Особенности организмов как термодинамических систем

Следствия из него чрезвычайно важны. Обратимся к некоторым из них, но прежде определим, что подразумевается под системой н каковы могут быть ее основные особенности. Системы бывают открытые, закрытые и изолированные. Термин замкнутая означает, что система имеет границы, за которыми находится внешняя среда. Граница может быть как реальной, так и воображаемой. Если система обменивается с внешней средой и энергией и веществом, то она называется открытой (клетка, организм). Если обмен веществом невозможен, но происходит обмен энергией — закрытой (нагреватели или холодильники, химические процессы без улетучивания компонентов). Если исключается обмен энергии и вещества, то система изолированная (но терминологии И. Пригожина). Термодинамическая система — это газ, жидкость, раствор, твердое тело, т. е. любая совокупность очень большого числа частиц. Термодинамика не рассматривает свойства самих частиц и не оценивает реальность существования их в действительности. Поэтому наиболее часто законы термодинамики изучаются на примере идеального газа. Термодинамика исследует макроскопические свойства системы (давление, объем, температуру, электродвижущую силу и т. п.), однако их можно описать, зная микроскопические характеристики вещества, т. е. особенности отдельных молекул. Например, давление— результат ударов молекул о стенки сосуда, а температура — мера средней кинетической энергии поступательного движения частиц. Уравнение (Г 16) связывает макроскопические величины системы с микроскопическими параметрами молекул (молекулярной массой, скоростью движения и пр.). [c.24]

Первая проблема— термодинамические основы жизни. Отличие живого организма от тел неживой природы состоит в исключительно высокой упорядоченности организма, подобного в этом смысле апериодическому кристаллу , к способности этой упорядоченности поддерживать себя и производить упорядоченные явления. Речь идет о саморегуляции и самовоспроизведении организмов и клеток. Шредингер объяснил эту особенность тем, что организм — открытая система, существующая в неравновесном состоянии благодаря потоку энтропии во внешнюю среду. Организмы непрерывно создают порядок из порядка , извлекают упорядоченность из окружающей среды в виде хорошо упорядоченного состояния материи в пищевых продуктах . Шредингер отвечает на вопрос о причине макро-скопичности, многоатомности организма. В системе, состоящей из малого числа атомов, флуктуации должны уничтожать упорядоченность. Именно благодаря многоатомности организм существует в соответствии с законами термодинамики. [c.16]

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]

Развитие саморегулирующих механизмов, постепенно удаляющих истемы от состояний, в которых их вероятную судьбу можно предсказать по термодинамическим картам , особенно наглядно проявляется в совершенствовании так называемых активных переносов. Этим термином обозначают процессы, происходящие в организмах и совершающиеся таким образом, что перенос той или иной величины происходит против градиента соответствующей силы, например растворенное вещество переносится против градиента концентрации. Активный перенос через мембраны против градиента концентрации объясняется обычно образованием на одной стороне мембраны некоторого соединения с веществом-переносчиком, которое диффундирует уже по градиенту на другой стороне мембраны оно разлагается под влиянием какого-либо фермента, например гидролитического. Этот процесс требует, очевидно, затраты энергии (доставляемой АТФ) и соответствующей структуры. Следовательно, постепенное усложнение систем приводит в определенных усло-1ИЯХ к тому, что вновь возникающие системы стабилизируются в силу иных законов, чем те, которым подчинен переход в наиболее устойчивое состояние исходных систем — систем предшественников. [c.195]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология