ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Термодинамические критерии достижения и устойчивости стационарных состояний из "Биофизика Т.1" В стационарном состоянии концентрации промежуточных продуктов перестают изменяться со временем, что достигается при определенных соотношениях между скоростями различных химических процессов, ответственных за образование и распад промежуточных соединений (см. гл. I). В открытой системе суммарное изменение энтропии в стационарном состоянии равно нулю йЗ = -V (1 3 = 0. Однако при этом члены (1еЗ и (1 3, соответствуюш ие процессам обмена системы с окружаюш ей средой и внутренним необратимым процессам внутри системы, отличны от нуля. Возникает вопрос каким образом изменение энтропии за счет самопроизвольных необратимых процессов внутри открытой системы связано с установлением в ней стационарного неравновесного состояния Иными словами, можно ли по характеру изменения во времени величины ( З/сИ, предсказать установление в открытой системе стационарного состояния В такой постановке эта проблема сходна с проблемой классической термодинамики о предсказании направления самопроизвольных необратимых процессов в изолированной системе на основе характера изменения ее энтропии. В последнем случае необратимые изменения всегда идут в направлении увеличения энтропии, которая достигает своего максимального значения в конечном равновесном состоянии [см. (У.1.4)]. [c.137] Другим важным вопросом является устойчивость неравновесных стационарных состояний к внешним возмуш ениям и самопроизвольным флуктуациям в системе и изучение этих свойств по изменению величины продуцирования энтропии. [c.137] Это заключение будет справедливо и в общем случае, если в системе протекает несколько процессов, связанных между собой уравнениями Онзагера. Формулы (V.4.5) и (V.4.6) выражают следующий важный результат, полученный в термодинамике необратимых процессов для открытых систем, находящихся вблизи равновесного состояния. [c.138] При неизменных внешних условиях в частично равновесной открытой системе в стационарном состоянии, близком к термодинамическому равновесию, значение скорости прироста энтропии за счет внутренних необратимых процессов достигает отличного от нуля постоянного минимального положительного значения. [c.138] Пользуясь терминологией гл. I, можно заключить, что вблизи равновесия устойчивому стационарному состоянию соответствует особая точка устойчивый узел . [c.140] Биологические приложения. Суш ествует большое количество работ, посвяш ен-ных анализу различных биологических явлений на основе развитых выше представлений термодинамики необратимых процессов. В основном они связаны либо с исследованием обш их свойств живых систем, таких, как рост, развитие, адаптация к внешним условиям, либо с изучением отдельных конкретных процессов клеточного метаболизма. [c.140] Среди работ первой группы следует прежде всего отметить попытки создать обшую термодинамическую теорию роста, впервые выдвинутую И. Р. Пригожиным и Дж. М. Виам в 1946-1947 гг. [c.140] Как было показано в (У.2.20), о скорости продуцирования энтропии в некоторых случаях можно судить по выделению потока теплоты, который сопровождает необратимые изменения в системе. Именно это обстоятельство лежит в основе измерений удельной теплопродукции организмов. [c.141] Авторы таких работ исходят из того, что основной поток теплоты в клетке действительно отражает удельную скорость продуцирования энтропии. В то же время теплопродукция клетки обусловлена процессами дыхания или анаэробного гликолиза и поэтому может быть оценена по характеру поглощения кислорода или образованию гликолитических продуктов. [c.141] Существует большой экспериментальный материал, иллюстрирующий приложение изложенных выше представлений к биологическим процессам развития зародышей, роста и старения организмов, регенерации тканей после поражения. [c.141] Измерения скорости теплопродукции, отнесенной к единице сухой массы, показали на различных объектах, что этот параметр непрерывно уменьшается, начиная с первых стадий развития организма. На рис. У.З изображены типичные кривые теплопродукции зародышей рыб (икры форели) и зародышей кур (целые яйца). Измерения удельной интенсивности дыхания в те же периоды эмбрионального развития обнаруживают сходные картины. Аналогичные исследования, проведенные на животных организмах и человеке, позволили получить данные по уменьшению удельной скорости продуцирования энтропии и интенсивности дыхания, аналогично результатам, характеризующим период эмбрионального развития. Сходная картина может наблюдаться не только на целых организмах, но и на изолированных органах и тканях. [c.141] что в настояш ее время детальное кинетическое описание основных процессов роста не представляется возможным, поскольку неизвестно также подробно, каким образом характер их взаимодействия определяет его конечный результат. [c.142] Па этом примере видны и трудности в применении представлении термодинамики к описанию сложных систем. В самом деле, для проверки выполнения линейных соотношении Онзагера и в любом случае для вычисления скорости диссипации энергии или теплопродукции на всем протяжении развития необходимо знать характер дифференциальных уравнении, описываюш их кинетику превраш е-ний веш еств в изучаемом объекте. Однако поведение такой системы во времени определяется кинетическими закономерностями, а вычисление на основе кинетических данных термодинамических диссипативных функций мало что дает нового в отношении предсказанного поведения системы во времени по сравнению с кинетическим анализом ее динамических свойств. В этом случае вычисление скорости продуцирования энтропии может иметь значение только для оценки энергетической эффективности рассматриваемых процессов, тем более что суш ествуют трудности (У.2.20) в интерпретации данных по термогенезу сложных биологических систем, зависяш ему от степени сопряжения процессов и, следовательно, от состояния мембранных структур. [c.142] Применение методов термодинамики необратимых процессов является оправданным в случае сравнительно простых и частных реакций клеточного метаболизма, для которых суш ествует соответствуюш ее кинетическое описание, но не в случае такого рода явлений, как рост и развитие организма, включаюш их всю совокупность метаболических реакций. [c.142] Как известно, метаболический цикл представляет собой открытую систему последовательных реакций, в ходе которых поступаюш ий субстрат перерабатывается таким образом, что происходит регенерация исходного продукта. [c.142] Реакции цикла на каждом из промежуточных звеньев могут сопровождаться выбросом в окружаюшую среду продуктов превраш ения и поступлением извне субстрата, а также диссипацией энергии, заключенной в молекулах последнего. Использование клеткой промежуточных и конечных продуктов, а также освобождаемой в цикле энергии и определяет основную роль циклических превраш ений в клеточном метаболизме. [c.142] После совершения одного оборота цикла через время т система вновь вернется в первоначальное состояние, а следовательно, через время т изменение значения ее термодинамического потенциала будет равно нулю АО = 0. Ясно, что при этом для внешней среды АО ф О, так как именно за счет взаимодействия с внешней средой и совершился оборот цикла с произведенной им за это время работой. [c.143] Полученное выражение позволяет сравнивать между собой различные циклы в отношении их энергетической эффективности. В самом деле, пусть имеются две системы, для которых = А0 2- Очевидно, что если Т1 тг, то из (У.4.14) следует, что Р1 Рг- Иными словами, скорость диссипации энергии в первом цикле больше, чем во втором, при том же самом значении совершенной работы (Т. Мицунойя, 1959). [c.143] Нельзя конечно забывать об ограничениях, налагаемых при этом на систему в силу ее частично равновесного состояния и нахождения в области линейной термодинамики. Вместе с тем необходимо критически отнестись и к существующим попыткам объяснить направление эволюционного процесса в живых системах на основании развитых выше термодинамических представлений. [c.143] В изложенных представлениях прежде всего вызывает сомнение справедливость биологических предпосылок такой чисто энергетической трактовки при оценке эволюционного положения разных организмов. Очевидно, также невозможно свести изменение характера клеточного метаболизма в процессе эволюции к одному лишь увеличению числа отдельных стадий в биохимических превращениях. [c.144] Вернуться к основной статье