Conform formulei Boltzmann, entropia este definită ca logaritmul numărului de microstate posibil într-un sistem macroscopic dat

unde A în = 1,38-10 16 erg-deg sau 3,31? 10 24 unități de entropie (1 e.u. = 1 cal deg 1 = 4,1 J / K), sau 1,38 10 "23 J / K. - Constanta lui Boltzmann; W- numărul de microstate (de exemplu, numărul de moduri în care moleculele de gaz pot fi plasate într-un vas).

În acest sens, entropia este o măsură a tulburării și haotizării sistemului. În sistemele reale, există grade de libertate stabile și instabile (de exemplu, pereții solizi ai unui vas și moleculele de gaz conținute în el).

Conceptul de entropie este asociat tocmai cu gradele instabile, conform cărora este posibilă haotizarea sistemului, iar numărul de microstate posibile este mult mai mare decât unul. În sistemele complet stabile, se realizează o singură soluție, adică numărul de moduri în care se realizează acest singur macrostat al sistemului este egal cu unul (IV = 1), iar entropia este zero. În biologie, conceptul de entropie, precum și conceptele termodinamice, pot fi utilizate numai în raport cu procesele metabolice specifice și nu pentru a descrie comportamentul și proprietățile biologice generale ale organismelor în general. Relația dintre entropie și informație în teoria informației a fost stabilită pentru gradele statistice de libertate.

Să presupunem că am primit informații despre modul în care a fost implementată această stare macro a sistemului. Evident, cantitatea de informații obținute în acest caz va fi mai mare, cu atât mai mare este incertitudinea inițială sau entropia

Conform teoriei informației, în acest caz simplu, cantitatea de informații despre singura stare reală a sistemului va fi egală cu

Unitatea de cantitate de informație (bit) este informația conținută într-un mesaj valid atunci când numărul de stări inițiale posibile era egal cu W = 2:

De exemplu, mesajul pe care parte a căzut moneda când a fost aruncat în aer conține o cantitate de informații de 1 bit. Comparând formulele (7.1) și (7.2), se poate găsi relația dintre entropie (în unități de entropie) și informație (în biți)

Acum să încercăm să estimăm formal cantitatea de informații conținută în corpul uman, unde există 10 13 celule. Folosind formula (7.2), obținem valoarea

Această cantitate de informații ar trebui obținută inițial pentru a implementa singurul aranjament corect al celulelor din corp. Acest lucru este echivalent cu o scădere foarte nesemnificativă a entropiei sistemului de către

Dacă presupunem că organismul realizează și natura unică a aranjamentului reziduurilor de aminoacizi în proteine ​​și a reziduurilor de nucleotide din ADN, atunci cantitatea totală de informații conținută într-un gel uman va fi

ceea ce echivalează cu o mică scădere a entropiei cu AS ~~ 300 e.s. = 1200 J / K.

În GS în procesele metabolice, această scădere a entropiei este ușor compensată de o creștere a entropiei în timpul oxidării a 900 g de glucoză. Astfel, o comparație a formulelor (7.1) și (7.2) arată că sistemele biologice nu au o capacitate de informare crescută în comparație cu alte sisteme neînsuflețite constând din același număr de elemente structurale. La prima vedere, această concluzie contrazice rolul și semnificația proceselor informaționale în biologie.

Cu toate acestea, relația dintre / și Sîn (7.4) este valabil numai în ceea ce privește informațiile despre care dintre toate W microstatele sunt implementate în acest moment. Aceste microinformații asociate cu localizarea tuturor atomilor din sistem, de fapt, nu pot fi amintite și stocate, deoarece oricare dintre astfel de micro-stări va trece rapid în alta din cauza fluctuațiilor termice. Și valoarea informațiilor biologice este determinată nu de cantitate, ci în primul rând de posibilitatea memorării, stocării, procesării și transmiterii acestora pentru a fi utilizate în viața organismului.

Principala condiție pentru percepția și memorarea informațiilor este capacitatea sistemului receptor, ca urmare a informațiilor primite, de a trece într-una dintre stările stabile predeterminate în virtutea organizării sale. Prin urmare, procesele informaționale din sistemele organizate sunt asociate doar cu anumite grade de libertate. Procesul de memorare a informațiilor în sine trebuie să fie însoțit de o oarecare pierdere de energie în sistemul receptor, astfel încât să poată rămâne în el un timp suficient și să nu se piardă din cauza fluctuațiilor termice. Aici transformarea microinformațiilor, pe care sistemul nu le-a putut aminti, se realizează în macroinformații, pe care sistemul le amintește, le stochează și apoi le pot transfera către alte sisteme acceptoare. După cum se spune, entropia este o măsură a multitudinii de microstate care nu sunt amintite de sistem, iar macroinformația este o măsură a multitudinii stărilor lor, în care sistemul trebuie să-și amintească.

De exemplu, capacitatea de informare în ADN este determinată numai de numărul anumitor nucleotide și nu de numărul total de microstate, inclusiv de vibrațiile tuturor atomilor din lanțul ADN. Procesul de memorare a informațiilor în ADN este fixarea unui aranjament specific de nucleotide, care este stabil datorită formării de legături chimice în lanț. Transmiterea ulterioară a informațiilor genetice este efectuată ca urmare a proceselor biochimice, în care disiparea energiei și formarea unor structuri chimice stabile adecvate asigură eficiența procesării biologice a informațiilor.

În general, procesele informaționale sunt răspândite în biologie. La nivel molecular, ele apar nu numai în timpul memorării și prelucrării informațiilor genetice, ci și în timpul recunoașterii reciproce a macromoleculelor, oferă specificitatea și natura direcțională a reacțiilor enzimatice și sunt importante în interacțiunea membranelor celulare și a suprafețelor.

Procesele receptorilor fiziologici care joacă un rol informațional independent în viața organismului se bazează, de asemenea, pe interacțiunile macromoleculelor. În toate cazurile, macroinformația apare inițial sub forma unor schimbări conformaționale în timpul disipării unei părți a energiei de-a lungul anumitor grade de libertate în macromoleculele care interacționează. Ca rezultat, macroinformația se dovedește a fi scrisă sub forma unui set de substații conformaționali destul de energici, care permit stocarea acestor informații pentru timpul necesar procesării lor ulterioare. Semnificația biologică a acestei macroinformații este realizată deja în conformitate cu particularitățile organizării sistemului biologic și a structurilor celulare specifice, pe care se desfășoară procese suplimentare, ducând în cele din urmă la efectele fiziologice și biochimice corespunzătoare.

Se poate argumenta că sistemele vii controlează în mod direcțional reacțiile biochimice la nivelul macromoleculelor unice.

al cărui agregat determină în cele din urmă proprietățile macroscopice ale sistemelor biologice.

Chiar și cele mai moderne dispozitive tehnologice, cum ar fi, de exemplu, procesoarele de computer submicron, unde controlul fluxurilor de electroni are loc cu pierderi inevitabile de energie, nu posedă astfel de proprietăți. Mai mult, se va arăta că în biomembranele, reglarea fluxurilor de electroni se realizează în raport cu transferul fiecărui electron individual de-a lungul lanțului de purtători macromoleculari.

În plus, se va arăta că transformarea energiei în procesele biologice are loc în „mașinile” de conversie a energiei macromoleculare la scară nanomatică.

Mărimile mici determină, de asemenea, valori mici ale gradienților de energie. și, în consecință, ele aduc funcționarea unor astfel de mașini mai aproape de condițiile de reversibilitate termodinamică. Se știe că acest lucru crește eficiența energetică (eficiența) conversiei energiei. În astfel de mașini moleculare la scară nanomurală, randamentul maxim de energie și un nivel scăzut de disipare a energiei sunt combinate în mod optim, ceea ce corespunde unei rate scăzute de producție de entropie în sistem.

Diferențele scăzute în valorile potențialelor redox între purtătorii individuali din lanțul de fotosinteză și respirație ilustrează această poziție, oferind condiții apropiate de reversibilitatea proceselor individuale de transport de electroni.

Studiul funcționării motoarelor moleculare individuale, împreună cu transformarea energiei, ridică necesitatea dezvoltării termodinamicii sistemelor mici, unde energia scade în etapele elementare ale ciclurilor de lucru sunt comparabile ca mărime cu fluctuațiile termice. Într-adevăr, valoarea medie a energiei totale a unui macrosistem (gaz ideal) constând din N particule și distribuite peste ele conform legii Gauss, este 2> / 2Nk b T. Mărimea fluctuațiilor aleatorii ale acestei cantități este de ordinul l / V) V este neglijabilă în raport cu valoarea medie pentru un sistem format dintr-un număr mare de particule. Cu toate acestea, pentru mici N mărimea fluctuațiilor se apropie de energia medie a unui sistem atât de mic, care în sine poate fi doar câteva unități k h T.

De exemplu, o moleculă de kinesină cu dimensiuni mai mici de 100 nm se mișcă de-a lungul microtubulilor, transferând organite celulare și făcând „pași” de 8 nm la fiecare 10-15 ms datorită energiei hidrolizei ATP (20 k și T).„Motorul kinesin” funcționează la fiecare pas 2k g, T cu eficiență = 60%. În acest sens, kinesina este una dintre numeroasele mașini moleculare care utilizează energia hidrolizei legăturilor fosfat în diverse procese, inclusiv replicare, transcriere, translație, reparare etc. Dimensiunea redusă a acestor mașini le poate ajuta să absoarbă energia fluctuațiilor termice mari. din spațiul înconjurător. În medie, desigur, atunci când un motor molecular se mișcă de-a lungul traiectoriei sale dinamice, performanța muncii este însoțită de eliberarea de energie termică; totuși, este posibil ca energia absorbită aleatoriu a fluctuațiilor termice în anumite etape ale ciclului de lucru, în combinație cu energia „dirijată” de hidroliză a legăturilor fosfat, contribuie la raportul dintre schimbarea energiei libere și munca depusă. În acest caz, fluctuațiile termice pot duce deja la abateri vizibile de la traiectoriile dinamice medii. În consecință, astfel de sisteme mici nu pot fi descrise în mod adecvat pe baza termodinamicii clasice. În prezent, aceste probleme sunt dezvoltate intens, inclusiv prin dezvoltarea de nanotehnologii asociate cu crearea de mașini moleculare la scară nano.

Să remarcăm încă o dată că procesele biochimice de transformare a energiei, în care se efectuează lucrări chimice utile, sunt ele însele doar un furnizor de elemente inițiale pentru autoorganizarea structurilor biologice și astfel crearea de informații în sistemele biologice.

Principiile de bază ale termodinamicii chimice și, în special, conceptul fundamental al potențialului chimic ca măsură a dependenței numărului de microstate admise de numărul de particule din sistem sunt aplicabile reacțiilor biochimice.

