Shporgalki_dodelannye / Биология / Законы термодинамики. Энтропия

Мы знаем, что энергия может переходить из одной формы в другую. Различные формы энергии связаны друг с другом определенными количественными соотношениями. Известно, однако, что любой переход энергии из одной формы в другую сопровождается некоторыми потерями. Многочисленные количественные исследования по взаимопревращению различных форм энергии, выполненные физиками и химиками, позволили сформулировать два фундаментальных закона термодинамики. Мы попытаемся изложить здесь их суть в наиболее простой и доступной форме.
I. Первый закон.
При любом физическом или химическом изменении общее количество энергии во Вселенной остается постоянным. Первый закон - это закон сохранения энергии; его можно сформулировать и так: энергия не появляется и не исчезает. Всякий раз, когда энергия используется для выполнения работы или же переходит из одной формы в другую, общее количество энергии остается неизменным.
II. Второй закон.
Все физические или химические процессы стремятся идти в направлении, соответствующем необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неупорядоченную форму. Мерой такого перехода служит величина, которая носит название энтропии. Энтропия является количественной характеристикой или мерой неупорядоченной (в известном смысле бесполезной) энергией в данной системе.
Энтропия.
Термин “энтропия”, буквально означающий “внутреннее изменение” или “внутреннее превращение, впервые был введен в 1851 г. немецким физиком Рудольфом Клаузиусом, которому принадлежит одна из первых формулировок второго закона термодинамики. Строгая количественная интерпретация энтропии может быть дана на основе статистических и вероятностных представлений. Качественный смысл этого понятия можно проиллюстрировать на примерах, каждый из которых характеризует определенный аспект энтропии. Главное, что всегда связывают с энтропией, - это неупорядоченность системы, которая в разных случаях может проявиться по-разному. Сложные пищевые молекулы, например глюкозы, обладают значительным запасом потенциальной энергии именно в силу сложности своей структуры. Энтропия характеризует состояние не только энергии, но и вещества. Аэробные организмы извлекают свободную энергию из глюкозы, которую они получают из окружающей среды. Для того чтобы добыть эту энергию, они окисляют глюкозу молекулярным кислородом, также поступающим из среды. Конечные продукты окислительного метаболизма глюкозы, СО2 и Н2О, возвращаются в окружающую среду. При этом процессе энтропия окружающей среды возрастает, а сам организм остается в стационарном состоянии и степень его внутренней упорядоченности не изменяется.
Всякий раз, когда в результате химической реакции увеличивается число молекул или когда какое–нибудь твердое вещество, например глюкоза, превращается в жидкие или газообразные продукты, молекулы которых обладают большим числом степеней свободы и легче могут перемещаться в пространстве по сравнению с твердым веществом, степень молекулярной неупорядоченности возрастает и энтропия, следовательно, увеличивается.
Свободная энергия – это та форма энергии, которая может использоваться для выполнения работы при постоянной температуре и постоянном давлении. Однако если свободная энергия, выделяющаяся при окислении глюкозы, не будет каким-либо способом улавливаться и сохраняться, то она попросту перейдет в тепло. Тепловая же энергия, хотя она и необходимо для поддержания температуры тела у высших животных, не может использоваться ни для механической работы мышечного сокращения, ни для химической работы биосинтеза. В клетках значительная часть свободной энергии, выделяющейся при катаболизме глюкозы и другого клеточного топлива, сохраняется благодаря сопряженному синтезу аденозинтрифосфата (АТР) из аденозиндифосфата (ADP) и неорганического фосфата. АТР, ADP и фосфат присутствуют во всех живых клетках и составляют универсальную систему, служащую для переноса энергии. Химическая энергия, запасенная в форме АТР, способна производить работу четырех разных видов. 1. АТР поставляет энергию для химической работы биосинтеза. В этом процессе на молекулы-предшественники, или строительные блоки, переносится – под действием соответствующего фермента – концевая фосфатная группа АТР. В результате строительные блоки «активируются» и в таком активированном виде используются для сборки макромолекул. 2. АТР служит источником энергии для процессов движения и сокращения. 3. За счет энергии АТР происходит перенос питательных веществ через мембраны против градиента концентрации. 4. Энергия АТР используется в очень тонких механизмах, обеспечивающих передачу генетической информации при биосинтезе ДНК, РНК и белков; сама информация и есть, в сущности, одна из форм энергии. Во всех тех случаях, когда энергия АТР используется для производства работы, концевая фосфатная группа АТР отщепляется в виде неорганического фосфата и остается ADP – «разряженная форма» этой системы переноса энергии. ADP может быть затем вновь «заряжен» путем присоединения фосфатной группы (что приводит к регенерации АТР) в реакциях, сопряженных с расщеплением клеточного топлива, т.е. с процессом, поставляющим энергию. В клетках, следовательно, совершается круговорот энергии. АТР в этом круговороте играет роль переносчика энергии и служит звеном, связывающим между собой процессы, идущие с выделением и с потреблением энергии. Информация представляет собой одну из форм энергии; ее иногда называют “отрицательной энтропией”. Живые организмы - это высокоупорядоченные структуры, содержащие колоссальное количество информации и соответственно бедные энтропией.
