Термодинамикалық заңдылықтарды жанды ағзаларда қолдану

Жанды ағза, термодинамикалық тұрғыдан сипаттағанда, қоршаған ортамен зат та, энергия да алмасатын ашық жүйеге жатады. Оларда жүретін зат және энергия алмасу ­ дербес өнуге және өзін сақтауға бағытталған ағзадағы зат пен энергия алмасудың заңды тәртібі болып табылады.

Жалпы алғанда, жанды ағзалар күрделі биологиялық жүйелер болып есептеледі. Олар қоршаған орта, ассимиляция ­ диссимиляция шарттары және барлық факторлармен бірге қарастырылуы керек.

Адамдар мен жануарларда жүретін ассимиляция процесі сырттан қабылданатын қоректік заттарды ағза үшін қажетті белоктар, майлар, нуклеин қышқылдары және т.б. заттарға айналуын сипаттайтын химиялық өзгерістерді қамтиды. Ассимиляция процесі ағзаның өсуін, дамуын, жаңаруын және энергия қорын жасайтын заттарды жинақтауын қамтамасыз етеді.

Диссимиляция ассимиляцияға қарама­қарсы процесс, яғни белоктар, көмірсулар, нуклеин қышқылдарының ыдырап, қарапайым заттарға айналуын қамтамасыз етеді. Барлық ағзалардағы диссимиляция процесінің негізгі өнімдеріне су, аммиак және көмір қышқыл газы жатады. Жануарларда олардың басым көпшілігі сыртқа шығарылып, аздаған бөлігі ғана биологиялық процестерде қолданылады.

Жанды ағзалар табиғаттың барлық заңдылықтарына бағынады. Оларды сипаттау үшін термодинамиканың 1 және 2 заңдары толықтай пайдаланылады.

Кез келген жанды ағза тіршілік барысында жұмыс жасайды және өседі. Олай болса, оның энергиясы жоғарылауы керек, ал бұл жағдай термодинамиканың 2 заңына қайшы келеді. Негізінде, еркін энергия тұйық жүйелерде ғана көбеймейді. Классикалық термодинамикалық заңдылықтар тұйықталған жүйелерге арналған, ал жанды ағза ашық жүйеге жатады. Сондықтан да жанды жүйелерді сыртқы ортамен біріктіре отырып, шартты түрде, тұйықталған жүйелерге жатқызуға болады.Ағза оның "жанды" бөлігі болып табылады, ондағы еркін энергия төмендеп, энтропия жоғарылауы мүмкін. Егер тұтас жүйенің «жансыз» бөлігіндегі энтропия жоғарылайтын болса, жанды ағзаның энтропиясы кез келген бағытта өзгере алады, яғни энергияның қоршаған ортадан үздіксіз сіңірілуіне байланысты энтропия төмендей алады. Жалпы алғанда, «ағза­ орта» жүйесінің энтропиясы міндетті түрде артады.

Термодинамикалық заңдылықтарды жанды жүйелерге қолданғанда, олардың ерекшеліктері ескерілуі керек:

1. Жанды ағзалар ашық жүйелерге жатады.
2. Олардағы процестер қайтымсыз.
3. Олар гетерогенді құрылымды болып келеді, кейбір фазалары аздаған молекулалардан тұруы мүмкін.
4. Жанды жүйелер тепе­теңдікте болмайды.

Жанды ағзалар, негізінде, уақыт бойынша өзгеріске ұшырайтын стационар күйде болады. Мұның себебі жүйенің сыртқы ортадан еркін энергияны үздіксіз қабылдап, энергетикалық шығынын толықтыруында. Стационар күйдегі жүйелерде жүретін реакциялардың тура және кері бағыттағы жылдамдықтары әртүрлі және олардың айырмасы уақыт бірлігінде тұрақты болады. Еркін энергия белгілі бір тұрақты жылдамдықпен үнемі өзгеріп отырады.

Уақыт бірлігінде параметрлері өзгермейтін, бірақ қоршаған ортамен зат және энергия алмаса алатын жүйенің күйі стационарлық деп аталады.

Биологиялық жүйелердің қасиеттерін сипаттау үшін қайтымсыз процестердің термодинамикасын пайдаланған қолайлы. Бұл теорияның негізін Нобель сыйлығының иегерлері Л.Онзагер және И.Пригожин салды.

Қайтымсыз процестердің термодинамикасы процестерді уақытқа тәуелді түрде қарастырады (классикалық термодинамикадан айырмашылығы).

Жүйе стационарлық күйде болады (классикалық бойынша тепе­теңдікте болуы керек).

Л. Онзагер бір мезгілде жүретін, өзара байланыста болатын процестердің термодинамикасы бойынша тұжырым жасады. Ол бойынша, ағынға немесе күшке тәуелді болатын диссипативтік функция қайтымсыз процестің стационар күйінде заңды түрде өзгереді және ең кіші мәнге ие болады, сонымен бірге осы күй энергияның ең аз шығынына сәйкес келеді.

Көптеген биологиялық жүйелерде химиялық энергия осмос, электр және механикалық энергияға айналады. Мұндай процестерде химиялық энергияның белгілі бір бөлігі жылуға айналады (диссипацияланады).

И.Пригожин ашық жүйелерді зерттеудің нәтижесінде стационарлық күйдің негізгі қасиетін былай сипаттады: сыртқы параметрлер тұрақты болғанда, стационарлық күйдегі жүйенің энтропия өнімінің жылдамдығы өте аз (минимум) және уақыт бірлігінде тұрақты болады.