O reacție chimică este considerată ca urmare a redistribuirii numărului de moli sau a numărului relativ de particule (molecule) de reactivi și produse în timpul reacției, cu numărul total al atomilor lor neschimbat. Aceste redistribuții sunt asociate cu ruperea și formarea legăturilor chimice și sunt astfel însoțite de efecte termice. Orientarea lor generală se supune teoremei lui Prigogine în domeniul termodinamicii liniare. Figurativ vorbind, o reacție biochimică creează elemente inițiale și le livrează la locul auto-asamblării complexelor macro-moleculare stabile de „informații”, purtători de informații. Auto-asamblarea în sine are loc în mod spontan și, în mod natural, are loc cu o scădere generală a energiei libere: A F = D U - TAS

Într-adevăr, atunci când apare o structură ordonată stabilă, energia legăturilor structurale formate este (-AU)în valoare absolută ar trebui să fie mai mare decât scăderea termenului de entropie ( -TAS)în expresia pentru energia liberă | DS / | > | 7A, S |, astfel încât D F

Amintiți-vă că, în perioada de evoluție prebiologică, „blocurile structurale” stabile ale ființelor vii (aminoacizi, nucleotide, zaharuri) s-au format astfel spontan, într-un mod abiogen, din compuși anorganici simpli, fără nici o participare a sistemelor vii, datorită surse externe de energie (lumină, descărcări electrice) necesare depășirii barierelor de activare ale reacțiilor de sinteză.

În general, apariția directă a informațiilor biologice la nivel macromolecular duce de fapt la o scădere corespunzătoare a entropiei structurale (apariția entropiei negative). Această scădere a entropiei este compensată de formarea de legături stabile în structura informațională. În același timp, echilibrul entropiei „termodinamice” într-un sistem deschis este determinat de raportul forțelor motrice și al vitezei într-un grup de procese chimice care creează condiții pentru sinteza structurilor informaționale.

Evident, calculul echilibrului total al entropiei structurale și termodinamice modificate într-un sistem viu este pur aritmetic. Este determinată de două grupuri de procese interconectate, dar de natură diferită, compensarea directă a schimbării entropiei între care nu are loc.

Trimite-ți munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Folosiți formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://allbest.ru

MINISTERUL EDUCAȚIEI ȘI ȘTIINȚE AL FEDERAȚIEI RUSII

Instituția de învățământ autonomă a statului federal studii superioare profesionale

"UNIVERSITATEA DE STAT ST PETERSBURG DE INSTRUMENTARE AEROSPAȚIALĂ"

DEPARTAMENTUL DE SECURITATE ECONOMICĂ

Entropia în sistemele vii

pe discipline: Concepte de știință naturală modernă

Completat de: student

Lider:

Dr. econ. stiinte,

Profesorul A. V. Samoilov

Sankt Petersburg 2014

Circuitul electronic al vieții

Entropia vieții

Tehnologii de diagnostic bazate pe realizările biofizicii cuantice

Concluzie

Bibliografie

Mentine

Metodele pentru studierea stării funcționale a unei persoane prin înregistrarea parametrilor electro-optici ai pielii pot fi împărțite în două grupe condiționate în funcție de natura proceselor biofizice implicate. Primul grup include metode „lente”, timpul de măsurare în care este mai mare de 1 s.

În acest caz, sub influența potențialelor aplicate în țesuturi, curenții de depolarizare ionică sunt stimulați, iar contribuția principală la semnalul măsurat este adusă de componenta ionică. Metodele „rapide”, în care timpul de măsurare este mai mic de 100 ms, se bazează pe înregistrarea proceselor fizice stimulate de componenta electronică a conducerii țesuturilor.

Astfel de procese sunt descrise în principal prin modele mecanice cuantice, prin urmare pot fi desemnate ca metode de biofizică cuantică.

Acestea din urmă includ metode de înregistrare a luminiscenței stimulate și intrinseci, precum și metoda de emisie de electroni stimulată cu amplificare într-o descărcare de gaz (metoda de vizualizare a descărcării de gaz). Să luăm în considerare mai detaliat mecanismele biofizice și entropice ale implementării metodelor de biofizică cuantică.

Circuitul electronic al vieții

„Sunt profund convins că nu vom putea niciodată să înțelegem esența vieții, dacă ne restrângem la nivelul molecular ... Subtilitatea uimitoare a reacțiilor biologice se datorează mobilității electronilor și poate fi explicată doar din punct de vedere a mecanicii cuantice. " A. Szent-Gyorgyi, 1971

Circuitul electronic al vieții este circulația și transformarea energiei în sistemele biologice. Fotonii luminii solare sunt absorbiți de moleculele de clorofilă concentrate în membranele cloroplastice ale organelor din plantele verzi.

Prin absorbția luminii, electronii clorofilici capătă energie suplimentară și trec de la starea de bază la o stare excitată. Datorită organizării ordonate a complexului proteină-clorofilă, care se numește fotosistem (PS), electronul excitat nu cheltuiește energie pe transformările termice ale moleculelor, ci capătă capacitatea de a depăși repulsia electrostatică, deși substanța situată lângă acesta are un potențial electronic mai mare decât clorofila. Ca urmare, electronul excitat este transferat către această substanță.

După ce și-a pierdut electronul, clorofila are un post electronic gratuit. Și ia un electron din moleculele din jur, iar substanțele ale căror electroni au mai puțină energie decât electronii clorofilei pot servi ca donator. Această substanță este apă.

Prin preluarea electronilor din apă, fotosistemul îl oxidează în oxigen molecular. Deci atmosfera Pământului este îmbogățită continuu cu oxigen.

Când un electron mobil este transferat de-a lungul unui lanț de macromolecule legate structural, își consumă energia pe procesele anabolice și catabolice din plante și în condiții adecvate, la animale. Conform conceptelor moderne, transferul intermolecular al unui electron excitat are loc prin mecanismul efectului de tunelare într-un câmp electric puternic.

Clorofilele servesc ca o etapă intermediară în fântâna potențială dintre donatorul de electroni și acceptor. Aceștia primesc electroni de la un donator cu un nivel de energie scăzut și, datorită energiei soarelui, îi excită atât de mult încât pot fi transferați către o substanță cu un potențial electronic mai mare decât donatorul.

Aceasta este singura reacție ușoară, deși în mai multe etape, în procesul de fotosinteză. Reacțiile biosintetice autotrofe suplimentare nu au nevoie de lumină. Acestea apar în plantele verzi datorită energiei conținute în electronii aparținând NADPH și ATP. Datorită afluxului colosal de electroni din dioxid de carbon, apă, nitrați, sulfați și alte substanțe relativ simple, se creează compuși cu greutate moleculară mare: carbohidrați, proteine, grăsimi, acizi nucleici.

Aceste substanțe servesc drept nutrienți principali pentru heterotrofi. În cursul proceselor catabolice, furnizate și de sistemele de transport de electroni, electronii sunt eliberați în aproximativ aceeași cantitate în care au fost capturați de substanțe organice în timpul fotosintezei.

Electronii eliberați în timpul catabolismului sunt transferați în oxigenul molecular de către lanțul respirator al mitocondriilor. Aici oxidarea este asociată cu fosforilarea - sinteza ATP prin adăugarea de reziduuri de acid fosforic la ADP (adică fosforilarea ADP). Acest lucru asigură furnizarea de energie tuturor proceselor vitale ale animalelor și oamenilor.

Fiind într-o celulă, biomoleculele „trăiesc”, schimbând energie și sarcini și, prin urmare, informații, datorită unui sistem dezvoltat de electroni p delocalizați. Delocalizarea înseamnă că un singur nor de p-electroni este distribuit într-un anumit mod de-a lungul structurii complexului molecular. Acest lucru le permite să migreze nu numai în molecula lor, ci și să se deplaseze de la moleculă la moleculă dacă sunt combinate structural în ansambluri. Fenomenul transferului intermolecular a fost descoperit de J. Weiss în 1942, iar un model cuantico-mecanic al acestui proces a fost dezvoltat în 1952-1964 de R.S. Mulliken.

În același timp, cea mai importantă misiune a electronilor p în procesele biologice este asociată nu numai cu delocalizarea lor, ci și cu particularitățile stării energetice: diferența dintre energiile solului și stările excitate pentru ele este mult mai mică decât cea a electronilor p și este aproximativ egală cu energia fotonică hn.

Datorită acestui fapt, electronii p sunt capabili să acumuleze și să transforme energia solară, datorită căreia este conectată cu acestea toate sursele de energie ale sistemelor biologice. Prin urmare, electronii p sunt de obicei numiți „electroni ai vieții”.

Comparând scalele potențialelor de reducere ale componentelor sistemelor fotosintetice și ale lanțului respirator, este ușor să vă asigurați că energia solară convertită de electronii p în timpul fotosintezei este cheltuită în principal pentru respirația celulară (sinteza ATP). Astfel, datorită absorbției a doi fotoni în cloroplast, electronii p sunt transferați de la P680 la feredoxină, crescând energia acestora cu aproximativ 241 kJ / mol. O mică parte din aceasta este consumată în timpul transferului de electroni p din feredoxină în NADP. Drept urmare, sunt sintetizate substanțe, care apoi devin hrană pentru heterotrofi și se transformă în substraturi pentru respirația celulară. La începutul lanțului respirator, rezerva de energie liberă a electronilor p este de 220 kJ / mol. Aceasta înseamnă că înainte de aceasta energia electronilor p scăzuse cu doar 20 kJ / mol. În consecință, mai mult de 90% din energia solară stocată de electronii p în plantele verzi este transportată de aceștia către lanțul respirator al mitocondriilor animalelor și oamenilor.

Produsul final al reacțiilor redox în lanțul respirator mitocondrial este apa. Are cea mai mică energie liberă dintre toate moleculele biologic importante. Se spune că odată cu apa, corpul eliberează electroni, lipsiți de energie în procesele vieții. De fapt, rezerva de energie din apă nu este nicidecum zero, dar toată energia este conținută în legături y și nu poate fi utilizată pentru transformări chimice în corp la temperatura corpului și alți parametri fizico-chimici ai corpului animalelor și al oamenilor. În acest sens, reactivitatea apei este luată ca punct de referință (nivel zero) pe scara reactivității.

Dintre toate substanțele importante din punct de vedere biologic, apa are cel mai mare potențial de ionizare - 12,56 eV. Toate moleculele biosferei au potențiale de ionizare sub această valoare; gama de valori este de aproximativ 1 eV (de la 11,3 la 12,56 eV).

Dacă luăm potențialul de ionizare al apei ca punct de referință pentru reactivitatea biosferei, atunci se poate construi o scară de biopotențiale. Biopotențialul fiecărei substanțe organice are un sens foarte clar - corespunde energiei care este eliberată în timpul oxidării unui anumit compus în apă.

Dimensiunea BP este dimensiunea energiei libere a substanțelor corespunzătoare (în kcal). Și, deși 1 eV = 1,6 10 -19 J, atunci când se trece de la scara potențialelor de ionizare la scara biopotențialelor, trebuie să se țină cont de numărul Faraday și de diferența de potențial de reducere standard între perechea redox a unei substanțe date și pereche redox О 2 / H 2 O.

Datorită absorbției fotonilor, electronii ating cel mai înalt biopotențial în fotosistemele plantelor. De la acest nivel ridicat de energie, ei discreționează (în trepte) la cel mai scăzut nivel de energie din biosferă - nivelul apei. Energia degajată de electroni pe fiecare treaptă a acestei scări este transformată în energia legăturilor chimice și astfel conduce viața animalelor și a plantelor. Plantele leagă electronii apei, iar respirația celulară generează din nou apă. Acest proces formează un circuit electronic în biosferă, a cărui sursă este soarele.

O altă clasă de procese care sunt sursa și rezervorul de energie liberă din organism sunt procesele oxidative din organism cu participarea speciilor reactive de oxigen (ROS). ROS sunt specii chimice extrem de reactive, care includ radicali liberi care conțin oxigen (O 2 3/4, HO 2, HO, NO, ROO), precum și molecule care pot produce cu ușurință radicali liberi (oxigen singulet, O 3, ONOOH, HOCl, H2O2, ROOH, ROOR). Majoritatea publicațiilor dedicate ROS discută aspecte legate de acțiunea lor patogenă, deoarece pentru o lungă perioadă de timp s-a crezut că ROS apar în organism atunci când metabolismul normal este perturbat și, în cursul reacțiilor în lanț inițiate de radicalii liberi, componentele moleculare ale celulei sunt deteriorate nespecific.

Cu toate acestea, a devenit clar că enzimele generatoare de superoxid sunt prezente în aproape toate celulele și că multe dintre răspunsurile fiziologice normale ale celulelor sunt corelate cu producția crescută de ROS. ROS sunt, de asemenea, generate în timpul reacțiilor non-enzimatice care apar în mod constant în organism. Conform estimărilor minime, în repaus în timpul respirației oamenilor și animalelor, până la 10-15% din oxigen este utilizat pentru producerea ROS și, cu o creștere a activității, această pondere crește semnificativ. În același timp, nivelul staționar al ROS în organe și țesuturi este în mod normal foarte scăzut datorită prevalenței pe scară largă a unor sisteme enzimatice și non-enzimatice puternice care le elimină. Întrebarea de ce organismul produce ROS atât de intens pentru a scăpa imediat de ele nu a fost încă discutată în literatura de specialitate.

S-a stabilit că răspunsurile adecvate ale celulelor la hormoni, neurotransmițători, citokine și factori fizici (lumină, temperatură, influențe mecanice) necesită un anumit conținut de ROS în mediu. ROS în sine pot induce aceleași reacții în celule care se dezvoltă sub acțiunea moleculelor bioreglatorii - de la activarea sau inhibarea reversibilă a sistemelor enzimatice până la reglarea activității genomului. Activitatea biologică a așa-numiților ioni de aer, care au un efect terapeutic pronunțat asupra unei game largi de boli infecțioase și neinfecțioase, se datorează faptului că sunt radicali liberi (O 2 3/4 ·). Utilizarea terapeutică a altor ROS - ozon și peroxid de hidrogen - se extinde, de asemenea.

Rezultate importante au fost obținute în ultimii ani de către profesorul Universității de Stat din Moscova V.L. Voeikov. Pe baza unei cantități mari de date experimentale privind studiul luminiscenței ultra-slabe a sângelui uman nediluat integral, sa constatat că reacțiile cu participarea ROS continuă continuu în sânge, timp în care stările excitate de electroni (UEM) ) sunt generate.

Procese similare pot fi inițiate în sistemele apoase model care conțin aminoacizi și componente care promovează oxidarea lentă a aminoacizilor în condiții apropiate de fiziologice. Energia excitației electronice poate migra radiativ și non-radiativ în sisteme apoase și în sânge și poate fi utilizată ca energie de activare pentru a intensifica procesele care generează UEM, în special datorită inducerii ramificării degenerate a lanțurilor.

Procesele cu participarea ROS în sânge și în sistemele de apă prezintă semne de autoorganizare, exprimate în natura lor oscilatorie, rezistență la acțiunea factorilor externi intensi, menținând în același timp o sensibilitate ridicată la acțiunea factorilor de joasă și ultra -intensitate scăzută. Această afirmație pune bazele pentru a explica multe dintre efectele utilizate în terapia modernă de intensitate scăzută.

Obținut de V.L. Voeikov, rezultatele demonstrează un alt mecanism pentru generarea și utilizarea UEM în organism, de data aceasta în medii lichide. Dezvoltarea conceptelor prezentate în acest capitol va face posibilă fundamentarea mecanismelor biofizice de generare și transport a energiei în sistemele biologice.

Entropia vieții

În termeni termodinamici, sistemele deschise (biologice) în proces de funcționare trec printr-un număr de stări de neechilibru, care, la rândul lor, este însoțit de o modificare a variabilelor termodinamice.

Menținerea stărilor de neechilibru în sistemele deschise este posibilă numai datorită creării de fluxuri de materie și energie în acestea, ceea ce indică necesitatea de a considera parametrii unor astfel de sisteme ca funcții ale timpului.

Schimbarea entropiei unui sistem deschis poate avea loc datorită schimbului cu mediul extern (d e S) și datorită unei creșteri a entropiei în sistem în sine datorită proceselor interne ireversibile (d i S> 0). E. Schrödinger a introdus conceptul că schimbarea totală a entropiei unui sistem deschis constă din două părți:

dS = d e S + d i S.

Diferențierea acestei expresii, obținem:

dS / dt = d e S / dt + d i S / dt.

Expresia rezultată înseamnă că rata de modificare a entropiei sistemului dS / dt este egală cu rata schimbului de entropie între sistem și mediu plus rata de generare a entropiei din sistem.

Termenul d e S / dt, care ia în considerare procesele de schimb de energie cu mediul, poate fi atât pozitiv cât și negativ, astfel încât pentru d i S> 0, entropia totală a sistemului poate crește și scădea.

Negativ d e S / dt< 0 соответствует тому, что отток положительной энтропии от системы во внешнюю среду превышает приток положительной энтропии извне, так что в результате общая величина баланса обмена энтропией между системой и средой является отрицательной. Очевидно, что скорость изменения общей энтропии системы может быть отрицательной при условии:

dS / dt< 0 if d e S/dt < 0 and |d e S/dt| >d i S / dt.

Astfel, entropia unui sistem deschis scade datorită faptului că în alte părți ale mediului extern există procese conjugate cu formarea entropiei pozitive.

Pentru organismele terestre, schimbul general de energie poate fi simplificat ca formare în fotosinteză a moleculelor complexe de carbohidrați din CO 2 și H 2 O cu degradarea ulterioară a produselor fotosintetice în procesul de respirație. Acest schimb de energie asigură existența și dezvoltarea ambelor organisme separate - legături în ciclul energetic. La fel și viața pe Pământ în general.

Din acest punct de vedere, scăderea entropiei sistemelor vii în procesul activității lor vitale se datorează în cele din urmă absorbției cuantelor de lumină de către organismele fotosintetice, care, totuși, este mai mult decât compensată de formarea entropiei pozitive în interiorul Soarelui. Acest principiu se aplică și organismelor individuale, pentru care aprovizionarea cu substanțe nutritive din exterior care transportă un aflux de entropie „negativă” este întotdeauna asociată cu producția de entropie pozitivă atunci când acestea se formează în alte părți ale mediului extern, astfel încât totalul schimbarea entropiei în sistemul organismului + mediul extern este întotdeauna pozitivă ...

În condiții externe constante într-un sistem deschis parțial echilibrat într-o stare staționară apropiată de echilibrul termodinamic, rata de creștere a entropiei datorată proceselor interne ireversibile atinge o valoare pozitivă minimă constantă zero.

d i S / dt => A min> 0

Acest principiu al creșterii minime a entropiei sau teorema lui Prigogine este un criteriu cantitativ pentru determinarea direcției generale a modificărilor spontane într-un sistem deschis aproape de echilibru.

Această condiție poate fi reprezentată într-un alt mod:

d / dt (d i S / dt)< 0

Această inegalitate mărturisește stabilitatea stării staționare. Într-adevăr, dacă sistemul se află într-o stare staționară, atunci nu îl poate părăsi spontan din cauza schimbărilor interne ireversibile. Când sistemul se abate de la o stare staționară, trebuie să aibă loc procese interne care o readuc într-o stare staționară, ceea ce corespunde principiului Le Chatelier - stabilitatea stărilor de echilibru. Cu alte cuvinte, orice abatere de la o stare de echilibru va determina o creștere a ratei producției de entropie.

În general, scăderea entropiei sistemelor vii are loc din cauza energiei libere eliberate în timpul descompunerii nutrienților absorbiți din exterior sau din cauza energiei soarelui. În același timp, acest lucru duce la o creștere a energiei lor libere.

Astfel, fluxul de entropie negativă este necesar pentru a compensa procesele distructive interne și pierderea de energie liberă din cauza reacțiilor metabolice spontane. În esență, vorbim despre circulația și transformarea energiei libere, datorită cărora se menține funcționarea sistemelor vii.

Tehnologii de diagnostic bazate pe realizările biofizicii cuantice

Pe baza conceptelor discutate mai sus, au fost dezvoltate o serie de abordări care fac posibilă studierea activității vitale a sistemelor biologice.

Acestea sunt, în primul rând, metode spectrale, printre care este necesară menționarea tehnicii de măsurare simultană a fluorescenței intrinseci a NADH și a flavoproteinelor oxidate (FP), dezvoltată de o echipă de autori sub conducerea V.O. Samoilov.

Această tehnică se bazează pe utilizarea unei scheme optice originale dezvoltată de E.M. Brumberg, care permite să se măsoare simultan fluorescența NADH la o lungime de undă de λ = 460 nm (lumină albastră) și fluorescența FP la o lungime de undă de λ = 520-530 nm (lumină galben-verde) la excitație cu lumină ultravioletă (λ = 365 nm).

În această pereche donator-acceptor, donatorul de electroni p fluorescă în forma redusă (NADH), iar acceptorul în forma oxidată (FP). Bineînțeles, în repaus, predomină formele reduse, iar cu intensificarea proceselor oxidative, cele oxidate.

