Система биологическая открытая

Биологические системы являются открытыми системами с постоянным обменом веществ и энергией с окружающей средой. Эти открытые системы стремятся к устойчивому состоянию, проходя через серию последовательно сменяющихся биоценозов, пока не возникнет стабильный биоценоз, находящийся в равновесии с окружающей средой он называется климаксом. [c.390]

Живые биологические системы являются открытыми, и протекающие в них реакции относятся к разряду неравновесных. Однако эти динамические, необратимые жизненные процессы происходят внутри организованной или самоорганизующейся, устойчивой или крайне медленно меняющейся структуры. Это дает возможность при рассмотрении молекулярных уровней организации биосистем и механизмов биохимических реакций исходить из условного термодинамического равновесия и использовать приемы и методы феноменологической равновесной и статистической термодинамики [см. 3, 4]. [c.4]

В-пятых, открытие периодического закона и системы элементов ознаменовало новый этап в изучении строения атома в физике (раскрытие физической индивидуальности — периодичность характеристик эмиссионных, а позднее и рентгеновских спектров), строения кристаллов — в кристаллографии, состава минералов — в минералогии, миграции элементов — в геохимии, биологической функции отдельных элементов в биохимии и биологии. В этом заключается огромная роль периодического закона для всего естествознания, для формирования естественнонаучной картины природы. [c.50]

За последние два десятилетия естествознание сумело приблизиться к пониманию явлений спонтанного возникновения высокоупорядоченных структур во многих самых разнообразных физических, химических и биологических открытых системах. Было осознано существенное различие в природе равновесных и неравновесных процессов, выработан новый взгляд на случайность и необходимость, разработаны теория диссипативных самоорганизующихся структур и теория бифуркаций - необратимых флуктуаций, играющих конструктивную роль в возникновении порядка из хаоса. Это стало возможно благодаря созданной главным образом трудами И. Пригожина и его школы нелинейной неравновесной термодинамики. Открывшиеся новой наукой перспективы необычайно широки и многообещающи. Ее общие положения о процессах самоорганизации в открытых диссипативных системах, классических и квантовых, биологических и неорганических, легли в основу исследований во многих областях естествознания и гуманитарных наук. Становление нелинейной неравновесной термодинамики привело к качественным изменениям таких фундаментальных понятий в физике, как время и динамика. [c.88]

Различают следующие виды экосистем — открытые, т,е. способные к свободному обмену веществом, энергией и информацией с окружающей средой, частично открытые и закрытые, т.е, полностью зависящие от человека, Человек в этом случае берет на себя функции управления экосистемой и поддержания ее жизнедеятельности (например, агроценозы, аэро-тэнки с микроорганизмами в системах биологической очистки сточных вод). [c.407]

С какими же обобщенными потоками и обобщенными силами приходится иметь дело в случае биологических открытых систем — клеток и организмов Мы рассматриваем эти системы как химические, находящиеся при постоянной температуре. В них протекают химические реакции и происходит транспорт вещества. Для химической реакции роль потока играет скорость реакции V, т. е. производная координаты реакции по времени [c.309]

Биологическая система - совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих живых элементов различной сложности от клеток до экосистем. Обладает свойствами целостности, относительной устойчивости и адаптируемостью к условиям внешней среды. Относится к открытым системам, условием существования которых является обмен с внешней средой энергией, веществом и информацией. [c.291]

Систему называют закрытой, если она не обменивается с внешней средой веществом, но обменивается энергией. Изолированная система не обменивается с внешней средой ни энергией, ни веществом. Открытая система обменивается с внешней средой и веществом, и энергией. Можно еще выделить биологические системы, которые имеют оболочки, но обмениваются с внешней средой и веществом, и энергией. [c.7]

Процессы, протекающие в биологических объектах, принадлежат к так называемым открытым системам, в которых происходит постоянный обмен веществ и энергии с внешней средой . [c.93]

