Применение термодинамики в биологии

Термодинамика как наука возникла в начале XIX в. в связи с задачами совершенствования тепловых машин и включает как основную часть учение о превраш,ениях энергии. Этим определяется общность ее значения для таких наук, как физика, химия, биология, геология, и для многочисленных отраслей техники, поскольку любые процессы, происходящие в природе, сопровождаются изменениями энергии. Применение термодинамики к химическим реакциям составляет предмет химической термодинамики, одного из основных методов физической химии. [c.11]

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]

Применение термодинамики в биологии [c.66]

Ранее мы рассмотрели ряд закономерностей термодинамики и сделали положительное заключение ( 26) о применимости первого закона термодинамики для анализа биологических процессов. Выясним границы применения в биологии второго закона термодинамики, следствий из него и энтропии. Статистический характер и неприменимость второго закона термодинамики к отдельным молекулам и системам из небольшого числа молекул ограничивает область его приложения системами макроскопическими. Самопроизвольные процессы в таких системах представляют собой переход системы из менее вероятного в более вероятное состояние, а необратимость физических процессов объясняется лишь относительно малой вероятностью их обращения, обусловленной молекулярным строением материи. С учетом изложенного естественно возникает вопрос, в какой мере приложима к биологическим процессам обычная трактовка второго закона термодинамики, вопрос о связи энтропии и вероятности состояния в смысле степени его упорядоченности и об определяющей роли энтропии в направлении химических процессов обмена. [c.66]

Основное значение в термодинамике имеют закрытые системы, поскольку только в закрытых (и изолированных) системах достигается состояние полного термодинамического равновесия. Примером закрытой системы является герметически замкнутый реакционный сосуд с теплопроводящими стенками или цилиндр с хорошо притертым поршнем, в котором содержится определенное количество вещества. Примером изолированной системы является герметически замкнутый реакционный сосуд с теплоизолированными стенками. Идеально изолированная система является научной абстракцией, к которой в большей или меньшей степени приближаются реальные тела, взаимодействие которых с другими телами может считаться пренебрежимо малым. Примером открытой системы является реакционная система, из которой непрерывно отводятся продукты реакции и подводятся исходные вещества. Открытой системой является, например, кусок гниющего дерева или ржавеющего железа. Все живые существа являются открытыми системами. Термодинамика открытых систем стала разрабатываться лишь в недавнее время, главным образом в связи с применением термодинамики в биологии. [c.18]

Первый и второй законы термодинамики в биохимии. Напомним вначале содержание основных законов классической термодинамики и результаты их применения в биологии. Согласно первому закону количество теплоты 8Q, поглощенной системой из внешней среды, идет на увеличение ее внутренней энергии сШ и совершение общей работы 8А, которая включает работу против сил внешнего давления Р по изменению объема системы и максимально полезную работу 8 А мах, сопровождающую химические превращения [c.66]

Стационарные состояния, т. е. состояния в которых свойства системы не зависят от времени, играют большую роль в применениях неравновесной термодинамики, особенно в биологии. Стационарные неравновесные состояния обладают той важной особенностью, что при некоторых условиях, они характеризуются минимальным возникновением энтропии, совместимым с внешними ограничениями, наложенными на систему. Эта особенность проявляется при условии постоянства феноменологических коэффициентов. Так как для реальных систем это в общем не верно, сказанное означает, что общие градиенты термодинамических свойств по системе в целом должны быть достаточно малыми, чтобы допущение постоянства феноменологических коэффициентов приближенно оправдывалось. [c.325]

В книге рассмотрена большая группа новых электродов, широко применяемых в научных исследованиях и для промышленного анализа и контроля. Даны характеристики всех типов ионоселективных электродов и их применение при изучении термодинамики, кинетики, комплексообразования. Обсуждаются прикладные исследования в различных областях медицины и биологии, а также системы промышленного анализа и контроля. [c.407]

Проблема устойчивости. Указанная особенность биологической организации вызывает трудности в использовании термодинамики в биологии и обусловливает сложность самого понятия устойчивости в применении к биологическим системам. Эта проблема касается сопоставления общих принципов механики и статистической физики и в целом выходит за рамки настоящего учебника. [c.158]