Tehnica a fost adusă la nivelul practic al dispozitivelor endoscopice convenabile, ceea ce a făcut posibilă dezvoltarea diagnosticului precoce al bolilor maligne ale tractului gastrointestinal, ale ganglionilor limfatici în timpul intervenției chirurgicale și ale pielii. Evaluarea gradului de viabilitate tisulară în timpul operațiilor chirurgicale pentru rezecția economică s-a dovedit a fi de o importanță fundamentală.

Fluometria intravitală oferă, pe lângă indicatorii statici, caracteristicile dinamice ale sistemelor biologice, deoarece permite efectuarea testelor funcționale și investigarea relației doză-efect. Aceasta oferă diagnostice funcționale fiabile în clinică și servește ca instrument pentru studiul experimental al mecanismelor intime ale patogeniei bolilor.

Metoda de vizualizare a descărcării gazelor (GDV) poate fi atribuită și direcției biofizicii cuantice. Stimularea emisiilor de electroni și fotoni de pe suprafața pielii are loc datorită impulsurilor scurte (10 μs) ale unui câmp electromagnetic (CEM). Măsurătorile utilizând un osciloscop cu impulsuri cu memorie au arătat că în timpul acțiunii unui impuls EMF se dezvoltă o serie de impulsuri de curent (și strălucire) cu o durată de aproximativ 10 ns fiecare.

Dezvoltarea pulsului se datorează ionizării moleculelor mediului gazos datorită electronilor și fotonilor emiși, defalcarea pulsului este asociată cu procesele de încărcare a suprafeței dielectrice și apariția unui gradient EMF orientat opus câmpul inițial. Când se aplică o serie de impulsuri EMF stimulante cu o rată de repetare de 1000 Hz, procesele de emisie se dezvoltă pe durata fiecărui impuls.

Observarea televizată a dinamicii temporale a luminiscenței unei zone a pielii cu un diametru de câțiva milimetri și o comparație cadru cu cadru a modelelor de luminescență din fiecare impuls de tensiune indică apariția centrelor de emisie în practic aceleași puncte ale pielii. proteină de entropie biologică

Într-un timp atât de scurt - 10 ns - procesele de depolizare a ionilor din țesut nu au timp să se dezvolte, prin urmare, curentul se poate datora transportului de electroni prin complexele structurale ale pielii sau alt țesut biologic investigat inclus în circuitul curentului electric pulsat. Se obișnuiește împărțirea țesuturilor biologice în conductori (în primul rând fluide conductoare biologice) și dielectrici.

Pentru a explica efectele emisiei stimulate de electroni, este necesar să se ia în considerare mecanismele de transport ale electronilor prin structuri neconductoare. Au fost exprimate în mod repetat idei de a aplica modelul de conductivitate a semiconductorilor asupra țesuturilor biologice. Modelul semiconductor al migrației electronilor pe distanțe intermoleculare mari de-a lungul benzii de conducere din rețeaua cristalină este bine cunoscut și este utilizat în mod activ în fizică și tehnologie.

În conformitate cu conceptele moderne, conceptul de semiconductor nu a primit confirmare pentru sistemele biologice. În prezent, cea mai mare atenție în acest domeniu este atrasă de conceptul de tunelare a transportului de electroni între moleculele purtătoare de proteine ​​individuale separate una de cealaltă prin bariere energetice.

Procesele de tunelare a transportului de electroni au fost bine studiate experimental și modelate folosind exemplul transportului de electroni de-a lungul lanțului proteic. Mecanismul tunelului oferă un act elementar de transfer de electroni între grupurile donator-acceptor dintr-o proteină, situată la o distanță de aproximativ 0,5 - 1,0 nm una de cealaltă. Cu toate acestea, există multe exemple în care un electron este transportat pe distanțe mult mai mari într-o proteină.

Este esențial ca transferul să aibă loc nu numai în cadrul unei molecule de proteine, ci poate implica interacțiunea diferitelor molecule de proteine. Deci, în reacția transferului de electroni între citocromii c și citocrom oxidaza și citocromul b5, s-a dovedit că distanța dintre hemul proteinelor care interacționează este mai mare de 2,5 nm. Timpul caracteristic al transferului de electroni este de 10 -11 - 10 -6 s, ceea ce corespunde timpului de dezvoltare a unui singur eveniment de emisie în metoda GDV.

Conductivitatea proteinelor poate fi de natură impuritate. Conform datelor experimentale, valoarea mobilității u [m2 / (V cm)] într-un câmp electric alternativ a fost ~ 1 * 10 -4 pentru citocrom și ~ 2 * 10 -4 pentru hemoglobină. În ansamblu, sa dovedit că, pentru majoritatea proteinelor, conducerea are loc ca rezultat al saltului de electroni între donatorul localizat și stările acceptor, separate prin distanțe de zeci de nanometri. Etapa limitativă în procesul de transfer nu este mișcarea sarcinii de-a lungul stărilor actuale, ci procesele de relaxare în donator și acceptor.

În ultimii ani, a fost posibil să se calculeze configurațiile reale ale acestui tip de „căi electronice” în proteine ​​specifice. În aceste modele, mediul proteic dintre donator și acceptor este împărțit în blocuri separate legate prin legături covalente și hidrogen, precum și prin interacțiuni nelegate la o distanță de ordinul razelor van der Waals. Traseul de electroni este astfel reprezentat de o combinație a acelor orbitali de electroni atomici care aduc cea mai mare contribuție la valoarea elementului matrice al interacțiunii funcțiilor de undă ale componentelor.

În același timp, este general acceptat faptul că modalitățile specifice de transfer de electroni nu sunt strict fixate. Acestea depind de starea de confirmare a globulei proteice și se pot modifica corespunzător în diferite condiții.

În lucrările lui Marcus, a fost dezvoltată o abordare în care nu este considerată o singură traiectorie optimă de transfer într-o proteină, ci un set de ele. La calcularea constantei de transfer, am luat în considerare orbitalele unui număr de atomi care au interacțiune electronică a reziduurilor de aminoacizi ale proteinei dintre grupurile donator și acceptor, care contribuie cel mai mult la interacțiunea de supra-schimb. S-a dovedit că, pentru proteinele individuale, se obțin dependențe liniare mai precise decât atunci când se ia în considerare o singură traiectorie.

Transformarea energiei electronice în biostructuri este asociată nu numai cu transferul de electroni, ci și cu migrarea energiei de excitație electronică, care nu este însoțită de detașarea unui electron de molecula donatoare. Cele mai importante pentru sistemele biologice, conform conceptelor moderne, sunt mecanismele de rezonanță inductivă, de rezonanță de schimb și de exciton ale transferului de excitație electronică. Aceste procese se dovedesc a fi importante atunci când se analizează procesele de transfer de energie prin complexe moleculare, care, de regulă, nu sunt însoțite de transfer de sarcină.

Concluzie

Conceptele luate în considerare arată că rezervorul principal de energie liberă din sistemele biologice sunt stările excitate electronic ale complexelor moleculare complexe. Aceste stări sunt menținute continuu datorită circulației electronilor în biosferă, a cărei sursă este energia solară, iar principala „substanță de lucru” este apa. O parte din stări este cheltuită pentru furnizarea resursei energetice actuale a corpului, o parte poate fi stocată în viitor, similar cu ceea ce se întâmplă în lasere după absorbția impulsului pompei.

Fluxul unui curent electric pulsat în țesuturile biologice neconductoare poate fi asigurat datorită transferului intermolecular de electroni excitați prin mecanismul efectului tunel cu salt de electroni activat în regiunea de contact dintre macromolecule.

Astfel, se poate presupune că formarea unor complexe structurale-proteice specifice în grosimea epidermei și a dermului pielii asigură formarea de canale de conductivitate electronică crescută, care sunt măsurate experimental pe suprafața epidermei ca puncte de electropunctură.

Ipotetic, se poate presupune prezența unor astfel de canale în grosimea țesutului conjunctiv, care poate fi asociat cu meridianele „energetice”. Cu alte cuvinte, conceptul de transfer de „energie”, care este caracteristic conceptelor de medicină estică și care taie urechea unei persoane cu o educație europeană, poate fi asociat cu transportul stărilor excitate electronic prin complexe de proteine ​​moleculare.

Dacă este necesar să efectuați o muncă fizică sau mentală într-un sistem dat al corpului, electronii distribuiți în structuri proteice sunt transportați în acest loc și asigură procesul de fosforilare oxidativă, adică suportul energetic pentru funcționarea sistemului local.

Astfel, corpul formează un „depozit de energie” electronic care susține funcționarea curentă și stă la baza efectuării lucrărilor care necesită implementarea instantanee a unor resurse energetice uriașe sau care se produce în condiții de sarcini extrem de grele, tipice, de exemplu, pentru sporturile profesionale.

Emisia stimulată de impuls se dezvoltă, de asemenea, în principal datorită transportului de electroni p delocalizați, care se realizează în țesuturi neconductoare electric prin mecanismul de tunelare al transportului de electroni. Acest lucru sugerează că metoda GDV permite evaluarea indirectă a nivelului rezervelor de energie ale nivelului molecular de funcționare a complexelor structurale-proteice.

Bibliografie

1. Goldstein N.I., Goldstein R.H., Merzlyak M.N. 1992. Ionii de aer negativi ca sursă de superoxid. Int. J. Biometeorol., V. 36., pp. 118-122.

2. Khan, A.U. și Wilson T. Specii reactive de oxigen ca al doilea mesager. Chem. Biol. 1995.2: 437-445.

3. Koldunov V.V., Kononov D.S., Voeikov V.L. Oscilații de chimioluminiscență susținute în timpul reacției Maillard care se desfășoară în soluții apoase de aminoacizi și monozaharide. În: Chemilumunescența la întoarcerea mileniului. Stephen Albrecht, Tomas Zimmerman și Herbert Brandl (eds.) SCHWEDA-WEBERDRUCK GmbH, Druckerei & Verlag, Dresda, 2001, pp. 59-64.

4. Mullarkey CJ, Edelstein D, Brownlee M Generarea radicalilor liberi prin produse de glicație timpurie: un mecanism pentru aterogeneză accelerată în diabet. Biochem Biophys Res Commun 1990 31 decembrie 173: 3 932-9

5. Novikov C.N., Voeikov V.L., Asfaramov R.R., Vilenskaya N.D. Studiu comparativ al particularităților chemiluminescenei în sângele uman nediluat și neutrofile izolate. În: Chemilumunescența la întoarcerea mileniului. Stephen Albrecht, Tomas Zimmerman și Herbert Brandl (eds.) SCHWEDA-WEBERDRUCK GmbH, Druckerei & Verlag, Dresda, 2001, pp. 130-135.

6. Sauer H., Wartenberg M, Hescheler J. (2001) Specii reactive de oxigen ca mesageri intracelulari în timpul creșterii și diferențierii celulare. Cell Physiol Biochem; 11: 173-186.

7. Tiller W. Despre evoluția instrumentelor de diagnostic electrodermic. J de avansare în medicină. 1.1, (1988), pp. 41-72.

8. Vlessis AA; Bartos D; Muller P; Trunkey DD Rolul O2 reactiv în hipermetabolismul indus de fagocite și leziunile pulmonare. J Appl Physiol, 1995 ianuarie, 78: 1, 112

9. Voeikov V. Specii reactive de oxigen, apă, fotoni și viață. // Rivista di Biologia / Biology Forum 94 (2001), pp. 193-214

10. Voeikov V.L. Rolul benefic al speciilor reactive de oxigen. // "Revista Rusă de Gastroenterologie, Hepatologie, Coloproctologie" 2001, volumul XI, nr. 4, pp. 128-135.

11. Voeikov V.L. Funcțiile de reglementare ale speciilor reactive de oxigen în sânge și în sistemele de modelare a apei. Rezumat Disertație pentru gradul de doctor în științe biologice. M. MSU. 2003

12. Korotkov KG Fundamentele bioelectrografiei GDV. Artă. Petersburg. SPbGITMO. 2001.

13. Lukyanova L. D. Balmukhanov B. S., Ugolev A. T. Procese dependente de oxigen în celulă și starea sa funcțională. Moscova: Nauka, 1982

14. Rubin A.B. Biofizică. M. Casa de carte „Universitatea”. 1999.

15. Samoilov V.O. Circuitul electronic al vieții. Artă. Petersburg, Institutul de Fiziologie RAS. 2001.

16. Samoilov V.O. Biofizică medicală. Leningrad. VMA. 1986.

18. Chizhevsky A.L. Aeroioni și viață. M. Gândit. 1999

Postat pe Allbest.ru

...

Documente similare

Sensul fizic al creșterii entropiei. Caracteristicile autoorganizării în structuri disipative. Caracteristici ale evoluției în sistemele sociale și umanitare. Esența proceselor de interconversie a diferitelor tipuri de energie. Echilibrul termodinamic.

test, adăugat 19.04.2015


Conceptul și proprietățile feedback-ului, prevalența și semnificația acestuia în viața sălbatică, tehnologie și societate. Esența teoriei comunicării duale ca aspect important al controlului în sistemele vii. Semne distinctive ale conexiunilor pozitive și negative.

rezumat, adăugat 27.06.2010


Concepte moderne ale structurii organizării lanțului de transport al electronilor mitocondriilor și traductoarelor moleculare din celule. Rolul perturbărilor energetice în dezvoltarea patologiei. Principalele mecanisme moleculare ale consumului de energie de către o celulă vie.

test, adăugat 23.02.2014


Entropia ca măsură a incertitudinii, o măsură a haosului, a semnificației sale fizice. Entropia în termodinamică este o măsură a disipării ireversibile a energiei; este o funcție a stării unui sistem termodinamic. Entropia Universului, entropia și informația, conceptul de negentropie.

rezumat, adăugat 24.03.2010


Căldură și entropie. Dificultate de înțelegere a semnificației fizice a entropiei. Entropia Universului, teoria morții termice. Domeniul de aplicare a legilor termodinamicii. Entropia ca funcție a stării unui sistem termodinamic pentru descrierea evoluției sistemelor reale.

rezumat, adăugat 18.11.2009


Esența conceptului de „bioenergie”. Semne esențiale ale celor vii. Metabolism și energie externe și intermediare. Metabolism: concept, funcție. Trei etape ale transformărilor catabolice ale nutrienților esențiali din celulă. Diferențele dintre catabolism și anabolism.

prezentare adăugată 01/05/2014


Proiectarea și crearea de noi sisteme biologice care nu apar în natură. Metode de sinteză a moleculelor organice artificiale care joacă un anumit rol în sistemele vii. Modificarea genetică a bacteriilor utilizând tehnologia ADN-ului recombinant.

prezentare adăugată în 14.11.2016


Caracteristicile generale ale lanțului respirator ca sistem de proteine ​​transmembranare și purtători de electroni legați structural și funcțional. Organizarea lanțului respirator în mitocondrii. Rolul lanțului respirator în captarea energiei. Sarcinile și obiectivele inhibitorilor.

rezumat, adăugat 29.06.2014


Conceptul de entropie ca măsură a haosului, principiile și locul său în istoria dezvoltării fizicii clasice. Caracteristici generale ale formării structurilor de complexitate crescândă. Analiza relației dintre ecologie și științe naturale. Evaluarea situației ecologice din Novosibirsk.

rezumat, adăugat 21/10/2010


Etapele originii vieții pe Pământ, apariția primelor organisme procariote și eucarotice. Procesul de evoluție a eucariotelor de la structura corpului unicelular la cel multicelular. Proprietățile de bază și manifestările vieții, tiparele de entropie se schimbă.

Formularea general acceptată a celei de-a doua legi a termodinamicii în fizică afirmă că în sisteme închise energia tinde să fie distribuită uniform, adică sistemul tinde spre starea de entropie maximă.

O trăsătură distinctivă a corpurilor vii, a ecosistemelor și a biosferei în ansamblu este capacitatea de a crea și menține un grad ridicat de ordine internă, adică stări cu entropie scăzută. Concept entropie caracterizează acea parte din energia totală a sistemului care nu poate fi utilizată pentru a produce muncă. Spre deosebire de energia liberă, aceasta este energie degradată, irosită. Dacă denotăm energia liberă prin Fși entropie prin S, atunci energia totală a sistemului este E va fi egal cu:

E = F + ST;

unde T este temperatura absolută în Kelvin.

Conform definiției fizicianului E. Schrödinger: „viața este un comportament ordonat și regulat al materiei, bazat nu numai pe o tendință de a trece de la ordine la dezordine, ci și parțial pe existența ordinii, care se menține tot timpul ... - ... un mijloc, cu ajutorul căruia organismul se menține constant la un nivel suficient de ridicat de ordonare (în mod egal la un nivel suficient de scăzut de entropie), în realitate constă în extragerea continuă a ordonării din mediu . "

La animalele superioare, suntem conștienți de felul ordinii pe care se hrănesc, și anume: starea extrem de ordonată a materiei din compușii organici mai mult sau mai puțin complexi îi servește ca hrană. După utilizare, animalele returnează aceste substanțe într-o formă foarte degradată, însă nu complet degradată, deoarece plantele încă le pot asimila.

Pentru plante, o sursă puternică de „entropie negativă” este negentropie - este lumina soarelui.

Proprietatea sistemelor vii de a extrage ordinea din mediu i-a determinat pe unii oameni de știință să concluzioneze că pentru aceste sisteme a doua lege a termodinamicii nu este îndeplinită. Cu toate acestea, al doilea principiu are și o altă formulare, mai generală, care este valabilă pentru sistemele deschise, inclusiv pentru cele vii. Ea spune asta eficiența conversiei spontane a energiei este întotdeauna mai mică 100%. În conformitate cu a doua lege a termodinamicii, menținerea vieții pe Pământ fără un aflux de energie solară este imposibilă.

Să ne întoarcem din nou la E. Schrödinger: „Tot ce se întâmplă în natură înseamnă o creștere a entropiei în acea parte a Universului în care are loc. La fel, un organism viu își mărește continuu entropia sau produce entropie pozitivă și, astfel, se apropie de o stare periculoasă - entropie maximă, care este moartea. El poate evita această stare, adică să rămână în viață doar prin extragerea constantă a entropiei negative din mediu ”.

Transferul de energie în ecosisteme și pierderile acestuia

După cum știți, transferul energiei alimentare de la sursa sa - plante - printr-un număr de organisme, care are loc prin consumul unor organisme de către alții, trece prin lanțul trofic. La fiecare transfer următor, cea mai mare parte (80-90%) din energia potențială se pierde, transformându-se în căldură. Trecerea la fiecare legătură următoare reduce energia disponibilă de aproximativ 10 ori. Piramida energiei ecologice se îngustează întotdeauna în sus, deoarece energia se pierde la fiecare nivel succesiv (Fig. 1).

Eficiența sistemelor naturale este mult mai mică decât eficiența motoarelor electrice și a altor motoare. În sistemele de locuit, o mulțime de „combustibil” este cheltuită pentru „reparații”, lucru care nu este luat în considerare la calcularea eficienței motoarelor. Orice creștere a eficienței unui sistem biologic are ca rezultat o creștere a costurilor de menținere a acestora într-o stare stabilă. Un sistem ecologic poate fi comparat cu o mașină din care nu puteți „stoarce” mai mult decât este capabil să ofere. Există întotdeauna o limită după care câștigurile rezultate din creșterea eficienței sunt anulate de costurile crescute și de riscul de distrugere a sistemului. Îndepărtarea directă de către oameni sau animale de peste 30-50% din creșterea anuală a vegetației poate reduce capacitatea ecosistemului de a rezista la stres.

Una dintre limitele biosferei este producția brută de fotosinteză, iar o persoană va trebui să își adapteze nevoile la aceasta, până când va putea dovedi că asimilarea energiei prin fotosinteză poate fi mult crescută fără a pune în pericol echilibrul altei, mai importante resursele ciclului de viață. Acum, doar aproximativ jumătate din toată energia radiantă este absorbită (în principal în partea vizibilă a spectrului) și, cel mult, aproximativ 5% - se transformă într-un produs al fotosintezei în cele mai favorabile condiții.

Smochin. 1. Piramida energiilor. E - energie eliberată cu metaboliți; D = decese naturale; W - fecale; R - respirație

În ecosistemele artificiale, pentru a obține o recoltă mai mare, o persoană este forțată să cheltuiască energie suplimentară. Este necesar pentru agricultura industrializată, așa cum este cerut de culturile special create pentru aceasta. „Agricultura industrializată (folosind energie din combustibili fosili) (cum este practicată în Japonia) poate produce randamente de 4 ori mai mari la hectar decât agricultura în care oamenii și animalele domestice fac toată munca (ca în India), dar necesită de 10 ori mai multe resurse și energie de tot felul ".

Apropierea ciclurilor de producție în ceea ce privește parametrul energetic entropic este teoretic imposibilă, deoarece fluxul proceselor energetice (în conformitate cu a doua lege a termodinamicii) este însoțit de degradarea energiei și o creștere a entropiei mediului natural. Acțiunea celei de-a doua legi a termodinamicii este exprimată prin faptul că transformările de energie merg într-o direcție, spre deosebire de mișcarea ciclică a substanțelor.

În prezent, asistăm la o creștere a nivelului de organizare și diversitate a unui sistem cultural care scade entropia acestuia, dar crește entropia mediului natural, provocând degradarea acestuia. În ce măsură pot fi eliminate aceste consecințe ale celei de-a doua legi a termodinamicii? Există două moduri.

