Биологический энциклопедический словарь - термодинамика биологических систем

раздел биофизики, рассматривающий общие закономерности превращений энергии, их связь с обменом и транспортом веществ, а также проблемы устойчивости и эволюции биол. систем. Положение о том, что биол. системы (БС) должны подчиняться законам термодинамики, было выдвинуто основателями классич. термодинамики в сер. 19 в. Позднее экспериментальное подтверждение применимости 1-го закона термодинамики (закона сохранения энергии) к живым организмам послужило основой для разработки представлений об источниках энергии процессов жизнедеятельности (см.

Окисление Биологическое, Фотосинтез), о взаимосвязи теплообмена с обменом веществ (осн. обмен, расчёты калорийности пищи, энергетич. потребностей организма и т. п.). Использование 2-го закона термодинамики и вытекающих из него следствий, к-рые определяют возможность протекания и направление процессов (в сторону уменьшения свободной энергии и возрастания энтропии системы), оказались весьма плодотворными для понимания и количеств, анализа мн.

физико-химич. и биохимич. сторон жизнедеятельности: осмотич. явлений, генерации биопотенциалов и их связи с ионными градиентами, механо-химич. процесса (мышечное сокращение), конформационных изменений биополимеров (в т. ч. термодинамика переходов спираль клубок), биоэнергетич. процессов и т. д. Термодинамич. подход лежал и в основе хемиосмотической теории.

Уже в рамках классич. термодинамики стало ясно, что фундаментальным свойством БС следует считать сопряжение эндергонических (потребляющих свободную энергию) процессов, к-рые обеспечивают выполнение внеш. и внутр. работы и биосинтез веществ, с экзерго-ническими, ведущими к освоболсдению свободной энергии (напр.

, биол. окисление). Использованное Э. Шрёдингером статистич. истолкование понятия энтропии как меры упорядоченности системы показало, что существование неравновесных БС, поддержание высокого уровня их упорядоченности (низкого уровня энтропии) обеспечивается обменом с внеш. средой, при к-ром происходит понижение энтропии системы за счёт повышения энтропии среды (потребление отрицат.

энтропии-«негэнтропии»). Углубление этих представлений обусловлено развитием термодинамики необратимых процессов, идущих в открытых системах, обменивающихся со средой не только энергией, но и веществом. Именно к таким системам принадлежат БС с протекающими в них быстрыми, необратимыми процессами. Доказано существование определённых соотношений между разл.

потоками вещества, зарядов, тепла, энтропии и т. п. и движущими их «силами» (такие «обобщённые силы», как химич. и электрохимич. потенциалы, электрич. потенциал, разность осмотич. и гидроста-тич. давлений). При этом скорость продукции энтропии в открытой системе (вблизи равновесия) минимальна, когда устанавливается стационарное состояние, характеризующееся постоянством скоростей реакций, переноса веществ и энергии.

Такие состояния можно рассматривать как первое приближение к описанию гомеостаза БС, хотя оно поддерживается сложной биол. регуляцией. Ещё больший интерес представляет распространение термодинамич. анализа открытых систем на мн. биол. процессы, далёкие от равновесия (нелинейная термодинамика). В модельных физико-химич. системах вдали от равновесия в результате случайных отклонений могут осуществляться переходы системы на новый стационарный уровень с появлением упорядоченных неравновесных динамич.

структур, наз. диссипативными (в к-рых происходит рассеивание энергии), в отличие от неравновесных упорядоченных структур типа кристаллов. Анализ таких систем важен для понимания возможных путей возникновения живого из неживого и усложнения биол. организации на первых стадиях биохимич. эволюции. Несмотря на прогресс Т.

б. с. в этой области, проблема специфики термодинамич. свойств БС и проблема их эволюции выходят за рамки чистой термодинамики и должны решаться с использованием др. подходов (теория информации и информац. ценности, заключённой в БС, теория автоматов, кинетич. анализ) и опираться на совр. достижения эволюц. теории и физико-химич.

биологии. .