Если историческое развитие науки действительно представляет собой самопроизвольный статистико-детерминистический процесс совершенствования структурной организации научного мировоззрения, то механизм этого процесса должен описываться бифуркационной термодинамической моделью. Следовательно, ему должны быть свойственны закономерности, присущие явлениям возникновения из хаоса пространственно-временных упорядоченных структур как в естественных, так и в экспериментальных диссипативных системах. Непременное условие появления такой структуры заключается в энергетическом и/или материальном обмене диссипативной системы с окружающей средой. В отличие от самопроизвольных равновесных процессов, при которых все части системы хаотизируются и, следовательно, вносят положительный вклад в общее увеличение энтропии, в нелинейных неравновесных процессах в закритической области имеет место диспропорционирование энтропии между подсистемами, происходящее без нарушения второго начала термодинамики. Уменьшение энтропии при создании упорядоченной структуры сопровождается одновременным, большим по абсолютной величш1е, увеличением энтропии остальной части изолированной системы. Сходство в этом отношении эволюции научного мировоззрения с известными процессами структурной самоорганизации физических, химических и биологических открытых систем представляется очевидным. [c.27]

Указанные ранее сопряженные, последовательные и параллельные химические реакции также протекают в открытых системах, но особенно типичными для них являются многоступенчатые изменения, происходящие в виде циклов биохимических реакций, как, например, цикла трикарбоновых кислот при обмене углеводов и жиров или цикла Кребса при синтезе мочевины и др. При обмене веществ протекают процессы линейного, разветвленного и циклического характера, которые принципиально отличны по химической кинетике от простых цепных реакций. Нужно учитывать, что в отличие от постоянного повторения однотипного процесса, наблюдающегося в цепных реакциях, в биологических процессах почти каждая молекула может быть вовлечена в несколько различных реакций. Выбор пути химических превращений, по которому пойдет каждая молекула, в значительной степени является случайным. [c.94]

Основными критериями жизненных процессов являются специфические различия между биологическими и химическими открытыми системами, к которым у первых могут быть отнесены способность к самовоспроизведению, постоянный обмен с окружающей средой и наличие координации между собой. [c.94]

Структурная организация биосистем молекулярного уровня. Дж. Холдейн в 1935 г. утверждал "Активное поддержание нормальной и притом специфической структуры и есть то, что мы называем жизнью понять сущность этого процесса - значит понять, что такое жизнь" [46. С. 24]. В решении проблемы об особой структурной организации живого и установлении элементарного уровня этой организации определяющую роль, как и в решении многих других проблем, в частности рассмотренных в предшествующих разделах, играют два, уже не раз отмечавшихся события. Одно из них - становление молекулярной биологии, которая сделала возможным постановку проблемы применительно к простейшей и самой фундаментальной биологической системе (молекулярной). Второе событие - создание теоретических основ изучения неравновесных процессов, спонтанно протекающих в открытых системах вдали от положения равновесия. Появление нелинейной неравновесной термодинамики сняло казавшееся принципиальным противоречие с вопроса о противоположной направленности физической и биологической эволюционных концепций и открыло путь к строгому описанию конкретных механизмов самопроизвольного возникновения порядка из хаоса. Было доказано, что основные положения этой области знаний справедливы для трактовки процессов самоорганизации, протекающих как в биологических системах, так и в открытых неорганических системах, физических и химических. [c.49]

Полипептиды имеют очень большое значение для биологических процессов живых организмов. Учеными, например, доказано, что пептидные системы играют важнейшую роль в работе мозга. В мозгу уже открыты так называемые пептиды сна, памяти, страха и т. д. Эти исследования дадут новые мощные средства направленного, разумного воздействия на мозг, В гом числе для лечения многих психических заболеваний. [c.11]

Солнечная энергия возбуждает на Земле грандиозные по своим масштабам климатические, геологические и биологические процессы. Под влиянием биосферы солнечная энергия преобразуется в различные формы энергии, обусловливающие огромные по размерам превращения, миграции, круговорот веществ. Несмотря на свою грандиозность, биосфера является открытой системой, так как в нее извне постоянно вливается поток энергии Солнца. [c.607]

Гл. 14—16 посвящены исследованию открытых химических систем. Нам кажется, что их изучение представляет особый интерес благодаря ряду неожиданных свойств и непосредственной связи результатов с биологическими проблемами. Вдали от равновесия в таких системах могут существовать колебания во времени около стационарного состояния. Могут также возникнуть или неустойчи- [c.14]