Есть и другой аспект второго закона, который следует учитывать для понимания того, как действует этот закон, особенно в биологических системах. Введем прежде всего понятие реакционной системы, под которой подразумевается совокупность веществ, обеспечивающих протекание данного химического или физического процесса. Такой системой может быть, на пример, организм животного, отдельная клетка. Далее мы должны ввести понятие окружающей среды, с которой реакционная система может обмениваться энергией. Совокупность реакционной системы и окружающей среды составляет то, что мы называем “Вселенной”.
Первый из них гласит, что общее количество энергии во “Вселенной” (система + окружающая среда) остается постоянным. Согласно второму закону, при физическом или химическом изменении в системе энтропия Вселенной увеличивается; одновременно уменьшается свободная энергия реакционной системы. Наряду с этими изменениями от системы к окружающей среде или от окружающей среды к системе может передаваться тепло, как это следует из отношения.
?G=?H - T?S
Изменения свободной энергии, теплоты и энтропии в химических реакциях, протекающих при постоянной температуре и постоянном давлении, т.е в условиях, характерных именно для биологических систем, связаны друг с другом количественно следующим уравнением:
?G= ?H - T?S
?S-изменение энтропии “Вселенной”, которая включает в себя и данную реакционную систему. По мере того как химическая реакция стремится к состоянию равновесия, энтропия Вселенной (система + окружающая среда) возрастает. Поэтому величина ?S в реальном мире всегда имеет положительно значение.
Изменение энтальпии ?H определяется как количество тепла, которое данная реакционная система отдает окружающей среде или получает от нее при постоянной температуре и постоянном давлении.
Для биологических систем существенная еще одна важная особенность изменений энтропии. Согласно второму закону термодинамики, при химических реакциях или физических процессах энтропия Вселенной увеличивается. Из этого закона, однако, не следует, что возрастание энтропии должно происходить обязательно в самой реакционной системе; оно может произойти в любом другом участке Вселенной. В живых организмах метаболические процессы, т.е. те превращения, которым подвергаются в них пищевые вещества, не ведут к возрастанию внутренней неупорядоченности, или энтропии самих организмов.
Живые клетки можно разделить на два больших класса в зависимости от вида энергии, которую они получают из внешней среды. Фотосинтезирующие клетки используют в качестве главного источника энергии солнечный свет. Гетеротрофные клетки, к которым относится большинство животных клеток, утилизируют энергию сильно восстановленных богатых энергией органических молекул (например, глюкоза), получаемых из внешней среды.
Хемоорганотрофы, чаще называемые гетеротрофами, в свою очередь можно разделить на два больших класса. Аэробы используют в качестве конечного акцептора электронов молекулярный кислород, а анаэробы – какие-нибудь другие вещества. Многие клетки могут существовать как в аэробных так и в анаэробных условиях. Такие клетки называются факультативными анаэробами. Анаэробы, не способные использовать кислород, называются облигатными анаэробами; кислород для них даже ядовит. Большинство гетеротрофных клеток, в особенности клетки высших организмов – факультативные анаэробы; при наличии кислорода они используют именно его.