Bioszisztémák entrópiája
Az entrópia szerepe a folyamat lehetőségeinek méretében azonban meg kell jegyeznünk, hogy az "élő rendszerek bölcsessége" itt nyilvánul meg. Az energiacsere olyan módon van kialakítva, hogy megkerülje az entrópia termodinamikai kritériumát, és nemcsak a lehetséges reakciókat, hanem azokat is, amelyek a termodinamikai szempontból lehetetlenek. Ezek mind olyan reakciók, amelyekben csökken az entrópia és a szabad energia növekedése - különböző anyagok bioszintézise, az aktív közlekedési rendszerek működése stb. Hogyan tudod ezt a biológiai tárgyakra? Ez az ún. Energiakonjugáció mechanizmusa miatt lehetséges. Ennek a konjugációnak az a lényege, hogy az entrópiás kritérium szempontjából lehetséges reakció termodinamikailag lehetetlen reakcióval párosul és energiát ad (3. Az energiakapcsolás megvalósításához két feltétel szükséges: 1) a termodinamikailag lehetséges reakció által biztosított szabad energia meg kell haladnia a termodinamikailag lehetetlen reakció által felhasznált energiát, vagyis fel kell tüntetni a felesleges energiát, figyelembe véve az átvitel lehetséges veszteségeit; 2) mindkét konjugált reakciónak közös összetevője legyen. Az ilyen komponensek a biológiai rendszerekben lehetnek foszfát, elektrokémiai proton gradiens stb.
A bioszisztémák energiacsatlakozása a természet kiemelkedő találmánya. Általában a sejt szerkezeti elemeinek részvételével valósulnak meg. Az ilyen konjugáció legszembetűnőbb példája az oxidatív és fotoszintetikus foszforiláció folyamata, amely megfelelő módon illeszkedik a mitokondriális és fotoszintetikus membránok részvételével. Mint ismeretes, e folyamatok során a légző- vagy fotoszintetikus láncon keresztül történő elektronátvitel miatt az energiatartalmú ATP-molekulák (ADP-foszforiláció) szintézisét különböző munkák elvégzésére használják.
Az entrópia mint a rendszerváltozás mértéke. Már elmondtuk, hogy az entrópia tükrözi a lebomlott rendszer energiájának azon részét, azaz egyenletesen eloszlik hő formájában. Így minél kisebb a rend a rendszernél, vagyis minél kisebb az energia-gradiens, annál nagyobb az entrópia.
Különösen egyértelműen az entrópia és a rendszerváltozás közötti kapcsolat a Planck-Boltzmann-képletben nyilvánul meg, amely az entrópiát a termodinamikai valószínűséghez kapcsolja:
ahol S - entrópia, k - Boltzmann állandó egyenlő 1,38 '10 - 23 J "a K-1, vagy a 3,31" entrópia 10- 24 egység (1 egység = 1 entrópiás cal „°-1), és a W - termodinamikai valószínűsége, hogy van, hányféleképpen, hogy elérjük ezt az állapotot. Mindig több mint egy. Általános formában egyenlő:
ahol (a molekulák esetében) N az összes molekula száma, és Ni a molekulák száma az i-fázis térfogatban.
Tegyük fel, hogy van egy rendszerünk, amely három rekeszből áll. A rendszerben kilenc molekula található. Teljes rendetlenség lesz egy ilyen rendszerben, amikor a molekulák egyenletesen oszlanak el, vagyis minden egyes rekeszben három molekula lesz (4. Az ilyen rendszer termodinamikai valószínűsége:
A rendszer teljes sorrendjét figyeljük meg, ha mind a kilenc molekula megtalálható a három rekesz egyikében (4. ábra). Az ilyen rendszer termodinamikai valószínűsége lesz
Így egy adott rendszer rendezetesebb, annál kevésbé termodinamikus valószínűsége, és ennélfogva minél kisebb az entrópia (lásd a Planck-Boltzmann-formulát).
Milyen mértékben alkalmazható az entrópia, mint a rendelés mértéke a bioszisztémákra. A kérdésre adott válasz bizonyos mértékig az LA által adott. Blumenfeld [3], aki számította ki, hogy az entrópia milyen mértékben változik, amikor egy emberi test alakul ki az elemekből (monomerek, polimerek, sejtek). Kiderült, hogy az emberi test rendelése körülbelül 300 entróp egységre becsülhető. Nagyon vagy egy kicsit? A kérdés megválaszolásához elegendő azt mondani, hogy egy pohár víz entrópiája annyira változik a párolgása során. Mi az oka egy ilyen paradoxonnak? Az a tény, hogy az entrópia csak a rend fizikai és energetikai aspektusát becsüli meg. Egyáltalán nem érinti a minőségi szempontját. A biológiai struktúra egyedisége nem abban áll, hogy mennyi energia van benne, és mennyire változott az entrópia kialakulása, hanem abban, hogy ez a szerkezet minőségi jellemzőkkel rendelkezik, amelyek lehetővé teszik bizonyos biológiai funkciók végrehajtását. Sajnos ez egyáltalán nem érdekli az entrópiát. Így értelmetlen az entrópia mint a bioszisztémák alkalmazásában mért rend mennyisége.
A MV Wolkenstein az "Entrópia és információ" című könyvében [2] egy ilyen vonal:
Energia - a világ királynője,
De a fekete árnyék mögött
Egyenértékű éjjel-nappal,
Minden megsemmisíti az árat,
Mindez füstös sötétséggé változik
Végül is az entrópia mindig változik
Csak így volt képviselve.
De most érthető, hogy az árnyékok
Nem lesz, nem volt és nem,
Mi a helyzet a csillag generációk változásával?
Csak az entrópia az élet és a fény.
Nem akarunk részt venni a vitában, ami fontosabb - energia vagy entrópia. Tekintjük feladatunk teljesítését, ha az olvasó elképzelése egy ilyen érdekes termodinamikai funkció fontosságáról, mint az entrópia és a bioszisztémákban betöltött szerepe.
Rubin A.B. A biológiai folyamatok termodinamikája. M. Izd-vo MGU, 1984. 283 p.
2. M.Volkenstein. Entrópia és információ. M. Nauka, 1986. 192 oldal.