Стационарное состояние открытой системы может быть близким или далеким от равновесия, может быть устойчивым или неустойчивым. В свою очередь нестационарное состояние может быть близким или далеким от стационарного. Как мы увидим (гл. 9), термодинамические подходы к анализу открытых систем, близких или далеких от равновесия, различны. При этом вводятся строгие количественные критерии близости или удаленности. Целый ряд фактов свидетельствует о том, что биологические системы далеки от равновесия. Биологическое развитие возможно лишь в далекой от равновесия системе. [c.18]

Мы видим, что продукция энтропии в открытой системе в принципе обеспечивает протекание процессов, невозможных в изолированных системах. Это положение важно для понимания биологических систем. [c.311]

Живые системы характеризуются высокой упорядоченностью структуры и поведения в пространстве и времени. Мы уже отмечали кажущееся противоречие между возрастанием сложности системы в ходе ее биологического развития и вторым началом термодинамики (с. 12). Противоречие это легко снимается живая система есть открытая система, энтропия которой может и возрастать, и убывать. Принято говорить об аптиэнтропийности жизни. Однако эти слова никак не объясняют особенности пространственно-временного порядка открытой системы, смысл понятия антиэнтропийиость остается неясным. [c.326]

В биологических процессах, которые всегда протекают на основе химических реакций, скорость производства энтропии, т. е. скорость разрушения структурности в ходе необратимых процессов, определяется через химические сродства реагирующих веществ и скорости химических реакций (Донде, 1936). Вблизи состояния термодинамического равновесия в открытой системе имеет место линейная зависимость между скоростью и химическим сродством реакции. В живой системе как открытой системе вблизи состояния равновесия скорость производства энтропии должна быть положительной величиной, пропорциональной химическому сродству. [c.144]

Механохимическая природа биологической сократительной системы была открыта Энгельгардтом и Любимовой (1939), изучавшими миоаин — белок мышечного волокна (см. с. 394). При добавлении АТФ происходит сокращение миозиновых волокон, имеющее обратимый характер. [c.390]

Само название нуклеиновые кислоты (от лат. nu leus — ядро) показывает, что открыты они были как составная часть клеточного ядра, в котором действительно присутствуют оба класса нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Основным местом локализации ДНК являются структуры клеточного ядра — хромосомы, в которых ДНК находится в виде комплексов с белками — дезоксирибонуклеотидов. ДНК ( 1% от общего количества) также обнаружена в митохондриях всех типов эукариотических клеток и в хлоропластах растительных клеток. В структуре ядерной ДНК заложена информация о видовых специфических признаках, которые определяют характер данной клетки и всего организма и передаются по наследству. В цитоплазме клеток имеются значительные количества РНК, участвующие в реализации генетической информации. Важными открытиями в изучении нуклеиновых кислот, удостоенными Нобелевской премии, явились установление пространственной структуры ДНК Дж. Уотсоном, Ф. Криком и М. Уилкинсом, ферментативный синтез в бесклеточной системе биологически активной ДНК, осуществленный А. Корн-бергом и С. Очоа, блестящие исследования М. Ниренберга, Р. Холи и X. Корана, послужившие предпосылкой для расшифровки генетического кода. [c.171]

Изменение энтропии в открытых системах. Применение второго закона к биологическим системам в его классической формулировке приводит, как кажется на первый взгляд, к парадоксальному выводу, что процессы жизнедеятельности идут с нарушением принципов термодинамики. В самом деле, усложнение и увеличение упорядоченности организмов в период их роста происходит самопроизвольно. Оно сопровождается уменьшением, а не увеличением энтропии, как следовало бы из второго закона. Ясно, что увеличение энтропии в необратимых самопроизвольных процессах должно происходить в изолированных системах, а биологические системы являются открытыми. Проблема поэтому заключается в том, чтобы понять, как связано изменение энтропии с параметрами процессов в открытой системе, и выяснить, можно ли предсказать общее направление необратимых процессов в открытой системе по изменению ее энтропии. Главная трудность в решении этой проблемы состоит в том, что мы должны учитывать изменение всех термодинамических величин во времени непосредственно в ходе процессов в открытой системе. Постулируется, что общее изменение энтропии открытой системы может происходить независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой с1е5, либо вследствие внутренних необратимых процессов [c.70]

