3.4 Стационарное состояние. Теорема пригожина. Аутостабилизация. Адаптация.

Взрослый здоровый организм в среднем находится в стационарном состоянии, когда все параметры системы не изменяются во времени, но в системе протекают стационарные макропроцессы.

В отличие от равновесного состояния, когда все параметры также неизменны во времени, но макроскропроцессы не протекают, и энтропия системы максимальна S=S_max, стационарное состояние неравновесное с энтропией, меньшей максимальной. Поэтому в стационарном состоянии система удерживается за счет того, что всю произведенную за единицу времени энтропию

она выбрасывает в окружающую среду, и изменение энтропии

в единицу времени за счет процессов обмена с окружающей средой

в процессах внутри системы

| | = || (3.13)

А так как < 0, а > 0; -=

Таким образом, скорость изменения энтропии открытой системы равна нулю

=+= 0 (3.14)

Энтропия удерживается на постоянном уровне, меньше максимальной.

S=const,S<S_max

Наша Земля тоже находится в состоянии, близком к стационарному за счет того, что она получает энергию Гиббса от Солнца и выбрасывает энтропию в мировое пространство.

Земля получает от Солнца электромагнитное излучение в основном в световом диапазоне на длинах волн вблизи 500 нанометров, а затем практически всю полученную энергию излучает в бесконечную Вселенную, но уже на длинах волн примерно в двадцать раз больших на 10 микрометрах, в инфракрасном диапазоне.

Поскольку энергия фотона:

ε=

где h= 6,62 ∙- постоянная Планка, с = 3∙- скорость электромагнитной волны в вакууме, λ - длина волны.

Поэтому энергия фотона, излучаемого Землей в двадцать раз меньше энергии фотона, получаемого Землёй от Солнца. Таким образом, каждый энергичный световой фотон, полученный от Солнца, Земля разменивает на двадцать инфракрасных энергетически менее ценных фотонов. Энергия не исчезает количественно, но качественно обесценивается, рассеивается. Так Земля выбрасывает энтропию в окружающее пространство.

Задача человека не выводить Землю из стационарного состояния. А такая опасность, как результат неразумной человеческой деятельности, в настоящее время нарастает.

Согласно теореме Пригожина, в устойчивом стационарном состоянии производство системой энтропии в единицу времени минимально

= - ()_min(3.15)

При малых отклонениях от стационарного состояния в системе стимулируются процессы, стремящиеся вернуть её в стационарное состояние (рис.3.3)

Рис.3.3. Аутостабилизация стационарной системы. (Объяснения в тексте).

Tак и биологические системы при небольших отклонениях от стационарного состояния способны самостоятельно в него возвращаться – обладают свойством аутостабилизации. Живой организм при лёгких недомоганиях способен к самовыздоровлению. Однако при больших отклонениях от стационарного состояния уже требуется лечебное воздействие, в том числе, с применением эффективных фармацевтических препаратов.

Стационарное состояние поддерживается в открытой системе при неизменных условиях окружающей среды. Если условия окружающей среды незначительно меняются, система способна приспособиться, адаптироваться к новым условиям, перейти в новое стационарное состояние, соответствующее этим новым условиям (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Адаптация стационарной системы к новым условиям окружающей среды (объяснения в тексте).

На рис. 3.4

J – некоторый параметр процесса в системе.

Х – параметр окружающей среды, определяющий параметр процесса.

J₁- значение параметра процесса при заданном параметре окружающей средыX₁.

J₂ - значение параметра процесса при заданном параметре окружающей средыX₂.

Если параметр Х изменится: X₁ →X ₂, система выйдет из стационарного состояния. Но если изменения в окружающей среде незначительны, через некоторое время система перейдет в новое стационарное состояние с новым параметром процессаJ₂, который соответствует новому значению параметра окружающей средыX₂.

Причем переход из одного стационарного состояния в другое в разных случаях может проходить по-разному: постепенно – 1 – «экспоненциальный переход», с превышением – 2 – «овершут» или по типу 3 – «ложный старт».

Переход 1 наблюдается при постепенном изменении условий окружающей среды, например постепенное изменение частоты дыхания и сердцебиения при постепенном нарастании физических нагрузок. Переходы 2 и 3 могут наблюдаться при более резких изменениях условий окружающей среды.

Следует отметить, что в реальных случаях переходы из одного стационарного состояния в другое описываются более сложными кривыми, имеют колебательный характер. Да и строго говоря, биологические системы не находятся в стационарных состояниях, а совершают малые колебания около них.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 3

1. Подчиняются ли живые организмы закону сохранения энергии? Ответ обоснуйте.

2. Подчиняются ли живые организмы второму закону термодинамики? Почему?

3. Не противоречит ли закону возрастания энтропии при внутренних неравновесных процессах существование в живых системах процессов упорядочения, созидания, совершенствования, сопровождающихся уменьшением энтропии? Почему?

4. Есть ли различия между живыми и неживыми объектами с точки зрения законов термодинамики?

5. Каким образом живому организму удаётся удерживать себя в неравновесном, относительно упорядоченном состоянии?

6. Какие процессы удерживают взрослый здоровый организм в стационарном состоянии?

7. В чём отличия стационарного от равновесного состояния?

8. Правильно ли с точки зрения термодинамики выражение : «вывести человека из состояния равновесия»? Как правильно?

9. Как с точки зрения термодинамики объясняются процессы «самовыздоровления», адаптации к изменившимся условиям окружающей среды?

10. Калорийность пищи суточного рациона лежачего больного 2500 ккал. Сколько энтропии выделяет он в окружающую среду за сутки? (Одна килокалория(1 ккал) = 4200 Дж, температуру больного принять за 37⁰С).