Параметры биологических систем термодинамические

Термодинамическое исследование биологических процессов имеет большое значение для их понимания, но оно не позволяет вскрыть качественное своеобразие процессов жизнедеятельности, так как термодинамические параметры в организме действуют в условиях, определяемых влиянием более высоких биологических закономерностей. Наибольшее значение имеет термодинамика открытых систем, так как последние ближе к живым организмам, чем закрытые системы. [c.68]

Одним из важнейших свойств открытых систем является установление в них стационарных состояний в отличие от термодинамического равновесия, свойственного изолированным системам. В связи с этим при рассмотрении общих динамических характеристик модели биологической системы в первую очередь будут изучаться свойства ее стационарных состояний. При этом будут обсуждаться следующие вопросы существуют ли в системе стационарные состояния, сколько их, устойчивы ли они, как зависит характер устойчивости от параметров системы, как ведет себя система вблизи стационарных состояний, возможны ли между ними переходы Методы качественной теории дифференциальных уравнений, позволяющие ответить на эти вопросы, изложены ниже. [c.19]

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]

Изменение параметров системы при условии, что воздействие достигло определенного уровня. К этому признаку в биологических системах относится принцип нервного возбуждения ( все или ничего ). В простейших химических системах — это необходимость иметь энергию активации для начала химической реакции. Кодовая природа этого эффекта — одна из причин затруднений, которые встречаются при поисках связи между энергией активации и термодинамическими свойствами системы. [c.91]

Причина заключается, во-первых, в том, что энтропия вообще не относится к числу структурно-чувствительных свойств. Можно весьма значительно изменить расположение элементов, образующих систему, но термодинамический (энергетический) эквивалент перестановки окажется очень малым. Во-вторых, для открытых систем (а биологические именно к ним и относятся) вообще нет возможности определить функцию (подобную, например, потенциалу С), умножение которой на подходящий интегрирующий множитель ( /Т) превращало бы ее в функцию, определяющую устойчивое состояние (в данном примере эта функция — энтропия, а устойчивое состояние отвечает равновесию). Кроме того, функции состояния не являются удобным инструментом для изучения биологических объектов. Для судьбы биологической системы, как правило, гораздо важнее путь, по которому идет изменение параметров, чем их начальные и конечные значения. [c.120]

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]

Во-первых, было обнаружено, что механизмы самоорганизации в сильно диссипативных системах гораздо сложнее, чем в консервативных системах равновесного типа. В окрестности состояния устойчивого термодинамического равновесия поведение диссипативной системы легко предсказуемо, если известно, что в этой области система обладает единственным аттрактором — термодинамической ветвью. Наоборот, вдали от термодинамического равновесия та же система может обладать поразительно сложной цепью бифуркаций. Тем самым неизбежно возрастает важность таких случайных элементов, как внутренние флуктуации. Влияние случайных элементов становится решающим в актах выбора, которые производит в ходе эволюции система, между многочисленными областями притяжения или диссипативными структурами, возникающими в результате бифуркаций 1.14, 15]. При изменении внешнего параметра (примерно так, как это происходит в ходе биологической эволюции) могут развертываться различные сценарии в зависимости от случайных флуктуаций в каждый момент времени система посетит одни аттракторы и обойдет стороной другие. Стоит отметить, что такая чувствительность к флуктуациям встречается уже в простейших самоорганизующихся гидродинамических системах. Известно, например, что в системе Бенара, параметры которой кон- [c.16]

Как уже указывалось ранее, в биологических системах су-ш ествуют, по крайней мере, два способа взаимодействия переносчиков электронов друг с другом. Если переносчики электронов достаточно подвижны, чтобы взаимодействовать друг с другом посредством соударений, кинетика переноса электронов может быть описана на основе закона действуюш их масс, согласно которому скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагируюш их веш еств. Суш ественно, что в этом случае перенос электронов представляет собой бимолекулярную реакцию и определяется объемными концентрациями отдельных переносчиков электронов. Соответственно этому и термодинамические параметры электронтранспортных процессов также определяются объемными концентрациями переносчиков. [c.99]

