Второе начало термодинамики и живой организм

Если справедливость I начала термодинамики для живых организмов никогда не подвергалась сомнению, то приложимость к биологическим объектам второго начала вызывала оживленные дискуссии. В самом деле, энтропия любого организма в процессе жизни не возрастает, как это как будто бы следует из II начала, а остается более или менее постоянной. Некоторые ученые считали этот признак даже наиболее характерной отличительной чертой жизни. Например, выдающийся советский биолог Э. С. Бауэр сформулировал принцип «устойчивого неравновесия», согласно которому неживые системы всегда стремятся к состоянию равновесия (что сопровождается возрастанием энтропии), тогда как живые организмы поддерживают неравновесное состояние с постоянной энтропией за счет своей свободной энергии. В этом вообще-то правильном положении есть существенная неточность, о чем будет сказано далее. Важно отметить, что некоторые виталистически настроенные ученые выдвигали концепцию особой «антиэнтропийной» миссии жизни, обусловленной некоей «жизненной силой». Сейчас стало очевидным, что все подобные рассуждения, которые еще встречаются в популярной литературе, основаны на недоразумении.

Дело в том, что приведенная выше (§ 3) формулировка второго начала термодинамики, на которую ссылаются авторы всех таких умозаключений, справедлива только для изолированных систем, а биологическая система в принципе не может быть изолированной, так как непременным условием жизни является обмен веществ и энергии с окружающей средой. Чтобы применять второе начало термодинамики в биологии, необходимо сформулировать его для открытых систем.

Термодинамика открытых систем разработэна сравнительно недавно (в 50—60-е годы текущего столетия) рядом ученых, среди которых особое место занимает И. Р. Пригожий, удостоенный за эти работы Нобелевской премии. Основная идея Пригожина довольно проста. Полное изменение энтропии открытой системы нужно представить в виде двух частей: причиной первой из них (Δ_is) служат внутренние процессы, которые необратимы и непременно сопровождаются диссипацией энергии; вторая часть (Δ_es) обусловлена обменом энергией и веществом между системой и окружающей средой. Следовательно,

Δs= Δ_is + Δ_es

Аналогичное выражение можно написать и для изменения полной свободной энергии открытой системы:

ΔG= Δ_iG + Δ_eG (17)

Так как все реальные процессы в открытых системах необратимы, то Δ_is всегда больше нуля, a Δ_iG — всегда отрицательно. Что же касается Δ_es(или Δ_eG ), то знаки этих величин в разных ситуациях могут иметь разные значения, в ходе обмена с окружающей средой свободная энергия системы может и увеличиваться, и уменьшаться. Нетрудно догадаться, что в организме первый случай имеет место при усвоении пищи, а второй — при неблагоприятных воздействиях, вызывающих дополнительные затраты свободной энергии.

Важно отметить, что накопление свободной энергии в открытой системе (и, соответственно, уменьшение ее энтропии) всегда сопряжено с возрастанием энтропии в окружающей среде, то есть в других телах, с которыми связана исследуемая система. Рассмотрим, например, взаимосвязь фотосинтеза с процессами, происходящими на Солнце. При создании одного моля глюкозы свободная энергия растения возрастает примерно на 48000 Дж, а энтропия снижается на 160 Дж K^-1 (при температуре 300 К). Синтез одной молекулы глюкозы требует поглощения трех квантов света, а в расчете на один моль — 3N_A = = 18 10²³ квантов. В ходе термоядерных реакций, обеспечивающих на Солнце излучение такого количества квантов, энтропия Солнца возрастает на 1800 Дж K^-1. Стало быть, для компенсации снижения энтропии на 160 Дж К^-1 в биосфере Земли необходима продукция энтропии 1800 Дж К^-1 на Солнце.

В общем случае в открытой системе Δ_e≤≥0, причем в разные промежутки времени изменения полной энтропии могут быть различны, так как непрестанно изменяются величины Δ_is и Δ_es а у последней — и знак. В связи с этим в термодинамику открытых систем был введен параметр, который отсутствовал в классической термодинамике (термодинамике изолированных систем). Речь идет о времени. В классической термодинамике рассматриваются только установившиеся режимы, что позволяет не учитывать зависимость параметров термодинамического процесса от времени. В термодинамике открытых систем необходимо учитывать непрерывное изменение свободной энергии и энтропии, обусловленное связью таких систем с беспрестанно меняющейся внешней средой.

Поэтому при формулировке второго начала термодинамики для открытых систем целесообразно ввести величину скорости

ds/dt изменения энтропии— которая определяется выражением

Член – d_is/dt называется продукцией энтропии, а d_es/dt потоком энтропии.

Теперь можно сформулировать второе начало термодинамики для открытых систем: в открытых системах внутреннее изменение энтропии всегда положительно, а внутреннее изменение свободной энергии всегда отрицательно. Здесь подчеркивается необратимость реальных термодинамических процессов в открытых системах:

