакций, имеют важное значение при взаимодействии клеточных мембран и поверхностей. Физиологические рецепторные процессы, играющие самостоятельную информационную роль в жизнедеятельности организма, также основаны на взаимодействиях макромолекул. Во всех случаях макроинформация возникает исходно в виде конформационных изменений при диссипации части энергии по определенным степеням свободы во взаимодействующих макромолекулах. В результате макроинформация оказывается записанной в виде набора достаточно энергетически глубоких конформационных подсостояний, которые позволяют сохранять эту информацию в течение времени, необходимого для ее дальнейшей переработки. Биологический смысл этой макроинформации реализуется уже в соответствии с особенностями организации биологической системы и конкретными клеточными структурами, на которых разыгрываются дальнейшие процессы, приводящие в итоге к соответствующим физиолого-биохимическим эффектам.

Природа биоритмов. Анализ термодинамических свойств биологических систем

До последнего времени природа и основные физиологические свойства биологических ритмов были не выяснены, хотя понятно, что они имеют в процессах жизнедеятельности живых организмов очень большое значение. Природу биоритмов и их основные свойства удалось установить только в результате термодинамического анализа процессов, происходящих в биологических системах.

Живые организмы постоянно поддерживают неравновесное термодинамическое состояние. Неравновесие означает, утверждает Э.Бауэр, что все структуры живых клеток на молекулярном уровне заранее заряжены "лишней", избыточной по сравнению с такой же неживой молекулой энергией, что выражается в неравенстве потенциалов, в созданном химическом или электрическом градиенте, тогда как в неживой замкнутой системе любые градиенты распределяются в соответствие с правилом энтропии равномерно. Эту "лишнюю" энергию, существующую в живых клетках на любом уровне, Бауэр называет «структурной энергией» и понимает как деформацию, неравновесие в строении живой молекулы.

Реакции метаболизма, непрерывно происходящие в клетках, представляют собой комплексы разнообразных биохимических реакций расщепления и синтеза веществ различными метаболическими путями.

Поскольку обмен веществ происходит циклами, то в клетках в соответствии с этими циклами происходят непрерывные периодические изменения концентраций веществ, участвующих в многочисленных биохимических реакциях.

Датчиками, определяющими скорость и характер метаболических процессов в клетках, являются аллостерические модуляторы и гормоны, непрерывно контролирующие их термодинамическое состояние.

Устойчивость неравновесного термодинамического состояния клеток обеспечивается следующим образом:

- при минимальном значении неравновесного термодинамического состояния клетки датчики включают режим расщепления АТФ, в результате чего их энергетика начинает возрастать, достигая некоторого максимального значения;

- при максимальном значении неравновесного термодинамического состояния клетки датчики включают режим синтеза АТФ, при котором энергетика организма начинает уменьшаться.

Таким образом, принцип обеспечения устойчивости неравновесного термодинамического состояния клеток заключается в том, что величина их неравновесного термодинамического состояния всегда непрерывно колеблется в пределах, определяемых аллостерическими модуляторами и гормонами.

Рассмотрим термодинамические процессы на уровне органов, систем и организма в целом на примере организма человека.

Поскольку каждая клетка представляет собой полноценный микроорганизм, находящийся в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии, образуемые этими клетками органы, системы и целостные организмы также находятся в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии. Причём, поскольку все биохимические процессы в этих клетках взаимосвязаны, то функционирование органов, систем и целостных организмов обеспечивается путём соответствующих совокупных синхронных интегральных колебаний неравновесного термодинамического состояния клеток.

Это находит свое выражение в периодических колебаниях физиологических параметров (функциональных сдвигов) органов, систем и целостного организма. Наглядным примером здесь может служить последовательность сокращений и расслаблений сердечной мышцы: при сокращении сердечной мышцы у входящих в нее клетках происходят синхронные процессы расщепления АТФ, а при расслаблении - процессы синтеза АТФ. Причём при последовательных циклах сокращения и расслабления сердечной мышцы в этих процессах статистически достоверно одновременно, интегрировано и синхронно производят соответствующие биохимические реакции огромное количество клеток, каждая из которых в составе сердечной мышцы выполняет свою роль.

При этом частота сердечных сокращений определяется термодинамическим состоянием всего организма и может колебаться в зависимости от испытываемой организмом нагрузки в достаточно больших пределах.

Аналогично происходят соответствующие колебательные процессы в системе дыхания, центральной нервной системе и других.