В настоящее время имеется множество удачных моделей конкретных биологических процессов. При конструкции их используется богатый фактический материал. Однако общие принципы, помогающие сформулировать модель, такие, например, как принципы термодинамики или механики, пока что отсутствуют. Попытки буквального применения аппарата термодинамики и механики в биологии, хотя и делались, но к успеху не привели. Дело здесь заключается в биологической специфике. [c.258]

Неравновесная термодинамика — сравнительно молодая наука. Ее основы были заложены в 1931 г. Лар-сом Онсагером в его широко известных работах, которые сегодня считаются классическими. Эта теория, так же как ее классический предшественник (равновесная или обратимая термодинамика), носит прежде всего феноменологический характер, хотя основа теории — так называемые соотношения взаимности Онсагера — в настоящее время подтверждены статистическими методами, в которых используется гипотеза микроскопической обратимости. В этой книге обсуждаются лишь макроскопические основы теории. Подобный подход к неравновесной термодинамике аналогичен строгому изложению классической теории поля (механики континуума, электродинамики), с помощью которой можно получить единое описание механических, электродинамических и термических явлений. Без преувеличения можно сказать, что результаты, полученные в неравновесной термодинамике, необходимы физику, физико-химику, энергетику, исследователю плазмы, инженеру-химику, имеющему дело с процессами химического производства, исследователю кинетики реакций, а также биофизику и биологу. Широкая область применения необратимой термодинамики объясняется тем, что в природе все макроскопические процессы необратимы. [c.22]

Современная биология широко использует физическую химию. Все процессы в живом организме связаны с превращением вещества и энергии, а именно эти превращения изучает физическая химия. Основоположник отечественной физиологии И. М. Сеченов писал Физиолог — это физико-химик, имеющий дело с явлениями в животных организмах . Ту же мысль высказал позднее другой выдающийся физиолог — И. П. Павлов ...клетка в некотором отношении похожа на физико-химичес-кую лабораторию. Понятно, что там надо ждать и всех тех явлений, которые бывают при физико-химических процессах . Для иллюстрации справедливости этих высказываний достаточно перечислить некоторые актуальные проблемы современной биологии, решение которых основано на применении законов физической химии термодинамика и энергетика биопроцессов, осмотические явления и мембранные равновесия, окислительно-восстановительные процессы и редокс-потенциалы в физиологических средах, кинетика биологических процессов, ферментативный катализ и т. д. [c.8]

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]

Описанные два наиравлеиня Т. х.— термохимия и термодинамика химич. реакций — являются важней-П1ИМП ее разделами, н они лолз чилл наиболее широкое развитие и применение. Выводы и методы их используются как в различных смежных отраслях знания — физике, астрофизике, химич. технологии, теории металлургич. процессов, геологии, биологии и др., так и при решении различных проблем прикладного характера, в частности проблем, важных для различных производств химич., металлургич., тон- [c.50]

Стационарные состояния, так называемые состояния, в которых свойства системы не зависят от времени, играют большую роль в применениях неравновесной термодинамики, особенно в биологии. Стационарные неравновесные состояния обладают той важной особенностью, что при некоторых условиях они характеризуются минимальной скоростью возникновения энтропии, совместимой с внешними ограничениями, наложенными на систему. Эта особенность проявля- [c.375]

Не претендуя на решение всех вопросов, мы попытаемся рассмотреть эти связи,, используя привычный аппарат динамических систем,— это и является целью следующего параграфа (см. [П47]). Мы ие будем здесь излагать основы термодинамики неравновесных систем и применение их к биологии, поскольку это изложено в работах Пригожина, Гленсдорфа и Николиса [П14, П37]. [c.259]

СВОИХ применениях только системами, находящимися в равновесии. Они указывают далее, что оба закона термодинамики применимы ко всем системам независимо от того, близки ли они к состоянию равновесия. Именно это составляет основу прменимости термодинамики в биологии, поскольку в живых системах мы почти всегда имеем дело с превращениями химической энергии в процессах, не являющихся равновесными, и в условиях, которые далеки от равновесия. [c.289]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология