Организм живой необратимые процессы

На основе развитых выше представлений термодинамики необратимых процессов можно попытаться оценить энергетическую эффективность (КПД) метаболических циклов живых организмов. [c.344]

Все рассмотренные выше термодинамические соотношения, раскрывающие смысл второго закона термодинамики, относятся к замкнутым системам. В открытых системах энтропия может изменяться в результате обмена вещества с внешней средой. Тогда в уравнении (235) появится дополнительный член, учитывающий изменение количества вещества (числа молей) в системе. Более подробно этот вопрос не будет здесь обсуждаться следует лишь упомянуть о том, что изучение открытых систем открывает возможность для применения второго закона термодинамики к живым организмам. Ранее вызывала сомнение сама возможность применения второго закона термодинамики к живым организмам, поскольку такие системы характеризуются сложными процессами (из почти бесструктурной клетки развивается сложно организованная система), связанными с понижением энтропии. В то же время в организме постоянно происходят необратимые процессы, вызывающие увеличение энтропии. Частично энтропия может передаваться во внешнюю среду в процессе теплообмена, в большей степени она переходит во внешнюю среду при обмене веществ. [c.241]

Действительно, общий цикл обмена веществом и энергией для живых организмов можно упрощенно представить как инициирующее этот цикл образование сложных молекул типа углеводов из СО2 и воды в ходе фотосинтеза растений с последующей деградацией продуктов фотосинтеза вновь до СО2 и воды в процессах дыхания в рассматриваемом организме. При этом уменьшение энтропии происходит только в момент электронного возбуждения молекулы хлорофилла за счет поглощения фотосинтезирующими организмами носителей чистой свободной энергии — квантов солнечного света, в результате чего становится возможным протекание первичных фотосинтетических реакций образования энергоемких веществ. Все происходящие далее биохимические процессы носят необратимый характер и идут только с увеличением [c.297]

Способность свертываться весьма типична для белков. Одни из них свертываются от нагревания, другие от действия кислот и почти все — от прибавления спирта. Кроме того, некоторые белки свертываются под влиянием определенных ферментов. Так, при выходе крови из кровеносных сосудов в ней образуется особый фермент. Этот последний свертывает один из белков крови, называемый фибриногеном. Свертывание белка при нагревании — необратимый процесс, так как свернувшийся таким путем белок нельзя перевести в прежнее состояние. Поэтому высокая температура губительна для живых организмов. [c.287]

Если система еще не достигла равновесия, она находится в неравновесном состоянии, характеризующемся наличием в системе фади-ентов некоторых параметров и поэтому потоков вещества и/или энергии. Рассмотрением состояния таких систем занимается термодинамика необратимых (неравновесных) процессов. При этом ее основной задачей обычно является отыскание одиночных или множественных локальных стационарных состояний, а также анализ их устойчивости. В гл. 17 и 18 показано, что в связи с возможной неустойчивостью стационарных состояний иногда конечным результатом эволюции открытой системы, находящейся вдали от термодинамического равновесия, может быть образование особого рода диссипативных структур. В качестве наиболее высокоорганизованных объектов последнего рода можно рассматривать живые организмы. [c.290]

Характерной особенностью термодинамики необратимых процессов является то, что в иее в явном виде входит время. Прн этом рассматриваются открытые системы, т. е. системы, которые обмениваются с окружающей средой различными веществами. Вполне очевидно, что живые организмы не могут считаться замкнутыми системами, с которыми оперирует классическая термодинамика, и являются открытыми системами. Для любой открытой системы характерно наличие непрерывного потока вещества в каком-то направлении. За счет этого в системе устанавливается градиент концентраций и одно из первостепенных значений приобретают явления переноса. Серьезной проблемой, ограничивающей применение в биологии термодинамики необратимых процессов, является то, что большая часть соотношений этой науки справедлива лишь для состояний, близких к равновесию, в то время как живые существа чаще всего весьма далеки от него. Поскольку биохимические реакции могут протекать очень быстро, не вполне ясно, может ли термодинамика необратимых процессов в том виде, как она сейчас существует, помочь в решении большинства биохимических задач. Однако в любом случае подход этот достаточно важен и при серьезном изучении биохимии без его рассмотрения никак нельзя обойтись. [c.233]

Строгая структурная организация биосистем тесно связана с законами термодинамики. Согласно И закону термодинамики процессы, происходящие в изолированной системе, направлены в сторону увеличения энтропии (необратимые процессы) или, в предельном случае, энтропия остается постоянной (обратимые процессы) с18> 0. Живые организмы постоянно обмениваются с окружающей средой энергией и веществом, т. е. являются открытыми системами (с точки зрения термодинамики) или относительно изолированными системами (с точки зрения кибернетики), поэтому для них не характерна энтропийная закономерность, спра- [c.29]

При формулировке первого закона термодинамики предполагается, что энергия может преобразовываться только в теплоту или работу. Однако принципиально энергия системы можег меняться также при изменении количества вещества при удалении вещества из системы оно уносит часть внутренней энергии этой системы, а при поступлении вещества в систему последняя получает дополнительное количество энергии. Системы, в которых возможно изменение количества вещества за счет его притока или выноса из системы, называют открытыми. Если такой процесс невозможен, систему называют замкнутой. Следует отличать еще изолированную систему, в которой невозможен обмен с внещней средой не только веществом, яо и энергией. В изолированных системах энергия всегда остается постоянной. Термодинамическое исследование открытых систем приобрело важное значение при переходе к живым организмам, которые находятся в обмене веществом с внешней средой. Эти системы также широко используются при моделировании непрерывных процессов в химической промышленности, где в химический реактор (систему реакторов) непрерывно поступают исходные вещества, а на выходе— конечные продукты. Теория открытых процессов (систем) достаточно хорошо разработана, поскольку исторически она возникла одновременно с термодинамикой необратимых процессов, однако при дальнейшем изложении теория открытых процессов не будет рассматриваться более глубоко. [c.220]

Следует заметить серьезные осложнения, которые возникают при применении термодинамики к биохимическим процессам. Это связано с тем, что, как правило, термодинамика имеет дело с закрытыми системами, находящимися в равновесии, а живые организмы относятся к открытым системам, в которых равновесие обычно отсутствует. Они находятся в так называемом стационарном состоянии, когда концентрация частиц поддерживается постоянной за счет непрерывного притока и оттока веществ из системы любая клетка в равновесном состоянии — это уже мертвая клетка. Для рассмотрения открытых систем требуются методы термодинамики необратимых процессов, обсуждение которых выходит за рамки данного учебника. Однако следует особо подчеркнуть, что в пределах термодинамики обратимых процессов возможно решение многих важных частных теоретических и прикладных задач биохимии. [c.51]

Молекулярная биофизика есть первая часть биофизики в целом. Дальнейшее изложение биофизики должно быть посвящено, с одной стороны, общим физическим основам биологии, с другой, — физическому рассмотрению ряда важнейших процессов, имеющих универсальный характер в живой природе. К этим процессам относятся мембранный транспорт вещества и зарядов, механохимические процессы и другие биоэнергетические явления, в частности, дыхание и фотосинтез. На основе общих представлений теоретической биофизики, развиваемых в термодинамике необратимых процессов и в нелинейной кинетике, подлежат рассмотрению разнообразные нелинейные явления в живых организмах и проблемы развития. Построение физики всех названных явлений лишь начато, но многое уже стало известным и понятным. [c.612]

В отличие от технических (искусственных) систем все процессы развития в биологических системах принципиально необратимы, характеризуются определенным направлением от простого к сложному и используют механизм самовоспроизведения для закрепления структур и функций, достигнутых на каждом этапе эволюции. Ранее бьшо выдвинуто предположение, что прогрессивная эволюция организмов строится на некоторых общих принципах полимеризации, т. е. увеличении числа однородных компонентов дифференциации, т. е. разнообразной специализации этих компонентов интеграции, т. е. согласовании и объединении их функций в целостной организации . И далее ...объединение линейной структуры нуклеиновых кислот с белковыми телами и поддержание подвижного равновесия в сравнительно устойчивой системе означало, очевидно, возникновение нового качества — возможности самовоспроизведения как основы жизненных процессов. Только таким путем всегда создавалось множество сходных индивидуальностей, послуживших материалом для отбора быстрее нарастающих, более устойчивых систем с более точным механизмом самовоспроизведения. Это и лежит в основе возникновения и эволюции живых существ. Вместе с тем уже в самых элементарных жизненных процессах проявляется и наличие ре- [c.9]

Сопоставим теперь некоторые характерные черты живого организма со свойствами открытых систем, в которых совершаются необратимые процессы. Организм обладает определенной устойчивостью и относится к целому ряду внешних воздействий как система, подчиняющаяся постулату Ле-Шателье его реакция направлена на нейтрализацию разрушительных влияний. Мы видели, что система, находящаяся в стационарном состоянии, при определенных условиях ведет себя аналогично. Обмен веществ в организмах повышает энтропию в окружающей среде и снижает ее за счет увеличения степени организации живого существа. Деградация вещества, поддерживающего стационарное состояние, является общим случаем этого процесса. [c.18]