Преувеличение перспектив упомянутых новых подходов, а также отсутствие представлений о возможности выделения в био-мире временн ых иерархических структур , привели к ряду недоразумений в сфере биологических наук. Так, в течение многих десятилетий полагали, что к живым системам рационально не применимы методы равновесной (квазиравновесной) термодинамики, поскольку эти системы являются открытыми. К тому же часто ошибочно утверждалось, что живые системы, якобы, самопроизвольно удаляются от состояния равновесия, а подавляющее большинство процессов в живых организмах следует рассматривать только с позиции существования в биомире диссипативных структур. [c.8]

Сравним эти эффекты с энтропийными тенденциями в неживой природе. Чем более хаотизировано состояние, тем больше вероятность его возникновения в изолированной системе классической термодинамики. Но в биологических открытых системах беспорядочные кодовые воздействия не имеют шансов быть воспринятыми системой, т. е. вероятность их распространения на систему невелика (если система ими не разрушается). Системы, обладающие некоторой организацией, способствуют отбору кодов, но не распространению хаотизированных ко- [c.99]

Другой интересный момент состоит в том, что число стационарных состояний открытой системы может сильно возрастать вдали от равновесия (гл. 16). Такое расширение возможностей имеет важное значение в биологических приложениях. В качестве иллюстрации изучается модель возбуждения мембраны, предложенная Блюменталем, Шанже и Лефевером [10], в которой кооперативное поведение вместе с необратимыми процессами вдали от равновесия приводит к новому типу диссипативного фазового перехода. [c.15]

Вообще биологические системы можно рассматривать как открытые, поскольку живые организмы непрерывно обмениваются со средой различными веществами, тогда как химические системы изолированы от окружающей среды. Однако с точки зрения кинетического изотопного анализа нельзя рассматривать а priori биологические системы как открытые, а химические как закрытые. Это всегда определяется используемой моделью. [c.219]

И (2.32). Изменение энтропии произвольной системы состоит из двух компонент, причем внутренний вклад должен быть всегда положительным diS 0). Изменение энтропии за счет процессов притока и оттока может быть как положительным, так и отрицательным. Таким образом, система, способная отдавать энтропию среде, или, иными словами, поглощать отрицательную энтропию (негэнтропию), может уменьшать свою энтропию. Поведение энтропии в открытой системе может, таким образом, принципиально отличаться от поведения энтропии в изолированной системе. В открытых системах могут без нарушения второго закона термодинамики образовываться и су-и ествовать структуры. Пониманием особенностей открытых систем и их биологического значения мы обязаны Берталанфи и Шредингеру [19, 20], а также Пригожину и Виаму [37]. Последовательная теория открытых систем была разработана Пригожиным [38, 39]. Наконец, Пригожин и Гленсдорф [23] обобщили эту теорию на случай нелинейных систем. [c.27]

Для биологических систем это определение является чрез вычайно удобным. Все живые системы есть открытые системы в которых протекают процессы обмена вещества и энергии. Су ществует широкий класс моделей биологических систем, в ко торых основное внимание направлено как раз на описание про цессов обмена, запасания и расходования веществ и энергии Такие модели называются компартментальными, и им будет посвящена следующая глава. В компартментальных моделях открытых систем выходные сигналы интеграторов всегда описывают запас веществ или энергии в системе, определяют их уровни — количества или концентрации. Значит, вектор состояния биосистемы является вектором концентраций веществ в этой системе. В терминах переменных типа темпов и уровней (разд. 1.7) вектор состояния часто представляет собой вектор уровней в системе. [c.135]

Давление разуплотнения расклинивающее давление в мембранной системе биологических клеток способствует поддержанию микронористости в определенных размерах, не позволяя микропорам закупориться, а если закрылись, то вновь заставляет их открываться. Т.е. они держат микропоры постоянно в открытом состоянии. Это особенно касается внешнего липидного бпслоя, сложенного ориентированными у поверхности белковыми молекулами. [c.362]

