3.3 Сопряженные процессы. Сопряженные процессы созидания и разрушения

Итак, уравнение Пригожина объяснило, как живой организм сохраняет определенную степень упорядоченности, избегает перехода в состояние с максимальной энтропией. Но ведь живые организмы способны не только сохранять порядок, но и создавать его, совершенствоваться, созидать, понижать энтропию.

Например, почти все белки в живом организме меньше, чем за год заменяются новыми, синтезированными в организме, а это сопровождается понижением энтропии.

Другой важный пример – активный транспорт веществ, при котором частицы вещества переносятся из мест с меньшей в места с большей их концентрацией. Так ионы натрия и калия активно переносятся через клеточную мембрану, что играет решающую роль в создании биопотенциалов, в работе нервной системы. Активный транспорт также приводит к увеличению упорядоченности системы, к уменьшению ее энтропии.

А ведь в жизненных неравновесных, необратимых процессах согласно второму началу термодинамики энтропия может только возрастать.

Каким же образом внутри системы могут идти процессы с уменьшением энтропии?

А дело в том, что в тех же макроскопических участках системы, где идут процессы упорядочения с уменьшением энтропии ∆ S_ί' < 0, идут сопряженные с ними процессы разупорядочения с увеличением энтропии ∆ S_ί'' > 0 - так, что суммарное изменение энтропии положительно:

∆ S_ί' + ∆ S_ί'' > 0 (3.10)

Для этого надо, чтобы:

∆ S_ί'' > - ∆ S_ί', ∆ S_ί'' > |∆ S_ί'|

Всякий процесс упорядочения окупается процессом еще большего разупорядочения. Энтропия, произведенная при этом, выбрасывается в окружающую среду, а в системе остаются продукты упорядочения, созидания, совершенствования. Таким образом, тенденция живого к совершенствованию никак не противоречит термодинамике!

Напишем уравнение Пригожина с использованием функции состояния – энергии Гиббса G=U-TS+pV (U – внутренняя энергия системы, Т – температура системы, S – энтропия системы, р – давление в системе, V –объем системы).

ΔG = Δ G_i + ΔG_e (3.11)

ΔG – изменение энергии Гиббса открытой системы, Δ G_i - изменение энергии Гиббса этой системы в процессах, протекающих внутри системы, ΔG_e - изменение энергии Гиббса системы, обусловленное процессами обмена системы с окружающей средой.

При постоянных температуре T = const и давлении p = const в неравновесных, необратимых процессах энергия Гиббса уменьшается:

ΔG_i < 0

И чтобы удержать систему в неравновесном, упорядоченном состоянии, надо подводить к ней энергию Гиббса из окружающей среды:

ΔG_e > 0

Энергия Гиббса вводится в организм с пищей. После ее сложных биохимических превращений в организме синтезируется универсальное горючее клетки – аденозинтрифосфорная кислота – АТФ. Процессы упорядочения в организме сопровождаются увеличеним энергии Гиббса системы ΔG'_i > 0, но в этих же макроскопических участках системы идут процессы гидролиза АТФ, превращения ее в АДФ - аденозиндифосфорную кислоту, при которых энергия Гиббса уменьшается ΔG'_i < 0.

И в сумме энергия Гиббса уменьшается.

ΔG'_i + ΔG''_i < 0, ΔG''_i < - ΔG'_i (3.12)

Так что процессы созидания, совершенствования, синтеза, упорядочения идут в организме в сопряжении с химической реакцией гидролиза АТФ и окупаются выделяющейся при этом энергией Гиббса.

Подводя итог, можно заметить: живой организм расходует энергию Гиббса окружающей среды и увеличивает ее энтропию. Поэтому перед всем живым встают две важнейшие экологические проблемы:

1. откуда брать энергию Гиббса?

2. куда девать энтропию?

Идеальный ответ на первый вопрос – от Солнца при помощи процессов фотосинтеза. На второй – в бесконечное мировое пространство в процессах теплопередачи. Несколько более подробно об этом – в следующем параграфе.