В изолированной системе d_es/dt = 0 и ds/dt = d_is/dt Отсюда

следует «классическая» формулировка второго начала

Для поддержания жизни необходимо непрерывное поступление в организм свободной энергии из окружающей среды, чтобы пополнять беспрестанную убыль свободной энергии самого организма, идущей на выполнение работы в различных видах, и поддерживать энтропию организма постоянной. Этот процесс иногда называют потоком отрицательной энтропии в организм. Термин «отрицательная энтропия» (или «негэнтропия») довольно сложен для понимания и нередко вносит путаницу в терминологию, поэтому в последнее время им почти не пользуются. С ним связано, в частности, одно заблуждение. В литературе можно встретить высказывание, будто организм получает с пищей отрицательную энтропию, так как в пищевые продукты входят белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, жиры — вещества, обладающие низкой энтропией, поскольку в сложной молекуле распределение атомов упорядочено и термодинамическая вероятность такой системы низка. Однако в подобных высказываниях не учитывается, что в пищеварительном тракте все сложные молекулы расщепляются до мономеров. Они всасываются из кишечника в кровь и оттуда проникают в клетки. Именно из мономеров извлекается свободная энергия в ходе биологического окисления. Следовательно, никакой «отрицательной» и даже низкой энтропии человек не получает при усвоении пищи. Потребление пищи обеспечивает, с точки зрения термодинамики, постоянный приток в организм свободной энергии. За 60 лет жизни человек съедает около 14 тонн углеводов, по 2,5 тонны белков и жиров. Если к этому добавить 56 тонн выпитой воды, то нетрудно подсчитать, что через организм человека в течение жизни проходит масса веществ, в тысячу раз превосходящая его собственную массу. Это наглядно подтверждает, что живой организм — открытая система.

СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ

Стационарным называется такое состояние открытой системы, при котором основные макроскопические параметры системы остаются постоянными. Надо подчеркнуть принципиальную разницу между состоянием равновесия и стационарным состоянием

-

Отличительные признаки стационарного и равновесного состояний

(Губанов, Утепбергенов, 1978)

Равновесное состояние	Стационарное состояние
Свободная энергия и работоспособность системы минимальны Энтропия в системе максимальна Отсутствие градиентов в системе	Свободная энергия и работоспосо- ность системы постоянны, но не минимальны Энтропия в системе постоянна за счет равенства продукции и потока энтропии Наличие постоянных градиентов в системе

В состоянии равновесия в системе прекращаются все процессы, кроме теплового движения молекул; соответственно, выравниваются все градиенты. В стационарном состоянии идут химические реакции, диффузия, перенос ионов и другие процессы, но они так сбалансированы, что состояние системы в целом не изменяется. В стационарном состоянии существуют градиенты между отдельными частями системы, но они сохраняют постоянные значения. Это возможно только при условии, что система из окружающей среды получает вещество и свободную энергию, а отдает продукты реакций и выделяющееся тепло. Термодинамическим критерием (условием) стационарного состояния является равенство между продукцией энтропии организмом и потоком энтропии из него в окружающую среду:

а полное изменение энтропии равно нулю:

(21)

Понятно, что термодинамическому равновесию свойственно отсутствие потока веществ между системой и средой, тогда как стационарное состояние открытой системы поддерживается благодаря обмену веществом и энергией со средой. Именно в окружающей среде открытая система черпает свободную энергию, необходимую для поддержания стационарного состояния. Для сохранения термодинамического равновесия затрачивать свободную энергию не нужно,

В биологической системе термодинамическое равновесие устанавливается только при наступлении смерти. В обычных условиях жизни организм поддерживает стационарное состояние, которое характеризуется не отсутствием процессов, а таким их течением (обычно весьма активным и напряженным), при котором они сбалансированы настолько, что основные параметры системы сохраняются неизменными, создавая внешнее впечатление «покоя».

Естествоиспытатели давно подметили стремление биологических систем, особенно высокоорганизованных организмов, поддерживать основные показатели жизнедеятельности на постоянном уровне в течение всей жизни. В середине прошлого века выдающийся физиолог К. Бернар создал представление о постоянстве «внутренней среды организма», под которой понимают кровь, лимфу и межклеточную (интерстициальную) жидкость. В нее «погружены-» клетки всех тканей и органов. Внутренняя среда высших животных характеризуется относительным постоянством физико-химических и физиологических свойств: температуры, рН, содержания кислорода, углекислого газа, воды, ионов, сахара и других веществ, относительной стабильностью кровяного давления, клеточного состава крови и других так называемых физиологических констант.

К. Бернар отводил внутренней среде значение своеобразной «оранжереи.» для клеток. Он утверждал, что «постоянство внутренней среды является необходимым условием свободной жизни высших животных». Наличие внутренней среды, свойства которой поддерживаются постоянными даже при значительных изменениях окружающих условий, позволяет человеку сохранять жизнь при значительных колебаниях физико-химических параметров внешнего мира.

С 1939 г. в науке укоренился термин «гомеостазис» (производное греческих слов: γωμωιωσ—одинаковый, στασισ—состояние). Это состояние биологической системы обеспечивается взаимодействием внутренней среды организма с внешним миром. Из внешней среды человек получает все, что ему необходимо для жизнедеятельности. Ей организм отдает свои «шлаки». Основными потребителями всего, что берет биологическая система из окружающей среды, и производителями «шлаков» являются клетки. Вместе с тем в организме высших животных преобладающая часть клеток не вступает в непосредственный контакт с внешней средой. Клетки контактируют с внутренней средой организма, а та, в свою очередь, связана с внешней, средой посредством систем кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения.

Следовательно, в обмене клеток с внешним миром существует посредник— внутренняя среда организма. Она служит своеобразным «буфером», не дающим внешней среде погубить живые клетки, когда физико-химические свойства внешнего мира резко изменяются. В неблагоприятных условиях внутренняя среда организма способна сохранить свои «оранжерейные» свойства за счет регуляции кровообращения, дыхания, выделения, пищеварения. Например, при уменьшении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе у человека усиливаются дыхание и кровообращение, что позволяет сохранить нормальное содержание кислорода во внутренней среде и обеспечить оптимальное течение окислительных процессов в клетках.

Из сказанного можно понять, что гомеостазис представляет собой именно стационарное состояние организма высших животных.

Термодинамика открытых систем позволяет вскрыть еще одну причину целесообразности стационарного состояния для биологических систем, которая отображена в теореме Пригожина.