Работоспособность биологических, систем

Биофизические процессы, происходящие в живых организмах, с точки зрения термодинамики, являются необратимыми. При совер­шении работы в организме осуществляется превращение химиче­ской энергии, заключенной в макроэргичсских связях АТФ, в дру­гие виды энергии: механическую (при мышечном сокращении), электрическую (при нервном возбуждении); часть энергии рассеи­вается в окружающей среде в виде теплоты. В одних случаях энер­гия гидролиза АТФ непосредственно используется для совершения работы (мышечное сокращение), в других - она расходуется для со­здания различных градиентов.

Градиент (Г) - это отношение разности какой-либо величины Дф (концентрации, давления, температуры) в двух точках к расстоя­нию между ними (х):

Градиент - векторная величина, имеет направления от большего значения к меньшему.

Биологические системы характеризуются наличием разнообраз­ных градиентов. Одним из них является концентрационный гради­ент: содержание ионов калия в цитоплазме выше (в 15 раз), чем в межклеточной жидкости, и концентрационный градиент калия на­правлен из клетки в окружающую среду; концентрационный гради­ент натрия имеет обратное направление. Осмотический градиент, обусловленный наличием разности осмотического давления в клет­ке и омывающей жидкости, играет особенно значительную роль в жизнедеятельности растительных клеток (тургор). С неравномер­ным распределением ионов между клеткой и средой связано воз­никновение электрического градиента.

При совершении работы происходит уменьшение градиента, за счет энергии которого осуществляется работа, при этом возникает градиент противоположного направления. При обратимых процес­сах возникающий градиент имеет такую же величину, как и вызы­вающий его; при необратимых процессах вновь появляющийся гра­диент имеет всегда меньшую величину. Поэтому биологические процессы (диффузия ионов, передача теплоты) протекают в на­правлении уменьшения градиентов.

Таким образом, работоспособность биологических систем, обус­ловленная наличием свободной энергии, определяется градиента­ми, которые являются результатом неравновесного распределения вещества в биологической системе и непрерывного переноса из од­ной части системы в другую. При отмирании клеток их градиенты уменьшаются, выравнивание градиентов означает смерть организ­ма.