Баланс энтропии при росте и развитии организмов.
Для биологии и медицины особый интерес представляют открытые неравновесные системы, находящиеся в стационаром состоянии (взрослый организм). Для таких систем характерно постоянство энтропии ΔS = 0, хотя в системе протекают необратимые процессы (теплоотдача), которые сопровождаются увеличением энтропии. Баланс энтропии живой системы необходимо рассматривать в виде:
ΔS = ΔSi + ΔSe
где ΔSi – изменение энтропии, обусловленное необратимыми процессами в системе; ΔSе – изменение энтропии, вызванное взаимодействием системы с внешними телами. Поскольку ΔS = 0 и ΔSi > 0, то ΔSe < 0, то есть энтропия веществ поступающих в систему, меньше энтропии продуктов, выходящих из системы.
В организме постоянно разрушаются сложные молекулы, что должно приводить к уменьшению его упорядоченности, однако благодаря поступлению свободной энергии извне (химическая энергия питательных веществ) организм непрерывно восстанавливает нарушаемый порядок. Восстанавливаются не те же молекулы биополимеров, а создаются новые, идентичные разрушенным. Характерный для жизни порядок может поддерживаться только за счет непрерывной компенсации внутренней продукции энтропии внешним потоком отрицательной энтропии. Используя его, биологическая система способна обновляться и этим тормозить переход в состояние термодинамического равновесия.
Для стационарных состояний сформулирован принцип минимума производства энтропии (И. Пригожин): в стационарном состоянии системы скорость возникновения энтропии вследствие необратимых процессов имеет минимальное значение при данных внешних условиях.
Таким образом, можно утверждать, что поддержание гомеостаза требует от живых организмов минимального потребления энергии.
Согласно теореме Пригожина система за счет внутренних необратимых процессов не способна выйти из стационарного состояния. Если за счет небольших флуктуаций система отклоняется от стационарного состояния, то стремление внутренних процессов уменьшить dSi/dt вернет систему к исходному уровню (изменение, в определенном диапазоне, уровня глюкозы в крови, температуры и других параметров не приводят к необратимым процессам). В общем виде это положение сформулировано в принципе Л. Ле-Шателье–если на систему, находящуюся в состоянии равновесия оказывается внешнее воздействие, она стремится самопроизвольно вернуться в исходное состояние за счет изменения параметров в направлении противоположном внешнему возмущению.
О скорости продуцирования энтропии можно судить по выделению потока тепла, который сопровождает необратимые процессы в системе. Изменение скорости теплопродукции dSi/dt, отнесенная к единице массы на разных объектах показали, что этот параметр уменьшается, начиная с первых стадий развития организма (рис. 2). То есть в процессе роста и развития организма скорость продуцирования энтропии непрерывно снижается и достигает минимальных значений в конечном стационарном состоянии. Старение сопровождается повышением энтропии, которая уже не компенсируется ее оттоком в окружающую среду.
dS = dSi + dSe> 0;
Жизнь – это постоянная борьба биосистемы против тенденции к возрастанию энтропии.