Эволюция термодинамически неравновесных систем (в том числе систем со сложными брутто-превращениями, включая каталитические и биологические) сопровожцается соответствующими изменениями значений термодинамических параметров всей системы или ее частей. Таким образом, для неравновесных (как открытых, так и замкнутых) систем свойственны неравновесные состояния, параметры и свойства которых, вообще говоря, являются функциями времени и/или пространства. Например, в случае изотропности системы по температуре Т и давлению Я термодинамический потенциал Гиббса G и энергия Гельмгольца А всей системы могут являться функцией не только Ти Р (или объема У), но и времени f. [c.293]

Феноменологическая термодинамика необратимых процессов применима главным образом к анализу химических реакций или таких изменений в открытых системах, для которых можно использовать понятия макроскопической скорости реакции и химического потенциала. При этом вычисление диссипативных функций основано на уравнениях химической кинетики, которые позволяют производить совместный кинетико-термодинамический анализ динамической эволюции реакционноспособной системы через вычисление скоростей и движущих сил процессов. Однако большинство из сушествующих математических моделей многих каталитических, технологических и особенно биологических систем с использованием дифференциальных уравнений могут отразить лишь отдельные стороны исследуемых процессов, но не описывают сложные реакции в совокупности. Особенно это относится к физико-химическим явлениям, лежащим в основе важнейших биологических процессов роста, развития, адаптации к внешним воздействиям и эволюции живых структур. [c.394]

Процессы, протекающие в биологических объектах, принадлежат к так называемым открытым системам, в которых происходит постоянный обмен веществ и энергии с внешней средой. Обмен веществ в открытых системах обеспечивает непрерывное поступление и удаление различных метаболитов. В результате этого в живом организме многие реакции не достигают стадии динамического равновесия, как это происходит в замкнутых системах, например in vitro , а протекают непрерывно, находясь в состоянии стабильного превалирования прямых реакций. [c.115]

Четвертая концептуальная система содержит учение об открытых высокоорганизованных химических системах, развитие которых приводит к возникновению биологической формы движения. Эта система находится еще в самом начале своего становления и включает в себя учение об эволюционном катализе — теорию саморазвития химических систем, а также теории биоор-ганической и бионеорганической химий. Возможно, развитие этой системы сулит принципиальные преобразования в технологии, обеспечивающие дальнейший прогресс человеческого общества. [c.29]

Невалентные взаимодействия были открыты Ван-дер-Ваальсом (1873 г.), пытавшимся объяснить отклонение поведения реального газа от закона идеального газа. Взаимодействия между валентнонесвязанными атомами имеют огромное значение для биологических организмов в частности, они ответственны за спонтанное свертывание полипептидных цепей н цепей нуклеиновых кислот, а также спонтанное образование мембран. Благодаря им происходит узнавание комплементарных молекулярных поверхностей ( система ключ — замок ) [44]). [c.38]

Формирование биоценозов очистных сооружений - процесс достаточно длительный, протекающий практически независимо от условий проведения очистки. Заселение очистных сооружений,работающих под открытом небом, происходит постоянно. Микрофлора, содержащаяся в воде, возд)гхе, земле, при попадании в очистные сооружения вступает в конкуренцию за субстрат с представителями находящихся там других форм микроорганизмов. В первую очередь в биологических системах накапливаются микроорганизмы, которые способны утилизировать данное органическое соединение или несколько органических соединений с большей скоростью и при более низких концентрациях. Особое место при этом занимает способность группы микроорганизмов образовывать совместные популяции, объединенные обшей оболочкой. При работе очистных сооружений накапливаются микроорганизмы, возвращаемые в азротенки из вторичных отстойников. Адаптация активного ила происходит постоянно, возникают все новые и новые формы микроорганизмов, слособные утилизировать данный спектр загрязнений. [c.103]

