Глава 3. Основные положения и понятия теории термодинамики биологических систем

Живой организм - это термодинамическая система активного типа (в которой происходят энергетические преобразования), стремящаяся к стабильному неравновесному термодинамическому состоянию. Неравновесное термодинамическое состояние у растений достигается непрерывным чередованием фаз потребления солнечной энергии в результате фотосинтеза и последующих биохимических реакций, в результате которых аденозинтрифосфат (АТФ) синтезируется в дневное время, и последующим выделением энергии при расщеплении АТФ преимущественно в темное время суток. Таким образом, одним из условий существования жизни на Земле является чередование светлого и темного времени суток.

У животных процессы чередующихся циклов биохимических реакций синтеза и расщепления АТФ происходят автоматически. Более того, процессы чередующихся циклов биохимических реакций на уровнях органов, систем и всего организма в целом, например, дыхание, сокращения сердца и другие, протекают с разными периодами и внешне проявляются в виде биоритмов. В то же время стабильность неравновесного термодинамического состояния, оптимального при определенных условиях жизнедеятельности, обеспечивается системами обратной связи посредством регулирования биохимических реакций в соответствии с теорией стабильности Ляпунова. Этот принцип жизнедеятельности был сформулирован Б. Доброборским в виде 2-го закона термодинамики биологических систем в следующей формулировке:

Стабильность неравновесного термодинамического состояния биологических систем обеспечивается непрерывным чередованием фаз потребления и высвобождения энергии посредством контролируемых реакций синтеза и расщепления АТФ.

Из этого закона вытекают следующие следствия:

1. В живых организмах ни один процесс не может происходить непрерывно, но должен чередоваться в противоположном направлении: вдох с выдохом, работа с отдыхом, бодрствование со сном, синтез с расщеплением и т.д.

2. Состояние живого организма никогда не бывает статичным, и все его физиологические и энергетические параметры всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно средних значений как по частоте, так и по амплитуде.

1. Свободная энергия - ключевой показатель в биохимической термодинамике. Обычно используется понятие свободной энергии Гиббса (G), который описывает доступную энергию системы для выполнения работы при постоянной температуре и давлении.

2. Энтропия - мера беспорядка или хаоса в системе. В биохимической термодинамике энтропия играет важную роль в определении спонтанности реакций.

3. Энтальпия - тепловое содержание системы, также известная как внутренняя энергия системы.

4. Химический потенциал - показатель, который позволяет понять, насколько тщательно протекает химическая реакция и какая работа может быть выполнена в результате этой реакции.

5. Термодинамические циклы - это важный инструмент в изучении биохимических реакций, позволяющий анализировать изменения энергии и вещества в биохимических процессах.

6. Экзергия - понятие, характеризующее степень доступности работы в системе. В биохимии, это понятие часто используется для оценки эффективности энергетических процессов в живых организмах.

Изучение этих понятий позволяет биохимикам и биологам понимать, как энергия течет и превращается в биологических системах, помогая раскрывать механизмы жизненно важных процессов.