Эволюция систем, в которых протекают химические реакции (а также биологические, экологические и некоторые социальные процессы), сопряженные с процессами типа диффузии, описываются нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных. Вообще говоря, такие уравнения имеют более одного решения, из которых термодинамика выделяет одно — так называемую термодинамическую ветвь. При отклонении системы от равновесия могут в принципе возникать новые решения, отличные от термодинамической ветви, причем при рассмотрении новых типов решения естественным параметром является степень удаления от термодинамического равновесия (которую, впрочем, не очень ясно, как определять). [c.79]

О. Шмидт пишет [12] Поразительно сколь экономична биологическая система, в которой лишь 10—20% доступной ей метаболической энергии используется на познание окружающей среды, принятие соответствующих решений и выработку собственных инструкций . При этом, очевидно, что ценность и продуктивность деятельности биологической системы вовсе не определяется тем, затрачены ли 10 или 20% энергии. Поэтому и энергетические, и энтропийные характеристики не могут принести пользы там, где при одном и том же значении термодинамических параметров стабильность изменяется в широких пределах в зависимости от совершенства саморегулирующих устройств. Поэтому едва ли есть смысл пытаться вложить в понятие энтропии какое-то новое содержание с тем, чтобы все-таки использовать ее в биологии. Здесь мир, если можно так выразиться, энтропийно вырожденных систем, и для исследования их было бы целесообразно изучить общую проблему отношений между процессом и создаваемой им структурой. Единство биохимического плана строения объясняется тем, что лишь определенные исходные вещества могли обеспечить развитие систем от ранга к рангу. Развивающиеся системы высших рангов приобретают все новые качества, совместимые с их устойчивостью, и создается своеобразная картина сключительно строгий отбор, возможно уникальный, исходных веществ обеспечивает развертывание огромного разнообразия высших форм. [c.36]

Количественно состояния различают с помощью термодинамических переменных. Термодинамические переменные — такие величины, которые характеризуют состояние системы в целом. Их называют еще термодинамическими параметрами системы. Важнейшими термодинамическими переменными являются давление р, температура Г, объем системы V или общая масса системы т, массы химических веществ (компонент) пи, из которых состоит система, или концентрация этих веществ Ск. Следует отметить, что аналогичные характеристики (температура, масса, состав биологических жидкостей, артериальное давление) используются врачом для определения состояния больного. [c.13]

Многие биологические полимеры могут существовать во множестве различных конформаций, которые стабилизируются по-разному под действием таких параметров среды, как температура, pH и концентрация соли. При детальных структурных исследованиях обычно необходимо работать одновременно с одной чистой формой. Поэтому бывает полезно рассмотреть разнообразные условия, чтобы определить области устойчивости различных конформаций и районы конформационных переходов. Поскольку часто структурные превращения молекул происходят в очень узком интервале условий, каждое чистое состояние можно уподобить фазе системы, а конформационные превращения называть фазовыми переходами. Все известные сведения относительно влияния внешних условий могут быть представлены в виде фазовой диаграммы, подобно тому как изображаются состояния воды или сплавов в зависимости от термодинамических переменных. Некоторые примеры построения этих диаграмм приведены в гл. 22 и 24. Важно, что после того, как такая фазовая диаграмма построена, из нее сразу видно, какие пределы внешних условий можно использовать для изучения структуры чистых состояний и в каких областях следует проводить исследование конформационных переходов. Это может существенно упростить дальнейшие исследования. [c.40]

В биологических системах функции управляющего аппарата принадлежат не энергетическим параметрам, а кодовым, причем связь между собственно кодом и контролируемыми им потоками термодинамических величин (а также и массы) утрачена. Обра,зо-вание таких систем означает поворотный момент в ходе предбиологической эволюции. Начиная с этого момента энергетические отношения продолжают оставаться важными для системы, но становятся управляемыми с помощью аппаратов, действующих по кодовому принципу, в частности в механизмах сопряжения. , [c.346]