Prima cale este de a reduce pierderea de energie utilizată de o persoană în timpul diferitelor sale transformări. Această cale este eficientă în măsura în care nu duce la o scădere a stabilității sistemului prin care trece fluxul de energie (așa cum se știe, în sistemele ecologice, o creștere a numărului de niveluri trofice contribuie la o creștere a acestora stabilitate, dar în același timp contribuie la o creștere a pierderilor de energie care trec prin sistem).

A doua cale constă în tranziția de la creșterea ordinii sistemului cultural la creșterea ordinii întregii biosfere. În acest caz, societatea crește organizarea mediului natural prin scăderea organizării părții de natură care se află în afara biosferei Pământului.

Transformarea substanțelor și a energiei în biosferă ca sistem deschis

Teoria și metodele sistemelor deschise, care sunt una dintre cele mai importante realizări ale secolului al XX-lea, sunt de o importanță fundamentală pentru înțelegerea dinamicii proceselor biosferice și a soluțiilor constructive la problemele specifice de mediu.

Conform teoriei clasice a termodinamicii, sistemele fizice și alte sisteme de natură neînsuflețită evoluează în direcția creșterii tulburării, distrugerii și dezorganizării acestora. În același timp, măsura energetică a dezorganizării, exprimată prin entropie, tinde să crească continuu. Se pune întrebarea: cum, din natura neînsuflețită, ale cărei sisteme au tendința de dezorganizare, ar putea apărea natura vie, ale cărei sisteme în evoluția lor se străduiesc să îmbunătățească și să complice organizarea lor? În plus, progresul este evident în societate în ansamblu. În consecință, conceptul original al fizicii clasice - conceptul unui sistem închis sau izolat nu reflectă realitatea și este în contradicție clară cu rezultatele cercetărilor în biologie și științe sociale (de exemplu, prognoze sumbre ale „morții de căldură” a Univers). Și este destul de firesc ca în anii 1960 să apară o nouă termodinamică (neliniară), bazată pe conceptul de procese ireversibile. Locul unui sistem închis, izolat în el este ocupat de un concept fundamental fundamental diferit al unui sistem deschis care este capabil să facă schimb de materie, energie și informații cu mediul înconjurător. Mijloacele prin care organismul se menține la un nivel suficient de ridicat al ordinii (în mod egal la un nivel suficient de scăzut de entropie), de fapt, constă în extragerea continuă a ordinii din mediul înconjurător.

Sistem deschis Astfel, împrumută din exterior fie o substanță nouă, fie energie proaspătă și, în același timp, aduce substanța utilizată și energia uzată în mediul extern, adică ea este nu poate rămâne închis.În procesul de evoluție, sistemul schimbă constant energia cu mediul și produce entropie. În același timp, entropia, care caracterizează gradul de tulburare din sistem, spre deosebire de sistemele închise, nu se acumulează, ci este transportată în mediu. Concluzia logică este că un sistem deschis nu poate fi în echilibru, deoarece necesită o alimentare continuă de energie sau o substanță bogată în ea din mediul extern. Potrivit lui E. Schrödinger, datorită acestei interacțiuni sistemul atrage ordinea din mediu și astfel îi aduce dezordine.

Interacțiunea dintre ecosisteme

Dacă există o legătură între două sisteme, entropia poate fi transferată de la un sistem la altul, al cărui vector este determinat de valorile potențialelor termodinamice. Aici intervine diferența calitativă între sistemele izolate și cele deschise. Într-un sistem izolat, situația rămâne neechilibru. Procesele continuă până când entropia atinge maximul.

În sistemele deschise, fluxul de entropie spre exterior poate echilibra creșterea sa în sistemul în sine. Condițiile de acest fel contribuie la apariția și menținerea unei stări staționare (cum ar fi echilibrul dinamic), numită echilibrul curent. Într-o stare staționară, entropia unui sistem deschis rămâne constantă, deși nu este maximă. Coerența este menținută datorită faptului că sistemul extrage continuu energie liberă din mediu.

Dinamica entropiei într-un sistem deschis este descrisă prin ecuația lui I.R. Prigogine (fizician belgian, laureat al premiului Nobel din 1977):

ds / dt = ds 1 / dt + ds e / dt,

Unde ds 1 / dt- caracteristică entropiei proceselor ireversibile din interiorul sistemului; ds e / dt- caracteristică schimbului de entropie între sistemul biologic și mediu.

Autoreglarea ecosistemelor fluctuante

Scăderea totală a entropiei ca urmare a schimbului cu mediul extern, în anumite condiții, poate depăși producția sa internă. Apare instabilitatea stării dezordonate anterioare. Fluctuații la scară largă apar și cresc la nivelul macroscopic. În acest caz, este posibil autoreglare, adică apariția anumitor structuri din formațiuni haotice. Astfel de structuri pot trece succesiv într-un stat din ce în ce mai ordonat (structuri disipative). Entropia din ele scade.

Structurile disipative se formează ca urmare a dezvoltării propriilor instabilități interne în sistem (ca urmare a autoorganizării), care le deosebește de organizarea structurilor ordonate care se formează sub influența cauzelor externe.

Structurile ordonate (disipative) care apar spontan din dezordine și haos ca urmare a procesului de autoorganizare sunt realizate și în sistemele ecologice. Un exemplu este aranjamentul spațial ordonat al bacteriilor în medii nutritive, observat în anumite condiții, precum și al structurilor temporale din sistemul „prădător-pradă”, caracterizat printr-un regim stabil de oscilație cu o anumită periodicitate a numărului de populații de animale.

Procesele de auto-organizare se bazează pe schimbul de energie și masă cu mediul înconjurător. Acest lucru face posibilă menținerea stării create în mod artificial a echilibrului curent, atunci când pierderile de disipare sunt compensate din exterior. Odată cu sosirea de energie sau materie nouă în sistem, neechilibrul crește. În cele din urmă, vechile relații dintre elementele sistemului, care determină structura acestuia, sunt distruse. Se stabilesc noi conexiuni între elementele sistemului, ducând la procese de cooperare, adică la comportamentul colectiv al elementelor sale. Aceasta este schema generală a proceselor de auto-organizare în sistemele deschise, numită știință sinergetice.

Conceptul de autoorganizare, iluminând într-un mod nou relația dintre natura neînsuflețită și cea vie, face posibilă înțelegerea mai bună a faptului că întreaga lume din jurul nostru și Universul sunt un set de procese de auto-organizare care stau la baza oricărei dezvoltări evolutive.

Este recomandabil să acordați atenție următoarelor circumstanțe. Pe baza naturii aleatorii a fluctuațiilor, rezultă că apariția a ceva nou în lume se datorează întotdeauna acțiunii factorilor aleatori.

Apariția autoorganizării se bazează pe principiul feedback-ului pozitiv, conform căruia schimbările din sistem nu sunt eliminate, ci acumulate. Ca urmare, tocmai acest lucru duce la apariția unei noi ordini și a unei noi structuri.

Punctul de bifurcație este un impuls pentru dezvoltarea biosferei de-a lungul unei noi căi

Sistemele deschise ale Universului fizic (căruia îi aparține biosfera noastră) fluctuează constant și într-un anumit stadiu pot ajunge puncte de bifurcație... Esența bifurcației este ilustrată cel mai clar de un cavaler de basm care stă la o răscruce de drumuri. La un moment dat pe cale, există o bifurcație în care este necesar să se ia o decizie. Când se atinge punctul de bifurcație, este fundamental imposibil să se prevadă în ce direcție sistemul se va dezvolta în continuare: dacă va intra într-o stare haotică sau va dobândi un nou nivel de organizare mai înalt.

Pentru un punct de bifurcație - un impuls către dezvoltarea sa de-a lungul unei căi noi, necunoscute. Este dificil de prezis ce loc va ocupa societatea umană în ea, dar este probabil ca biosfera să-și continue dezvoltarea.

„O persoană nu poate găsi esența problemei, ceea ce se face sub soare,
- oricât ar încerca o persoană să caute, nu va găsi;
și chiar dacă înțeleptul spune că poate, nu-l va găsi ".
Solomon Înțeleptul, regele evreilor, secolul al X-lea î.Hr.

Aceasta este lumea și de ce este așa,
Nici inteligentul, nici prostul nu știu asta.
D.I.Fonvizin (1745 - 1792).

Un sistem poate fi numit un set de părți care interacționează. Un fapt experimental este faptul că unele proprietăți ale pieselor sunt dictate de sistemul însuși, că proprietățile integrative și sistemice ale acestui set nu sunt proprietăți ale pieselor în sine. Pentru o persoană cu gândire inductivă, această idee este seducătoare și se dorește să o anatemizeze.

O celulă dintr-un corp uman viu.

Celula umană face parte din corp. Volumul geometric intern al celulei este limitat de mediul extern de o membrană, o coajă. Interacțiunea dintre mediu și celulă are loc peste această graniță. Vom considera celula umană cu învelișul ei ca un sistem termodinamic, chiar dacă marii termodinamici ai timpului nostru consideră celula propriului lor organism ca un obiect vulgar și nedemn de luat în considerare pentru termodinamică.

În raport cu o celulă umană, mediul extern este un fluid intercelular, o soluție apoasă. Compoziția sa este determinată de schimbul de substanțe chimice cu vasele de sânge (capilare) și de schimbul cu multe celule. Din fluidul intercelular în celulă prin membrană provin substanțe „utile” și oxigen. Din celulă prin aceeași membrană, produsele reziduale ies în fluidul intercelular, acestea sunt substanțe necesare organismului, subproduse, zgură, componente nereacționate. În consecință, celula umană, ca sistem termodinamic, interacționează cu mediul extern. chimic... Potențialul acestei interacțiuni este în mod tradițional notat prin litera μ, iar coordonata stării acestui tip de interacțiune este notată cu m. Atunci cantitatea acestei interacțiuni între lumea externă și celulele corpului este egală cu

unde j este numărul căii transformărilor chimice secvențiale și / sau paralele, m j este masa substanței j-a nou formate. Indicele (e) din partea de sus înseamnă că ar trebui luată valoarea potențialului de transformare j-th pentru mediul extern, adică pentru fluidul intercelular.

În același timp, interacțiunea termică cu potențialul T (temperatura absolută) și coordonatele de tip termic s (entropie) se efectuează prin membrana celulară a corpului. Cantitatea de interacțiune este T (e) ds.

Neglijăm interacțiunea de deformare (potențial - presiune, coordonată a volumului specific stării sistemului) pentru lichide.

Apoi, prima lege a termodinamicii pentru un sistem termo-chimic este scrisă în forma standard:

du = μ j (e) dm j + T (e) ds,

unde u este energia internă a sistemului.

