ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОФИЗИКА
Часть II. Термодинамика, биология и экология
В конце каждой лекции этой части имеются вопросы для контроля
Лекция 1.
ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ЭКОЛОГИЯ
ЗАДАЧИ ТЕРМОДИНАМИКИ ПРМЕНИТЕЛЬНО К БИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИИ
Классическая термодинамика, как раздел физики, изучает свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и общие закономерности трансформации энергии на различных уровнях организации материи, но не изучает конкретные механизмы явлений. Отсюда ясно, что истинный смысл этого слова далек от его семантического происхождения, поскольку термодинамические законы статичны, а не динамичны по своей сути. Фактически термодинамика не ограничивается изучением только термических процессов, как это было на первоначальном этапе её становления для описания и оптимизации работы тепловых систем. Поэтому ТЕРМОДИНАМИКА – это ни термо- и не динамика. Этим занимается, например, биоэнергетика, если речь идёт об энергетических превращениях на биологическом уровне организации материи.
Основной вопрос биофизики, применимы ли законы физики для интерпретации жизненных явлений. Тогда применительно к этой части нашего курса можно утверждать, что наша основная задача выяснить, применимы ли законы термодинамики, установленные для неживых систем, к биологии и экологии.
Часто полагают, что термодинамику нельзя использовать для описания для описания биологических процессов, поскольку законы термодинамики по своей сути – статистические законы, т.е. они применимы к большому количеству молекул, в то время как в живых клетках имеются уникальные структуры и ферменты, число которых резко ограничено.
С точки зрения термодинамики невозможно существование и функционирование живых клеток, клеточных популяций, организмов, популяций животных, экосистем и биосферы в целом. Дело в том, что термодинамика изучает макроскопические системы, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Любая из перечисленных живых систем находится в термодинамическом неравновесии с окружающей средой, и её существование с точки зрения термодинамики – совершенно маловероятное событие. Дело в том, что биологические системы – существенно неравновесные системы. Такие системы изучает термодинамика неравновесных процессов. Термодинамика неравновесных процессов является теоретической основой для исследования открытых систем, включая клетку, живые организмы, их популяции, экосистемы и биосферу ы целом. С точки зрения этого раздела термодинамики для поддержания стабильного неравновесия требуется постоянный поток энергии. Необходимость потока энергии через любую организованную систему в биосфере, будь это отдельный индивидуум, популяции животных, либо экосистема, – главный вывод термодинамики. Пример: туго надутый мяч с дыркой сохраняет форму, если осуществляется постоянная подкачка воздуха.
Что обеспечивает устойчивость существования таких систем? Наличие постоянного потока энергии. Откуда его взять? На современном этапе биология и экология фактически превращаются в науку о выживании цивилизованного общества и сохранении биосферы. Именно поэтому биология и экология являются науками, способными объединить людей с различными политическими и религиозными взглядами, являясь своеобразным мировоззрением и нормой поведения людей.
Главные задачи термодинамики применительно к биологии и экологии состоят в том, чтобы (1) показать, что законы термодинамики применимы к описанию процессов в живых организмах и системах; (2) понять термодинамические принципы функционирования биологических систем; (3) на основе этого понимания разработать концепции достижения устойчивости экосистем и биосферы в целом; (4) разработка на основе биоэнергетических принципов новых технических устройств, предназначенных для усвоения, хранения и трансформации энергии [БИОНИКА]