7.1.3. Энтропия открытых биологических систем

Практически все процессы, протекающие в биосистемах, необратимы и сопровождаются увеличением энтропии. Потери свободной энергии Гиббса (7.9) варьируются в широких пределах: от 70% при сокращении мышц до (1–2)% при свечении тропических насекомых и разряде электрических рыб.

Пока биосистемы функционируют (живут), они находятся в неравновесном состоянии, в котором энтропия отлична от максимального значения. Состояние термодинамического равновесия для биологических систем означает их смерть.

Следует подчеркнуть, что все биосистемы не являются изолированными, а представляют собой открытые системы, обменивающиеся энергией с окружающей средой. Поступающая энергия увеличивает неравновесность биосистем и тем самым уменьшает их энтропию. Поэтому можно считать, что живые организмы питаются отрицательной энтропией и выделяют (в виде тепла) положительную энтропию.

Таким образом, второе начало термодинамики следует применять не к изолированной биосистеме, а к биосистеме, окруженной областью среды, обеспечивающей ее нормальное функционирование. Для баланса энтропии в открытых системах Нобелевский лауреат И.  Пригожин предложил следующее уравнение:

, (7.10)

где – скорость изменения энтропии открытой системы, – скорость производства энтропии за счет необратимых внутренних процессов, – скорость, с которой биосистема обменивается энтропией с окружающей средой. Как указывалось выше, , в то время как может быть как положительной, так и отрицательной.

Характерной особенностью биосистем является то, что они находятся в стационарных состояниях, при которых общая энтропия системы не изменяется со временем: .

При этом возрастание со временем внутренней энтропии компенсируется уменьшением энтропии за счет обмена с внешней средой:

. (7.11)

Стационарное состояние характеризуется величиной разности энергии стационарного состояния и энергии состояния термодинамического равновесия. Величина этой разности формируется в процессе эволюции и обеспечивает оптимальный энергетический обмен биосистемы с конкретной окружающей средой.

Достаточное удаление биосистемы от состояния термодинамического равновесия, интенсивный обмен энтропией с внешней средой обеспечивают возможность протекания в биосистемах процессов самоорганизации.

Стационарные состояния обладают определенной устойчивостью. При отклонении системы, в определенных пределах, от стационарного состояния она возвращается в исходное состояние.

И. Пригожин показал, что, если энергия биосистемы не очень сильно отличается от энергии термодинамического равновесия, то в стационарном состоянии в уравнении (7.10) имеет минимальное значение. Таким образом, стационарное состояние характеризуется минимумом производства энтропии, то есть обладает наибольшей устойчивостью. Поскольку, в соответствие со вторым началом термодинамики, избежать возрастания энтропии принципиально нельзя, живые организмы нашли наиболее выгодную форму существования – стационарные состояния.

Можно ли для биологических систем использовать энтропию, как меру упорядоченности живых систем?

Л. А. Блюменфельд оценил, как изменяется энтропия структурных элементов (мономеров, биополимеров, клеток…) при образовании организма человека. Получилось, что упорядоченность человеческого организма составляет приблизительно 300 энтропийных единиц, то есть порядка изменения энтропии простейшей системы – стакана воды при ее испарении.

Причина этого парадокса (необычайно малого изменения энтропии при формировании организма человека) заключается в том, что энтропия характеризует только физическую, энергетическую сторону упорядоченности. Она совершенно не затрагивает уникальность структур биологических систем, их качественные особенности, позволяющие им выполнять необычайно сложные функции. Поэтому использование энтропии, как характеристики упорядоченности, применительно к биосистемам лишено смысла.