Распад питательного вещества в целом представляет собой необратимый процесс, идущий в одном направлении. Это не значит, что все отдельные процессы при распаде питательного вещества являются практически необратимыми. Напротив, обратимость многих реакций в химическом отношении является характерной формой химических превращений в живых организмах. Именно эта форма связана с особенностями биохимической организации, в которой многие стадии трудно доступны изучению. Можно высказать следующие соображения в пользу химической обратимости. [c.148]

Антропогенные загрязняющие вещества-токсиканты включаются в миграционные процессы и оказывают сильное негативное влияние на биотическую составляющую природной среды. Их интенсивное поступление влечет за собой исчезновение популяций организмов и даже целых видов, что обычно оказывается первым этапом глубокой перестройки и последующей необратимой деградации экосистем. При этом нарушается биосферная функция совокупности живых организмов - регулирование характеристик природной среды, обеспечивающих сохранение благоприятных для современных форм жизни условий существования. Поэтому химическое поведение в природных объектах этих загрязняющих компонентов является предметом изучения родственных дисциплин - экологической химии и химической экотоксикологии. [c.244]

В биологии существование термодинамического сопряжения необходимо для обеспечения возможности использования живыми организмами энергии, выделяемой в реакциях клеточного метаболизма. Необратимые химические процессы в клетке являются причиной деградации энергии Гиббса системы в теплоту и приводят к диссипации (рассеянию) энергии. Однако наличие сопряжения таких химических процессов с реакциями ассими-дяции пищевых веществ в клетке частично предотвращает эти потери энергии и тем самым обеспечивает возможность развития или жизнедеятельности клетки и запасания энергии, выделенной в ходе самопроизвольных метаболических реакций, в форме химических связей И клеточных структур живого организма. При этом скорость общего изменения энтропии для сопряжен- [c.302]

Характерной особенностью биологически активных белков является легкость, с которой они изменяются под влиянием тепла, ферментов, кислот и различных органических соединений. При этом происходит денатурация белка с полной утратой его биологической активности. Денатурация, которая, как правило, является необратимым процессом, представляет собой скорее физическую или внутримолекулярную перегруппировку, чем химическое изменение структуры нативного белка она меняет специфическую пространственную конформацию макромолекулы, но не сопровождается гидролизом ковалентных связей. В живых организмах эта конформация возника- [c.244]

Очевидно, что обязательным участником биологического окисления должен быть атмосферный кислород. Однако большинство, если не все, из окисляющихся компонентов клеток (метаболиты) реагируют с молекулярным кислородом не иначе, как в присутствии специфических органических катализаторов энзимов), которые до сих пор были выделены только из живых существ. Но биохимические процессы могут происходить и вне живых организмов, так как большинство энзимов можно выделить из живых клеток и получить в виде стерильных, но все же активных концентратов. Энзимы всегда имеют белковую природу, обычно являются коллоидами и, подобно большинству протеинов, необратимо изменяются (и становятся неактивными) под действием нагревания сильных кислот или сильных щелочей. [c.282]

Почти все другие, т.е. нерегулируемые, ферментативные этапы гликолиза находятся в состоянии равновесия или близки к нему. Однако, поскольку гликолиз включает необратимые этапы, весь этот процесс в целом также должен быть необратим. В интактной клетке многие отдельные ферментативные реакции могут быть близки к равновесию, однако в целом ни сами живые организмы, ни их [c.468]

Кажущееся постоянство химического состава живого организма поддерживается за счет равновесия между процессами синтеза и разрушения составляющих его компонентов, т. е. равновесия между катаболизмом и анаболизмом. В растущем организме такое равновесие смещено в сторону синтеза белков, т. е. анаболическая функция преобладает над катабо-лической. В организме взрослого человека в результате биосинтеза ежесуточно обновляется до 400 г белка. Разные белки обновляются с различной скоростью — от нескольких минут до 10 и более суток, атакой белок, как коллаген, практически не обновляется за все время жизни организма. В целом период полураспада всех белков в организме человека составляет около 80 сут. Из них необратимо распадается примерно четвертая часть протеиногенных аминокислот (около 100 г), которая должна возобнов- [c.360]