Dacă potențialele din celula organismului μ j (i) și T (i) sunt apropiate de potențialele din exterior, atunci apare echilibrul. Echilibrul înseamnă că cantitatea de reactivi inițiali și cantitatea de produse de reacție în transformările chimice reversibile devin neschimbate (toate reacțiile chimice sunt reversibile).

Proprietatea sistemică a organismului constă în faptul că scopul funcțional al fiecărei celule umane este producerea de substanțe necesare organismului (proteine, grăsimi, enzime, purtători de energie etc.). Cușca trebuie dă afară aceste substanțe în lichidul intercelular și mai departe în sistemul circulator. Prin urmare, starea celulei umane ar trebui să fie neechilibrul și procesele de schimb sunt ireversibile. Aceasta înseamnă că dacă

Δμ j = μ j (e) - μ j (i), apoi Δμ j / μ j (i) ≥ 10 0.

Pentru situația considerată (ireversibilitate), prima lege a termodinamicii ia forma:

du = T (e) ds + (Δμ j + μ j (i)) dm j = T (e) ds + μ j (i) dm j + Δμ j dm j.

Ultimul termen din această ecuație se datorează ireversibilității procesului de interacțiune chimică. Și, conform celei de-a doua legi a termodinamicii, această ireversibilitate duce în mod necesar la o creștere a entropiei:

Δμ j dm j = T (i) ds (m) diss, unde ds (m) diss> 0. (diss = disipare).

Totul se întâmplă ca și cum ireversibilitatea în interacțiune orice genul „include” într-un sistem termodinamic o sursă de căldură cu activitate T (i) ds (m) dis, celula corpului se încălzește (nu neapărat în sensul creșterii temperaturii, ca în bucătărie, ci într-un sens mai larg - căldură livra). Creșterea entropiei într-o celulă umană distorsionează fără îndoială cursul reacțiilor chimice (mai multe despre aceasta mai târziu). Există o generație de substanțe inutile pentru organism, gunoi, zgură, iar soluția este diluată. Corpul trebuie să scoată entropia din celulă, altfel îi va face asta!

Una dintre modalitățile de îndepărtare a entropiei este indicată de termodinamică: este necesar să se reducă potențialul termic T (e), pentru a-l face mai mic decât T (i). Și pentru a realiza eliminarea căldurii, diferența de temperatură ΔТ = Т (i) - Т (e) trebuie să fie din nou o valoare finită, prin urmare, procesul de schimb de căldură va deveni și ireversibil, o altă sursă de căldură cu activitate T (i) ds (T) diss va apărea. În cele din urmă, prima lege a termodinamicii pentru un sistem termochimic cu procese de schimb ireversibile va lua forma:

du = T (i) ds + μ j (i) dm j + T (i) ds (m) diss + Т (i) ds (T) diss.

Primii doi termeni din dreapta sunt responsabili pentru procesele de interacțiune reversibile, ultimii doi pentru cei ireversibili, iar ultimul se datorează penultimului. În consecință, o parte din energia internă a sistemului este transformată ireversibil în căldură, adică celula umană generează entropie.

Să ne oprim asupra acestui lucru în aplicarea metodei termodinamice de analiză a unei celule dintr-un organism viu. Oprirea este determinată de semnificația epigrafelor la acest articol: această metodă de cercetare necesită și informații cantitative, pe care nu le avem. Dar ceea ce ai obținut merită foarte mult! Rămâne să faci un comentariu și să primești o investigație.

De ce este periculoasă entropia într-o celulă a unui organism?

Să încercăm să înțelegem de ce creșterea entropiei ds (m) diss> 0 și ds (T) diss> 0 este periculoasă pentru organism. Sau poate această creștere este favorabilă?

Organismul „cere” de la celulă funcționarea sa, efectuarea de servicii utile și necesare consumatorilor sub forma producerii unor substanțe. Mai mult, necesită implementarea acestor servicii „rapid” într-un anumit sens. Rata transformărilor se datorează diferențelor de potențial finit, utilizării catalizatorilor și a moleculelor de transport speciale. Dar, în orice situație, este necesar să aranjați moleculele reactivului strâns și unul lângă altul (în sens geometric). Mai mult, moleculele reactivilor, datorită energiei lor E, trebuie să „excite” cochiliile electronice ale unor atomi, atunci poate apărea actul combinării, sintezei, cu formarea de substanțe noi.

De regulă, moleculele dintr-o celulă umană au o structură tridimensională complexă. Prin urmare, astfel de molecule au multe grade de libertate de mișcare a elementelor. Poate fi o mișcare de rotație a fragmentelor unei molecule, poate fi o mișcare oscilatorie a acelorași fragmente și a atomilor individuali. Probabil, rotația fragmentelor mari ale moleculei în faza lichidă este dificilă, foarte strânsă. Aparent, se rotesc doar fragmente mici. Dar densitatea ridicată a fazei lichide nu interferează cu adevărat cu vibrațiile fragmentelor mici și ale atomilor individuali ai moleculei. În orice caz, numărul de grade de libertate de mișcare pentru o astfel de moleculă este enorm, prin urmare, numărul total W de variante ale distribuției energiei E peste aceste grade de libertate este și mai mare. Dacă îl urmați pe Boltzmann și acceptați

atunci creșterea entropiei în celula organismului duce la îndepărtarea energiei din variantele care pot excita cojile electronilor cu formarea ulterioară a substanțelor „necesare”. Mai mult, odată cu o astfel de creștere a entropiei, subprodusele încep să fie sintetizate.

Corpul va trebui să pună lucrurile în ordine în celula umană, să elimine entropia din volumul celulei pentru a concentra energia moleculelor în gradele „utile” de libertate. Organism sărac, chiar și la nivel celular nu are niciun cadou gratuit: dacă doriți să obțineți ceva valoros, îndepărtați entropia din celulă.

Metode pentru intensificarea îndepărtării entropiei.

Din teoria transferului de căldură rezultă că cantitatea de căldură

dQ = kF (T (i) - T (e)) dτ = (T (i) ds (m) diss + T (i) ds (T) diss) ρV,

unde k este coeficientul de transfer de căldură, F este suprafața de schimb de căldură (membrana celulară a corpului), τ este timpul, ρ este densitatea sistemului. Să împărțim ambele părți ale acestei ecuații la volumul celulei V. Atunci factorul F / V ∼ d -1 va apărea în stânga, unde d este dimensiunea caracteristică a celulei organismului. În consecință, cu cât celula este mai mică, cu atât este mai intens procesul de îndepărtare a entropiei la aceeași diferență de potențial termic. Mai mult, cu o scădere a dimensiunii d, această diferență poate fi redusă pentru același dQ și, prin urmare, măsura ireversibilității termice ds (T) diss.

Cu alte cuvinte, generarea de entropie are loc în volumul celulei V ∼ d 3, iar entropia este îndepărtată din celula umană prin suprafața F ∼ d 2 (vezi Fig. 1).

Smochin. 1. Ilustrație pentru determinarea dimensiunii critice a unei celule dintr-un organism.

Dar celula își mărește masa și, în consecință, volumul. Și în timp ce d d 0 suprafața elimină mai puțină entropie decât este generată și chiar în ritmul mediului extern. Când d> d 0, celula se va „încălzi”, va începe să dăuneze corpului. Ce să fac? Pe de o parte, o celulă umană trebuie să își mărească masa și, pe de altă parte, nu își poate crește dimensiunea. Singura modalitate de a „salva” o celulă și un organism este prin diviziunea celulară. Dintr-o celulă "mare" de dimensiunea d 0 (presupunând pentru simplitate celula umană este sferică), se formează doi "copii" de dimensiunea d p:

πd 0 3/6 = 2πd 3 p / 6> d p = 2 -1/3 d 0 = 0.794d 0.

Mărimea „copiilor” va fi cu 20% mai mică decât dimensiunea „mamei”. În fig. 2 prezintă dinamica dimensiunii unei celule umane din corp.

Smochin. 2. Dinamica dimensiunii celulelor corpului. d 00 - dimensiunea celulei la un nou-născut.

cometariu... O creștere a intensității îndepărtării entropiei dintr-o celulă umană este posibilă nu numai prin scăderea temperaturii T (e) a fluidului intercelular și, prin urmare, a sângelui în capilare, ci și printr-o creștere a temperaturii T (i ) în interiorul celulei corpului. Dar această metodă va schimba întreaga chimie din celulă, va înceta să-și îndeplinească funcțiile în corp și va începe chiar să producă orice „gunoi”. Amintiți-vă cât de rău vă simțiți din cauza temperaturii ridicate cu un fel de boală. Este mai bine să nu atingeți temperatura din celula umană, pentru performanța de la poziția organismului, celula va trebui să se împartă în mod regulat și aceeași circumstanță reduce creșterea în ds (T) diss> 0.

Încă o notă... Dacă luăm în considerare suprafața specifică a corpurilor de diferite forme geometrice, nu este dificil să vedem că suprafața specifică minimă a mingii. Prin urmare, în nord și Siberia, locuitorii construiesc case sub formă de emisfere și încearcă, de asemenea, să facă case de dimensiuni mari (d> d 0) pentru 2-3 familii. Acest lucru vă permite să economisiți semnificativ energia pentru recoltarea lemnului de foc pentru iarnă. Dar în țările fierbinți, casele sunt construite sub formă de corpuri alungite, cu un număr mare de dependințe. Pentru a intensifica îndepărtarea entropiei dintr-o celulă umană, aceasta din urmă trebuie să aibă o formă departe de minge.

Entropia guvernează totul.

Acum să încercăm să ne imaginăm ce s-ar întâmpla dacă și celulele nervoase umane (neuronii cu procesele lor dendritice și sinapsele la sfârșitul lor) s-ar diviza. Un neurofiziolog ar fi imediat îngrozit de o astfel de perspectivă: ar însemna pur și simplu distrugerea întregului sistem de inervație a corpului și a activității creierului. De îndată ce o persoană a însușit unele cunoștințe, a dobândit o anumită abilitate, o tehnică și dintr-o dată totul a dispărut, începe din nou sau dispare.

Un analog simplu al diviziunii celulelor nervoase sunt loviturile de stat, necazurile, revoltele și revoluțiile, adică schimbarea echipei elitei conducătoare într-o anumită țară. Iar popoarele se zvârcolesc mult timp, adaptându-se noilor conducători. Nu, celulele nervoase umane pur funcționale nu pot fi lăsate să se împartă!

Cum se realizează acest lucru, deoarece entropia din celulele corpului crește inexorabil? În primul rând, să fim atenți la ramificarea celulei nervoase umane, la marea dezvoltare a suprafeței sale de schimb de căldură (suprafața unui filament subțire lung este mult mai mare decât suprafața unei sfere de același volum).