Здесь необходимо обратить внимание на то, что в любых физиологических процессах отнюдь не абсолютно все клетки, вовлечённые в этот процесс, ведут себя как солдатики, чётко выполняя предписанную им роль. Как уже было указано выше, живые организмы являются открытыми термодинамическими системами, в которых непрерывно происходят разнообразные необратимые процессы. Поэтому условия существования и жизнедеятельности каждой клетки непрерывно меняются и соответственно меняются (перераспределяются) их роли в интегральных процессах, происходящих в органах и системах. Однако статистически, в результате действия огромного количества клеток, они в конечном итоге производит те действия, для которых предназначены, в данном случае последовательные сокращения и расслабления сердечной мышцы в необходимом ритме.

В организме человека на воздействие нагрузок реагируют все органы и системы. Из них наиболее четко и оперативно реагирует сердечно-сосудистая система, так как остановка её работы даже на несколько минут может привести к гибели организма. Несколько свободнее, но в достаточно жестких пределах работает система органов дыхания, периодические процессы которой человек может в незначительной степени сознательно регулировать. В еще более свободном режиме колебаний работают некоторые центры головного мозга, система пищеварения и другие. Человек может позволить себе в определенных пределах нарушать ритм сна и бодрствования, ритмы потребления пищи и др. Однако величина всех этих параметров в значительной степени зависит от общего состояния организма и от условий окружающей среды.

Поскольку органы и системы живого организма, в частности организма человека, выполняют самые различные функции, то периоды колебаний параметров этих органов и систем, а также закономерности изменений этих колебаний могут быть самыми разными.

При восприятии импульсов света или звука периоды колебаний составляют доли секунд. При некоторых видах труда периоды вызванных ими колебаний (в сочетании с другими колебаниями) могут составлять сутки, недели и даже месяцы.

При этом, независимо ни от чего, все виды физиологических колебаний представляют собой непрерывные последовательности циклов, соответствующие энергетическим колебаниям потребления и выделения энергии.

Таким образом, принцип обеспечения устойчивости неравновесного термодинамического состояния живых организмов (биологических систем) как на уровне клеток, так и на уровне органов, систем и целостных организмов заключается в непрерывных чередованиях потребления и выделения энергии посредством управляемых на соответствующих уровнях циклов синтеза и расщепления АТФ.

Отсюда можно сформулировать, в дополнение к «Всеобщему закону биологии» Э. Бауэра, второй закон биологии, излагаемый в следующей редакции:

Второй закон термодинамики биологических систем

Устойчивость неравновесного термодинамического состояния биологических систем обеспечивается непрерывным чередованием фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ соответственно

Из этого закона вытекают следующие следствия:

1. В живых организмах ни один процесс не может происходить непрерывно, а должен чередоваться с противоположно направленным: вдох с выдохом, работа с отдыхом, бодрствование со сном, синтез веществ с расщеплением и т.д.

2. Состояние живого организма никогда не бывает статическим, а все его физиологические и энергетические параметры всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно средних значений, как по частоте, так и по амплитуде.

Описанные выше физиологические колебания живых организмов, уже многие тысячи лет наблюдаемые человечеством, и являются биоритмами.

Таким образом, природой биоритмов являются непрерывные чередования фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ, направленные на обеспечение устойчивого неравновесного термодинамического состояния биологических систем.

В живых организмах жизнедеятельность каждой клетки, каждого органа, каждой системы и целостного организма характеризуются соответствующими комплексами биологических ритмов, параметры которых находятся в тесной взаимосвязи и определяются как внутренними свойствами соответствующих элементов организма, так и их ролью в составе того или иного органа или системы, а также средой обитания. Например, частота сердечных сокращений у человека в спокойном состоянии составляет 58 -75 уд/мин., а при большой нагрузке может доходить до 160 и более, циклы биохимических реакций, связанных с перевариванием пищи, происходят, например, от 3 до 5 раз в сутки, в зависимости о режима питания и т.д. Поскольку каждый живой организм по-своему уникален, для него будет характерен соответствующий только ему оптимальный образ жизни: время сна и бодрствования, режим и состав питания, соответствующая окружающая среда, необходимые физические нагрузки и многое другое. В связи с этим для такого живого организма будут характерны и соответствующие только ему биологические ритмы физиологических параметров.

Однако в реальной жизни такой режим невозможен, так как он не может существовать в отрыве от условий окружающей его обстановки.

Каковы же условия этой обстановки?

Одним из основных условий является период цикла сон-бодрствование равный 24 часам. Это условие определяется периодом вращения Земли вокруг своей оси. Другим основным условием является то, что человек живет в обществе, в связи с чем должен подчиняться его правилам, в частности режиму дня, времени работы и отдыха, времени приема пищи и т.д.

Поэтому в большинстве случаев определенные параметры биоритмов каждого организма являются принудительными.

Принудительные периоды биоритмов организации биохимических процессов циклов сна и бодрствования, режима труда и отдыха, режима питания и других циклов корректируются организмом таким образом, чтобы все необходимые для его жизнедеятельности функции укладывались в эти принудительные рамки. В частности, человек определяет для себя вид трудовой деятельности, время и продолжительность сна, вид отдыха, ассортимент продуктов питания, занятия спортом и многое другое. Кроме того, указанная коррекция в значительной степени происходит также за счёт способности организма к фенотипической адаптации. Как показывают многочисленные исследования в области хронобиологии и хрономедицины, свойства живых организмов, и в частности человека, к коррекции собственных биоритмов очень индивидуальны.

термодинамика необратимый биологический энтропия

Заключение

В этой работе рассмотрено применение законов термодинамики к биологическим процессам. Обсуждаются результаты применения термодинамики необратимых процессов к анализу биологических явлений.

Термодинамика необратимых процессов используется для описания процессов проникновения через биологические мембраны воды, электролитов и неэлектролитов. В открытой биологической системе не может протекать обособленно какой-то один процесс, имеет место сопряжение многих процессов, которые взаимно влияют друг на друга и описывать их, особенно количественно, подчас бывает очень сложно.

В неживой природе такие процессы известны и изучены. Например, на стыке двух проводников возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от температуры спая, а при пропускании тока через такой спай, он нагревается или охлаждается (явление Пельтье). Для биологических процессов взаимное влияние различных процессов друг на друга начало изучаться сравнительно недавно. Наиболее распространенными процессами такого плана являются проникновение ионов через поры мембран за счет электрического потенциала, создаваемого за счет разной концентрации ионов по обе стороны мембраны и процесс диффузии воды через мембраны. При этом появляется электрический эффект (влияние Дц на осмос) и аномальный осмос (влияние осмоса на электрические явления).

Выполняя эту работу я нашла ответы на множество интересовавших меня вопросов.

***

Замечательный австрийский философ и биолог Конрад Лоренц (1903-1989), лауреат Нобелевской премии по биологии 1973 г., как-то сравнил жизнь с «песчаной отмелью в реке, отложившейся поперёк течения и способной задержать тем больше песка, чем больше она уже успела его набрать.» Река - это весь объём солнечной энергии, а песчинки - та энергия, что запасается в виде молекулы АТФ. Конечно, основной поток проходит мимо зарождающейся отмели, но и накопленных песчинок вполне достаточно для превращения её в маленький островок жизни.

Список источников:

1. Джоунс М. «Биохимическая термодинамика» - М.: Мир, 1982. - 440 с.

2. Доброборский Б.С. «Термодинамика биологических систем. Учебное пособие для студентов высших медицинских учебных заведений»./ Под редакцией профессора Е.С. Мандрыко. Санкт-Петербург, 2006.

3. Кольман Я., Рем К.-Г. «Наглядная биохимия: Пер. с нем.» -- М.: Мир, 2000. - 469 с., ил.

4. Николаев Л.А. «Химия жизни. Пособие для учителей» - М, «Просвещение», 1973.- 222 с.: ил.

5. Скоробогатова З.М. «Введение в обмен веществ. Биоэнергетика: Конспект лекции»

6. Pyбин А.Б. «Термодинамика биологических процессов» / Изд-е втopoe, пepepa6. и дoп. пpи yчacтии B.П. Шинкapёвa - М.: Изд-во Mосковского yнивepcитeтa, 1984. - 282 с.

7. Pyбин А.Б. «Термодинамика биологических процессов»- Соросовский образовательный журнал, № 10, 1998. - (раздел Физика).

8. «Химия» - 2-е изд., перераб. / ред.коллегия: М. Аксёнова, И. Леенсон, С. Мартынова и др. - М.: Мир энциклопедий Аванта+, Астрель, 2007. - 656 с.: ил. (Энциклопедия для детей. Том 17)

9. Интернет-сайты: http://www.xumuk.ru/, www.interlibrary.narod.ru

Размещено на Allbest.ru