С точки зрения современной науки эволюция является направленным процессом адаптации ведущим к прогрессивной организации живой материи. Необходимость процесса эволюции и его необратимость определяются отбором. Речь идет об автоматическом саморегулирующемся процессе, при котором в результате различного выживания и воспроизведения некоторые нежелательные генетические комбинации устраняются, а другие комбинации, выгодные с точки зрения адаптации организма и вида, сохраняются . Кибернетическое моделирование процессов эволюции как саморегулирующихся, самоорганизующихся про-, цессов в кибернетическом понимании позволило понять важные аспекты вышеупомянутого противоречия между вторым законом термодинамики и теорией эволюции Дарвина (см., например, [3—11]). [c.13]

Мутации -это изменения в молекуле ДНК, содержащей генетическую информацию и находящейся в ядре клетки живого организма, в результатевоз-действия внешних факторов, таких как радиация или химические воздействий. Мутации разрушают или изменяют месторасположение нуклеотидов, составляющих молекулу ДНК. Во многих случаях мутации являются причиной необратимых процессов в клетке. Поэтому щтация, которой прикрываются эволюционисты - не волшебная палочка, которая можетусовершенствовать живой организм Очевидно, что воздействие мутации всегда негативно. Результаты мутационных изменений можно увидеть на людях, подверг- [c.39]

В динамической модели живой системы отмирание клетки является переходом последней в новое устойчивое (мертвое) состояние. Поэтому "потенциальный" рельеф активности живой системы в области условий, изменяющихся от нормальных до несовместимых с жизнедеятельностью системы имеет три ямки, разделенные двумя барьерами. Нахождение шарика в первой ямке - это нормальное состояние, переход во вторую - стресс, а после попадания в третью - "мертвую" шарик остается в ней навечно. Для некоторых организмов на "потенциальной" плоскости необходимо предусмотреть еще одну ямку, в которую система может обратимо переходить из "стресс-ямки". Это состояние соответствует нахождению системы в анабиозе. На обсуждаемый в научной литературе вопрос гибель клетки это постепенный процесс или он подчиняется принципу "все или ничего", исходя из выше изложенного, надо ответить - отмирание клетки - это триггерный (кооперативный) переход. Возросшая чувствительность (утрата устойчивости) клеток на терминальной стадии существования, по-видимому, способствует ускоренному отмиранию тех из них, которые оказались необратимо поврежденными. [c.122]

Характерной особенностью биологически активных белков является лргУпгть. с которой они изменяются под влиянием тепла, ферментов, кислот и различных орГанйческих соединений.. При этом происходит денатурация белка 102 с полной утратой его, биологической активности. Денатурация, которая, как правило, является необратимым процессом, представляет собой скорее фи зическую или внутримолекулярную перегруппировку,, чем химическое изменение структуры нативного белка она меняет специфическую пространственную конформацию макромолекулы,/ но не сопровождается гидролизом ковалентных связей. В живых организмах эта конформация возникает в результате взаимодействия боковых ответвлений полипептидных цепей, являясь термодинамически неравновесной во время денатурации белок переходит в равновесную денатурированную форму. При достаточно сильном воздействии ферментов, тепла и различных химических агентов могут все же произойти более глубокие изменения вплоть до расщепления макромолекулы на отдельные аминокислоты вследствие гидролиза по пептидным связям. [c.331]

Изучение связанной воды в полимерах имеет большое практическое значение. Так, например, оказалось, что засухо- и морозоустойчивые растения содержат в своем составе гораздо большее количество связанной воды, чем обычные растения на зимнее время растения оставляют в своем организме главным образом связанную воду. В молодых живых организмах связанной воды больше, чем в старых, а самое старение организмов связано с относительным уменьшением в тканях связанной воды. В почвах связанная вода не используется растениями в более жаркое время часть этой воды переходит в свободную ее форму и становится доступной для растений. Весьма интересно количественное изменение связанной воды при хлебопечении в свежей пшеничной муке ее 44% (от общего содержания воды), в тесте 53% (от набухания муки в воде), в свежеиспеченном хлебе 83%, но через 5 суток лежания хлеба—уже только - б7% самое черствение хлеба сопряжено с потерей связанной воды и является, таким образом, необратимым процессом старения. [c.189]

В книге описаны физико-химические законы биологических систем. Изложены вопросы применения термодинамики, статистической термодинамики и термодинамики необратимых процессов к живым организмам и указано значение кодовых характеристик процессов. Общие выводы иллюстрированы биохимическим и биофизическим материалом, относящимся к ферментологии и физике-химии полинуклеиновых кислот. [c.2]

В заключение следует подчеркнуть, что сам по себе рост энтропии, или увеличение степени неупорядоченности, нельзя считать совершенно бесполезным. Поскольку увеличение энтропии Вселенной при биологических процессах необратимо, оно создает движущую силу и задает направление всем видам биологической активности. Живые организмы непрерывно повьпцают энтропию в окружающей среде, и этим Вселенная расплачивается за поддержание в них внутреннего порядка. [c.408]