В 1945 г. Шредингер написал книгу Что такое жизнь с точки зрения физики , оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Первая из них — термодинамические основы жизни. На первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюцией изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией, т. е. неупорядоченностью (второе начало термодинамики), и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Шредингер говорил, что организм питается отрицательной энтропие1и>. Это означает, что организмы и биосфера в целом не изолированные, но открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергие . Неравновесное состояние открытой системы поддерживается оттоком энтропии в окружающую среду. Вторая проблема — общие структурные особенности органиа-мов. По словам Шредингера, организм есть апериодический кристалл, т. е. высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов Это утверждение справедливо для строения организмов, клеток и биологических макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты). Как мы увидим, понятие об апериодическом кристалле важно для рассмотрения явлений жизни на основе теории информации. Третья проблема — соответствие биологических явлений законам квантовой механики. Обсуждая результаты радиобиологических исследований, проведенных Тимофеевым-Ресовским, Циммером и Дельбрюком, Шредингер отмечает, квантовую природу радиационного мутагенеза. В то же время применения квантовой механики в биологии не тривиальны, так как организмы принципиально макроскопичны. Шредингер задает вопрос Почему атомы малы Очевидно, что этот вопрос лишен смысла, если не указано, по сравнению с чем малы атомы. Они малы по сравнению с нашими мерами длины — метром, сантиметром. Но эти меры определяются размерами человеческого тела. Следовательно, говорит Шредингер, вопрос следует переформулировать почему атомы много меньше организмов, иными словами, почему организмы построены из большого числа атомов Действительно, число атомов в наименьшей бактериальной клетке [c.12]

Температура. Большинство очистных сооружений аэробного типа работают под открытом небом и не предусматривают системы регулирования температуры. Изменение температуры вниз происходит циклически, в зависимости от времени года и климатических условий температура может колебаться от 2-5 до 25-35°С. Эти колебания в первую очередь влияют на состав биологического ценоза - с понижением температуры до 10-15°С происходит преимущественное развитие психрофильных форм микроорганизмов, снижается общее количество представителей микрофлоры и микрофауны. Скорость процессов очистки также существенно уменьшается снижение температуры от 20 до 6 °С приводит к падению скорости очистки в 2 раза одновременно с этим снижается и флокулирующая способность микроорганизмов, что приводит к вымьшанию активного ила из систем вторичных отстойников. Для интенсификации [c.104]

Так, для подпитки охлаждающих систгм оборотного водоснабжения вместо БОД открытых источников можно использовать биологически очищенные сточные воды с глубокой очисткой их на фильтрах с зернистой загрузкой, иногда с применением коагулянтов. В горно-обогатительной промышленности и для некоторых процессов в металлургии можно применять биологически очищенные сточные воды без дополнительной обработки. В ряде стран довольно широко практикуется применение в охлаждающих системах производственного водоснабжения городских сточных вод после их полной биологической очнстки, глубокой очистки на зернистых фильтрах и последующего обеззараживания. [c.295]

Еще сравнительно недавно протеиназы традиционно связывали только с процессами переваривания. В настоящее время появляется все больше данных о более широкой биологической роли протеолитических ферментов органов и тканей в регуляции ряда вне- и внутриклеточных процессов. Некоторые протеиназы выполняют защитную функцию (свертывание крови, система комплемента, лизис клеток), другие генерируют гормоны, токсины, вазоактивные агенты (ангиотензин, кинины). Ряд протеиназ регулирует образование пищеварительных ферментов, взаимодействие между клетками и клеточными поверхностями, процессы фертилизации (хитин-синтетаза) и дифференциации. Регуляция в большинстве случаев предусматривает превращение неактивного предшественника в активный белок путем отщепления ограниченного числа пептидов. Этот процесс, впервые описанный К. Линдерстрем-Лангом еще в 50-е годы, в последнее время называют ограниченным протеолизом. Значение его очень важно для понимания сущности биологического синтеза в клетках неактивных пре-и пробелков. Кроме того, этот процесс нашел широкое практическое применение в лабораториях и промышленности. В регуляции действия протеолитических ферментов участвуют также ингибиторы протеиназ белковой природы, открытые не только в поджелудочной железе, но и в плазме крови, курином яйце и т.д. [c.423]