ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Общие соображения из "Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов" Несмотря на очевидность того, что большинство биологических процессов протекает вдали от состояния равновесия, многие считают, что известные методы классической равновесной термодинамики в сочетании с соответствуюш,им кинетическим анализом достаточны для рассмотрения этих явлений. Примерами, такой позиции изобилует биофизическая литература. Поэтому, вероятно, полезно сказать несколько слов о том, почему эта точка зрения неверна. Как отметил много лет назад При-гожин, классическая термодинамика как метод макроскопического описания энергетики биологических процессов имеет серьезные ограничения. Этот метод основан на рассмотрении равновесных состояний и на концепции обратимых процессов (гипотетические идеальные процессы, которые протекают без нарушения равновесия и, следовательно, без прироста энтропии). Вопрос о длительности перехода из одного состояния в другое находится вне компетенции классического метода. В противоположность этому неравновесная термодинамика, яв-ляюш,аяся дальнейшим развитием термодинамического метода, основана на рассмотрении состояний, удаленных от равновесия, и сопутствуюш,их необратимых процессов (реальных процессов, в которых производится энтропия). Необходимое условие рассмотрения таких процессов — учет временного фактора в явном виде. [c.9] Главное достоинство термодинамического метода заключается в его способности предсказывать взаимосвязь между наблюдениями в отсутствие детальных сведений о структуре системы он устанавливает рамки, в пределах которых могут быть построены и испытаны на самосогласованность модели поведения систем. В этом отношении неравновесная термодинамика расширяет и дополняет классический метод. Хотя ее кинетические параметры не вытекают из специфических моделей, на них накладываются определенные ограничения, из которых следуют их наиболее вероятные величины. Мы увидим, что лучше всего прогнозируются те процессы, которые протекают в стационарном состоянии . Однако в стационарных условиях параметры состояния системы не дают информации о протекающих в ней процессах. Для изучения этих процессов необходимо рассматривать их влияние на окружение, и это действительно оказывается весьма эффективным подходом. Результирующий анализ непосредственно дает очень ценную информацию число и природу степеней свободы системы. Экспериментатору это показывает, сколько (и каких) ограничений потребуется для определения стационарного состояния системы, и позволяет предсказать взаимосвязь между такими состояниями. Зачастую эта информация будет побуждать к новым экспериментам. Теоретики получают информацию для выбора тех моделей, которые удовлетворяют соответствующим термодинамическим ограничениям. [c.10] Если мы примем этот подход, полностью зная его ограничения, то увидим бросаюш,уюся в глаза особенность, вытекающую из множества исследований, — замечательную способность неравновесной термодинамики унифицировать различные явления. Поэтому не так существенно, являются ли системы истинно линейными во всем диапазоне, представляющем интерес для биологии гораздо важнее выбрать единую четкую логическую структуру системы. Подобно этому, не обязательно, чтобы наблюдаемая линейность отражала простое линейное поведение фундаментальных кинетических параметров. Если учесть возможность сложной регуляции, то линейность вполне может быть следствием сложного взаимодействия нелинейных параметров. В противоположность громоздкому конгломерату кинетических параметров, которые часто вытекают из построения модели, феноменологические уравнения впечатляюще просты. Хотя эти уравнения не могут описывать молекулярные механизмы (если только они не интерпретируются через молекулярные параметры), они дают ограничивающие условия, которые должны выполняться в любой рассматриваемой модели, и это всегда вносит ясность в вопросы энергетики. [c.11] В следующих главах мы рассмотрим ряд общепринятых точек зрения на биологические системы. Некоторые из них основаны на моделях, другие — на классических термодинамических представлениях, которые мы считаем либо ограниченно применимыми, либо просто ошибочными. Представляя неравновесный термодинамический метод, мы сосредоточим внимание на рассмотрении вопросов, относящихся к широкому разнообразию транспортных и других энергопреобразующих систем. Для удобства мы будем неоднократно обращаться к наиболее изученным системам, которые могут быть охарактеризованы с точки зрения неравновесной термодинамики. Так, из эпителиальных тканей мы рассмотрим кожу лягушки и мочевой пузырь жабы в качестве симметричных систем будут обсуждаться главным образом митохондрии, хлоропласты и мышцы. Мышце, по праву, будет уделено большое внимание как механохи-мическому преобразователю. [c.11] ГИИ СО стехиометрическими реакциями в пробирке. Однако стехиометрия не является обязательной в том случае, когда процесс рассматривается с позиций неравновесной термодинамики. [c.12] Другой круг проблем, который нас будет интересовать,— это энергетика и эффективность утилизации энергии. Здесь также существует тенденция проводить обсуждение этих вопросов в рамках кинетических моделей. А это приводит к допущению, что молекула в ходе транспорта должна преодолевать трение, откуда и возникает понятие внутренней работы . Так же обстоит дело при рассмотрении мышечного сокращения. При оценке к. п. д. сумма внутренней работы и всей остальной работы связывается с затратами энергии. Этот расчет обычно включает как стехиометрические соотношения, так и энтальпию реакции — энергетический параметр, получаемый в опытах с калориметрической бомбой. И в этом случае анализ становится значительно яснее с позиций неравновесной термодинамики. [c.12] Этот закон легко проверяется для любого перехода между двумя данными состояниями. Необходимо отметить, что работа— это способ передачи энергии, принимающей различные формы, любая из которых в принципе может быть полностью использована для поднятия груза. Внутренняя энергия, или по терминологии Бриджмена функция внутренней энергии, является логической конструкцией, оправдываемой тем фактом, что разность между dQ и иш, каковы бы ни были их индивидуальные величины, полностью определена для любого заданного изменения состояния. [c.14] Так же как и первый закон, уравнение (2.2) легко проверяется для любого перехода между двумя данными состояниями. [c.14] Хотя уравнение (2.3) было выведено для обратимого перехода, оно применимо и в общем случае, так как все параметры являются функциями состояния. Однако для необратимого процесса величины TdS а pdV не могут уже определяться как тепло и работа соответственно. Для таких процессов dQ TdS и dW С pdV. Например, при необратимом расширении внутреннее давление р должно быть больше, чем внешнее, против которого совершается работа. [c.14] Вернуться к основной статье