Mai mult, se dovedește că organismul urmărește cu atenție temperatura sângelui arterial care intră în creier. Acest lucru se manifestă, în special, în faptul că animalele cu sânge cald au un sistem autonom (cerc mic) de circulație a sângelui. Singurul senzor de temperatură este situat în artera carotidă, cu ajutorul căruia corpul controlează temperatura sângelui arterial care intră în creier. Îngrijorarea cu privire la reglarea acestei temperaturi a ajuns la punctul în care animalele terestre cu sânge cald au capacitatea suplimentară de a răci sângele care intră în creier. Se pare că artera carotidă se ramifică astfel încât o parte a ocolirii sângelui să treacă prin auriculele-schimbătoare de căldură. Un senzor special controlează fluxul acestui sânge. Dacă temperatura a crescut dincolo de valoarea nominală, atunci acest debit crește, sângele se răcește în urechi în briză, apoi se amestecă cu fluxul principal și este trimis la creier.

Gândiți-vă la bietul elefant african: în căldură trebuie să fluturați urechile tot timpul. Amintiți-vă cât de mari sunt mamiferele urechi în țările fierbinți și cât de mici în cele reci. În baia rusească, în baia de aburi, urechile trebuie închise pentru a aburi cu plăcere pentru o perioadă mai lungă de timp. Într-o excursie la schi iarna, trebuie să vă acoperiți din nou urechile pentru a nu vă răcori creierul. Un elev cu o notă nereușită, care visează la un triplet rușinos, are întotdeauna urechi roșii la un examen sau test, în timp ce un elev excelent are urechi de culoare normală. Puteți determina imediat nota după culoarea urechilor!

Ei bine, când capul uman a încetat complet să gândească, adică a acumulat multă entropie în celulele nervoase ale creierului, apoi trebuie să ieșiți la plimbare, să schimbați tipul de activitate, de exemplu, să tăiați lemnul. În cele din urmă, doar dormi, ameliorează încărcătura asupra neuronilor creierului, reduce producția de entropie și, în decurs de 8 ore de la o noapte de somn, scoate-l din creier folosind sânge venos. Se pare că acumularea de entropie în celulele nervoase ale unei persoane determină întregul mod al vieții sale: dimineața mergem la serviciu, apoi mergem acasă de la serviciu, puțin odihnă și apoi dormim.

Mi-aș dori să pot veni cu un astfel de mecanism de îndepărtare a entropiei din celulele nervoase, astfel încât să putem lucra 24 de ore pe zi! Ce bucurie ar fi pentru oamenii creativi și pentru exploatatori! PIB-ul țării ar crește cu mai mult de 30% simultan! Nu este nevoie de transport pentru a transporta oameni, nu sunt necesare locuințe, ci doar locuri de muncă. Organizarea vieții ar deveni cea mai simplă: copilul învață continuu la școală, apoi la institut sau la școala profesională, apoi persoana este plasată la locul de muncă și la final este dusă la crematoriu. Oamenii de știință, ia ideea!

Este probabil clar că producția de produse țintă diferite pentru organism duce la intensități diferite de generare a entropiei în diferite celule umane. Totul este determinat de „complexitate”, adică arhitectura spațială a moleculelor substanței țintă și varietatea și numărul de radicali și atomi din compoziția sa. Cu cât această „complexitate” este mai mare, cu atât entropia scade în timpul sintezei din radicalii simpli, dar și creșterea entropiei disipative.

Producția de hormoni sexuali masculini la animalele terestre cu sânge cald diferă de producerea altor substanțe necesare organismului. Esența problemei este că acest hormon trebuie să conțină o cantitate imensă de informații pe care organismul - tăticul dorește să le transfere la oul feminin. El este preocupat de transferul proprietăților și trăsăturilor sale către copilul său, deoarece i-au permis tatălui să supraviețuiască în macrocosmosul care îl înconjoară.

Specialiștii în teoria informației susțin că informația nu există fără purtătorii săi de materiale. Și un astfel de purtător de informații despre proprietățile și trăsăturile papei este molecula hormonală, mai precis, arhitectura sa, setul și dispunerea fragmentelor, radicalilor și atomilor elementelor din tabelul D.I. Mendeleev. Și cu cât este mai mare cantitatea de informații, cu atât este mai detaliată și mai detaliată, cu atât este mai complexă molecula hormonală. Un pas spre dreapta, un pas spre stânga - se formează o mutație, o abatere de la visele tatălui. În consecință, sinteza unei astfel de molecule înseamnă o scădere semnificativă a entropiei în sistem și, în același timp, producerea unei cantități și mai mari de entropie disipativă într-o celulă umană.

O simplă analogie este construirea unei clădiri. Construcția Palatului de iarnă al țarului din Sankt Petersburg cu toate excesele arhitecturale și luxul său înseamnă o scădere puternică a entropiei în comparație cu construcția de colibe ale satului din aceeași zonă utilizabilă, dar cantitatea de gunoi (entropie) după finalizare este incomensurabilă.

Producerea de hormoni sexuali masculi la animalele terestre cu sânge cald generează entropie disipativă atât de intens încât lichidul intercelular cu vasele de sânge nu îl poate elimina la fel de mult din celule. Bărbatul sărac a trebuit să izoleze aceste organe afară pentru a sufla aer rece atmosferic. Dacă un tânăr se așează pe o bancă din metrou sau într-un autobuz, cu genunchii deschiși la indignarea bătrânelor sale vecine, atunci nu-l acuzați de grosolănie, aceasta este entropie. Și băieții cu vârsta sub 15 ani, bătrânii și femeile de toate vârstele stau cu genunchii în mod modest și cultural schimbați.

Și în oul feminin, după formarea sa, au loc transformări chimice, care îl mențin într-o stare „pregătită pentru luptă”. Dar entropia crește inexorabil cu timpul, în esență nu există eliminarea căldurii, corpul trebuie să scoată un ou și apoi să facă unul nou, creând o mulțime de probleme pentru frumoasele noastre doamne. Dacă acest lucru nu se face, atunci fie nu va exista o concepție, fie se vor naște tot felul de filme de groază. Alte mamifere nu au aceste probleme cu entropia în ou, sunt gata pentru naștere pentru o perioadă scurtă de timp și chiar strict discret: elefanți - o dată la 5-6 ani, maimuțe mari - o dată la 3 ani, vaci - o dată pe an, pisicile - de 3-4 ori pe an. Dar omul este aproape continuu. Și de ce era natura atât de împovărătoare pentru el? Sau, poate, te-a făcut fericit? Secret!

În termeni termodinamici, sistemele deschise (biologice) în proces de funcționare trec printr-un număr de stări de neechilibru, care, la rândul lor, este însoțit de o modificare a variabilelor termodinamice.

Menținerea stărilor de neechilibru în sistemele deschise este posibilă numai datorită creării de fluxuri de materie și energie în acestea, ceea ce indică necesitatea de a considera parametrii unor astfel de sisteme ca funcții ale timpului.

Schimbarea entropiei unui sistem deschis poate avea loc datorită schimbului cu mediul extern (d e S) și datorită unei creșteri a entropiei în sistem în sine datorită proceselor interne ireversibile (d i S> 0). E. Schrödinger a introdus conceptul că schimbarea totală a entropiei unui sistem deschis constă din două părți:

dS = d e S + d i S.

Diferențierea acestei expresii, obținem:

dS / dt = d e S / dt + d i S / dt.

Expresia rezultată înseamnă că rata de modificare a entropiei sistemului dS / dt este egală cu rata schimbului de entropie între sistem și mediu plus rata de generare a entropiei din sistem.

Termenul d e S / dt, care ia în considerare procesele de schimb de energie cu mediul, poate fi atât pozitiv cât și negativ, astfel încât pentru d i S> 0, entropia totală a sistemului poate crește și scădea.

Negativ d e S / dt< 0 соответствует тому, что отток положительной энтропии от системы во внешнюю среду превышает приток положительной энтропии извне, так что в результате общая величина баланса обмена энтропией между системой и средой является отрицательной. Очевидно, что скорость изменения общей энтропии системы может быть отрицательной при условии:

dS / dt< 0 if d e S/dt < 0 and |d e S/dt| >d i S / dt.

Astfel, entropia unui sistem deschis scade datorită faptului că în alte părți ale mediului extern există procese conjugate cu formarea entropiei pozitive.

Pentru organismele terestre, schimbul general de energie poate fi simplificat ca formare în fotosinteză a moleculelor complexe de carbohidrați din CO 2 și H 2 O cu degradarea ulterioară a produselor fotosintetice în procesul de respirație. Acest schimb de energie asigură existența și dezvoltarea ambelor organisme separate - legături în ciclul energetic. La fel și viața pe Pământ în general.

Din acest punct de vedere, scăderea entropiei sistemelor vii în procesul activității lor vitale se datorează în cele din urmă absorbției cuantelor de lumină de către organismele fotosintetice, care, totuși, este mai mult decât compensată de formarea entropiei pozitive în interiorul Soarelui. Acest principiu se aplică și organismelor individuale, pentru care aprovizionarea cu substanțe nutritive din exterior care transportă un aflux de entropie „negativă” este întotdeauna asociată cu producția de entropie pozitivă atunci când acestea se formează în alte părți ale mediului extern, astfel încât totalul schimbarea entropiei în sistemul organismului + mediul extern este întotdeauna pozitivă ...

În condiții externe constante într-un sistem deschis parțial echilibrat într-o stare staționară apropiată de echilibrul termodinamic, rata de creștere a entropiei datorată proceselor interne ireversibile atinge o valoare pozitivă minimă constantă zero.

d i S / dt => A min> 0

Acest principiu al creșterii minime a entropiei sau teorema lui Prigogine este un criteriu cantitativ pentru determinarea direcției generale a modificărilor spontane într-un sistem deschis aproape de echilibru.

Această condiție poate fi reprezentată într-un alt mod:

d / dt (d i S / dt)< 0

Această inegalitate mărturisește stabilitatea stării staționare. Într-adevăr, dacă sistemul se află într-o stare staționară, atunci nu îl poate părăsi spontan din cauza schimbărilor interne ireversibile. Când sistemul se abate de la o stare staționară, trebuie să aibă loc procese interne care o readuc într-o stare staționară, ceea ce corespunde principiului Le Chatelier - stabilitatea stărilor de echilibru. Cu alte cuvinte, orice abatere de la o stare de echilibru va determina o creștere a ratei producției de entropie.

În general, scăderea entropiei sistemelor vii are loc din cauza energiei libere eliberate în timpul descompunerii nutrienților absorbiți din exterior sau din cauza energiei soarelui. În același timp, acest lucru duce la o creștere a energiei lor libere.

Astfel, fluxul de entropie negativă este necesar pentru a compensa procesele distructive interne și pierderea de energie liberă din cauza reacțiilor metabolice spontane. În esență, vorbim despre circulația și transformarea energiei libere, datorită cărora se menține funcționarea sistemelor vii.