Репарация повреждений ДНК, Молекулы ДНК живых организмов неизбежно подвергаются воздействию различных вредных факторов, таких, как химические реагенты, УФ-излучение и др. В результате действия этих факторов в полинуклеотидной последовательности ДНК могут происходить обратимые и необратимые изменения. Рассмотрим репарацию ДИК, т. е. процесс устранения нарушений, возникших в химической структуре ДНК в одной из ее цепей. Так, взаимодействие с азотистой кислотой (точнее, ее производными — нитрозаминами R2N—N=0, которые синтезируются в организме из НН02 и иминов КгМН) вызывает дезаминирование аминогрупп гетероциклических оснований, входящих в молекулу ДНК. Например, дезаминирование цитозина приводит к образованию урацила [c.352]

Известно, что в клетке жизненно важные нуклеиновые кислоты, белки и другие вещества образуются из более простых строительных материалов — метаболитов. Антиметаболиты отличаются от них только замещением в молекуле какого-нибудь атома или его группы. Но именно поэтому онн могут вытеснять в обменных процессах живого организма метаболиты и тем самым необратимо нарушать течение процессов обмена в клетке. Теперь уже клетка, используя вместо метаболитов некачественный строительный материал — антиметаболиты, образует чуждые, непригодные для нормальной жизнедеятельности вещества, и поэтому она уже не может осуществлять биосинтез нормальных нуклеиновых кислот. В свою очередь, испорченные нуклеиновые кислоты строят ненужные организму белки и нарушают нормальное деление клеток, что приводит к бесплодию. Например, метотрексат отличается от фолиевой кислоты лишь тем, что у него лишних два атома водорода и один атом углерода, но зато он сильно воздействует иа синтез нуклеи- [c.139]

Водные растворы тиохрома бесцветны, но в ультрафиолетовом свете обладают интенсивной голубой флуоресценцией. Если тиохром подвергнуть воздействию гидросульфита натрия, он восстанавливается и превращается в лейкосоединение, более не обладающее флуоресценцией. Реакция образования лейкотиохрома, повидимому, необратима. Нам неизвестно, происходит ли этот процесс в живой клетке и так ли он в ней протекает, но факты обнаружения в организме тиохрома имеют место если этот процесс и протекает-в организме, то он, вероятно, осуществляется ферментной системой типа оксидазы. [c.65]

Многие из этих процессов характерны для среднего взрослого человека, имеющего массу, например, 70 кг каждые 24 ч в его организме генерируется и освобождается 2000 ккал. Поскольку на протяжении указанного периода времени существенно не изменяются ни масса тела, нн его структура и состав, вся эта энергия, за исключением того количества, которое потребовалось для выполнения физической работы, например поднятия тяжестей и т. д., выделяется в внде тепла (даже если в организме и имели место какие-то промежуточные превращения). В связи с тем, что энергия, теряемая в виде тепла, необратимо рассеивается в окружающей среде, существует постоянная потребность в ежедневном обеспечении новыми внешними источниками энергии, т. е. в питательных веществах, которые могут быть окислены. Весь процесс, который, между прочим, обеспечивает организм теплом, необходимым для поддержания температуры тела на уровне < 37°С, не является непроизводительным, как это может показаться. Именно благодаря совокупности процессов, реализуемых в результате непрерывного использования свободной энергии окислительно-восстановительных реакций и ее преобразования, становится возможным существование ВЫСОКО порядочеиных структур н витальные проявлен я живого организма. [c.356]

Человек, как и все гетеротрофные организмы, получает энергию за счет разложения органических веществ пищи. Органические вещества в условиях поверхности Земли являются термодинамически нестабильными они самопроизвольно (необратимо) распадаются. Самопроизвольные процессы — это экзергоничес-кие процессы, т. е. они сопровождаются уменьшением свободной энергии (-АС), и поэтому могут служить источниками энергии для функционирования живой клетки. В результате самопроизвольного распада в конечном счете образуются термодинамически стабильные продукты. Такими конечными продуктами распада пищевых веществ в организме человека являются диоксид углерода и вода. Еще один из основных конечных продуктов обмена — это мочевина. Она не относится к числу термодинамически стабильных веществ образование мочевины связано с энергетическим обменом лишь косвенно и служит для выведения избытка азота из организма, поэтому синтез мочевины подробнее рассматривается в связи с обменом аминокислот в гл. 11. [c.224]