3. Термодинамика биологических систем. "Жизнь с точки зрения физики" (э. Шредингер). Теорема Пригожина. Функция диссипации.

Особенности организации живой системы:

1) Биологические системы открыты для потоков вещества и энергии.

2) Процессы в живых системах имеют неограниченный характер.

3) Живые системы находятся в неравновесном состоянии.

4) Биологические системы гетерофазны, структурированы, и отдельные фазы могут иметь небольшое число молекул.

Применимость законов термодинамики:

1. Если рассматривать термодинамическую систему, состоящую только из живой системы, то закон сохранения энергии неприменим, так как живая система является открытой. Для термодинамической системы, включающей в себя живую систему и среду, с которой система обменивается энергией и веществом, закон сохранения энергии выполняется.

2. Второй закон термодинамики, справедливый для изолированных систем, для живых систем, являющихся открытыми, неприменим (Шредингер). Живые системы постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность живых систем. В процессе развития каждого организма и филогенеза достигается состояние с более высокой упорядоченностью.

Для живых систем изменение энтропии: dS = dSi + dSе, где dSi – изменение энтропии в ходе процессов, происходящих в самой живой системе, dSe – скорость изменения энтропии при обмене веществом и энергией с окружающей средой. Согласно второму закону термодинамики величина dSi может быть только положительной или в предельном случае (обратимые процессы) равна нулю. Величина dSe может быть положительной (DSe > 0, система получает энтропию) и отрицательной (dSe < 0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При dSe < 0 и | dSe| > | dSi |: dS = dSi + dSe < 0, что означает увеличение упорядоченности. Для живых систем рассматривается ход процессов во времени. Рассмотрим производную энтропии по времени, которую называют скоростью изменения энтропии. dS/dt = dSi/dt + dSе/dt. Для стационарного состояния, когда неравновесность во времени не изменяется, производство энтропии должно быть равно нулю (производная от постоянной величины): dS/dt =0, отсюда следует, что dSi /dt = -dSе/dt, т.е. энтропия, возникающая в ходе процессов, происходящих внутри системы (dSi), должна полностью переходить во внешнюю среду.

Теорема Пригожина. Если открытую систему при неизменных во времени условиях предоставить самой себе, то прирост энтропии будет уменьшаться до тех пор, пока система не достигнет стационарного состояния равновесия; в этом состоянии прирост энтропии будет минимальным, то есть dS/dt = min, т.е. достигает минимума диссипативная функция. Для компенсации распада (компенсации неупорядоченности) должна совершаться внутренняя работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся. А это означает, что эта внутренняя работа является процессом с отрицательной энтропией (такие процессы называют негэнтропийными, а отрицательную энтропию – негэнтропией). Источником энергии для совершения негэнтропийной внутренней работы являются: для гетеротрофов – энергия в виде химических связей с низкой энтропией, для автотрофов – энергия солнечного света, представляющего электромагнитное излучение с низкой энтропией. Таким образом, обмен веществ с точки зрения термодинамики необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе. Если рассматривать систему «живой организм плюс среда», из которой берутся питательные вещества и в которую отдаются продукты обмена, то второй закон термодинамики справедлив: энтропия этой системы возрастает и никогда не уменьшается. Это означает, что живая система создает внутри себя упорядоченность за счет того, что она уменьшает упорядоченность в окружающей среде.

Диссипативная функция (функция рассеяния) — функция, вводимая для учёта перехода энергии упорядоченного движения в энергию неупорядоченного движения, в конечном счёте — в тепловую. Скорость продукции энтропии на ед. объема. Положительная, но минимальная. diS/dt = SσdV > 0, мин. где σ- функция диссипации .