ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Предисловие к русскому изданию из "Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов" Как известно, в основе метаболизма лежат биохимические превращения веществ, сопровождающиеся превращением одной формы энергии в другую. Естественно, что применение методов термодинамики для анализа этих процессов давно стало предметом серьезных исследований. Уже на первых этапах методами классической термодинамики были получены важные результаты по изменению свободной энергии в отдельных биохимических процессах. В биохимических работах этот подход и сейчас с успехом применяется для того, чтобы выявить принципиальную возможность энергетического сопряжения различных метаболических реакций (например, гидролиз АТФ и потребляющие энергию реакции). [c.5] Однако в классической термодинамике расчеты энергетических эффектов основаны на сравнении значений характеристических функций в начальном (неравновесном) и конечном (равновесном) состояниях системы. При этом из рассмотрения выпадают фактор времени и характер переходных процессов, что делает невозможным непосредственный термодинамический анализ кинетических особенностей переходных процессов в открытых биологических системах. Классическая термодинамика не могла объяснить и свойства биологических систем, в которых самопроизвольно протекающие процессы ведут к уменьшению их энтропии, что, как казалось, противоречит второму закону термодинамики. [c.5] С позиций основного постулата термодинамики необратимых процессов о разделении приращения энтропии открытой системы на две независимые части удалось объяснить общие закономерности изменения энтропии в биологических системах. Было показано, что в стационарном состоянии скорость производства энтропии в ходе внутренних необратимых процессов в открытых системах достигает минимального положительного значения (теорема Пригожина). Эти результаты, однако, справедливы только вблизи равновесия в области линейной термодинамики . Именно здесь выполняются линейные соотношения между скоростями и движущими силами процессов, а также соотношения взаимности Онзагера. [c.5] Применение методов термодинамики в области, далекой от равновесия, показало, что здесь уже не удается найти общих термодинамических критериев, характеризующих стремление системы к стационарному состоянию. Вдали от равновесия основную роль играют кинетические закономерности, которые и определяют общие свойства системы. [c.6] В настоящее время в нелинейной термодинамике главным образом проводятся теоретические исследования, касающиеся процессов самоорганизации в биологических системах. В то же время применение термодинамического подхода для нахождения условий и способов регуляции энергетического сопряжения конкретных биологических процессов ограничено линейной термодинамикой. Однако в последние годы был получен ряд важных результатов, позволивших распространить область применимости линейных соотношений на биохимические процессы, далекие от равновесия. Это дало возможность провести термодинамический анализ свойств ряда молекулярно-биологических преобразователей энергии и выявить свойства внутренних регуляторных связей, механизм которых остается пока неясным. В этом проявилась сила термодинамического подхода, для применения которого не требуется знания молекулярных механизмов рассматриваемых процессов. [c.6] Систематическое изложение основ линейной и нелинейной термодинамики необратимых биологических процессов можно найти в современной отечественной литературе . [c.6] Ценность настоящей книги состоит в том, что в ней проводится конкретный анализ важнейших биохимических и транспортных процессов в организме. Это оригинальный труд, авторами которого являются крупные специалисты, принадлежащие к школе А. Качальского. Несмотря на относительную простоту математического аппарата, понимание основного материала потребует от читателя известного напряжения. Книга будет несомненно полезна биологам различных специальностей и поможет им в проведении сравнительного анализа молекулярных преобразователей энергии в биологических системах. [c.6] При ознакомлении с новым, не совсем обычным подходом к биологическим явлениям у читателя неизбежно возникает ряд вопросов. Есть ли на самом деле необходимость привлекать неравновесную термодинамику при изучении биологических процессов Можно ли рассчитывать, что биолог будет тратить время и усилия на освоение этого подхода Нельзя ли при рассмотрении имеющихся проблем ограничиться более привычными физическими и математическими методами Даже если нам удастся доказать применимость неравновесной термодинамики к некоторым задачам и этот подход окажется привлекательным для ряда исследователей, не будет ли это просто означать, что экспериментальные результаты втиснуты в некую новую форму Не имеем ли мы в данном случае дело с логическими построениями, которые адекватны лишь особенностям нашего мышления и существуюш,им предрассудкам И наконец, может ли термодинамика что-нибудь сказать нам о механизме биологических явлений По словам одного критика, это один из законных подходов, но, пока объект рассматривается как черный ящик, по-настоящему интересные вопросы нельзя даже поставить . [c.7] Утверждение, что термодинамика ничего не говорит о механизме, является общеизвестной истиной. Необходимо, однако, уточнить, что, собственно, подразумевается под механизмом . Если, например, речь идет о молекулярных механизмах функционирования натриевого насоса, то понятно, что термодинамика сама по себе не может дать никаких конечных ответов, но и здесь она часто устанавливает некоторые пределы, которым должны удовлетворять предлагаемые кинетические модели. Если же механизм понимать в более широком смысле этого слова, включая подвод энергии к насосу и его регуляцию, то термодинамические соображения оказываются исключительно ценными. [c.8] Сказанное выше дает нам возможность утверждать, что неравновесно-термодинамический подход представляет важную часть арсенала методов современной биофизики. Чтобы доказать справедливость этого утверждения, в данной книге мы довольно подробно проанализируем небольшое число систем, с которыми авторы сами работали и которые хорошо иллюстрируют общие принципы. Ограниченность во времени и в объеме книги не позволила нам в полной мере использовать результаты других авторов, которые заслуживают более пристального внимания. Ясно, что многие системы можно рассмотреть с аналогичных позиций, и мы надеемся, что читатели воспользуются развитыми здесь представлениями при анализе интересующих их проблем. [c.8] Мы глубоко благодарны своим женам, Теолее и Каролине, поддерживавших нас во время написания книги и проведших немало часов за чтением рукописей и корректур. [c.8] Вернуться к основной статье