5.1: Дуже мало термодинаміки
- Page ID
- 2742
Хоча різноманітність організмів і унікальні властивості кожного окремого організму є продуктами еволюційних процесів, започаткованих мільярди років тому, не менш важливо визнати, що всі біологічні системи і процеси, від росту і поділу клітин до думок і почуттів, підкоряються правилам хімії та фізики, зокрема законів термодинаміки. Що робить біологічні системи унікальними, полягає в тому, що, на відміну від простих фізико-хімічних систем, які рухаються до термодинамічної рівноваги, організми повинні підтримувати нерівноважний стан, щоб залишатися живими. Хоча хімічну реакційну систему легко зібрати de novo, кожна біологічна система працює безперервно протягом мільярдів років. Отже, перш ніж ми продовжимо, ми зрозуміли, що це означає і має на увазі, коли ми говоримо, що система знаходиться в рівновазі проти перебування в облігатному нерівноважному стані.
Щоб зрозуміти значення термодинамічної рівноваги, ми повинні навчитися бачити світ по-іншому, і вивчати нові значення для ряду слів. Спочатку ми повинні чітко розмежувати макроскопічний світ, який ми безпосередньо сприймаємо, і субмікроскопічним, молекулярним світом, який ми можемо зрозуміти на основі наукових спостережень і висновків - саме цей молекулярний світ особливо важливий в контексті біологічних систем. Макроскопічний і молекулярний світи поводяться дуже по-різному. Щоб проілюструвати цей момент, ми використаємо простішу модель, яка відображає основні способи поведінки, які ми хочемо розглянути, але не настільки складна, як біологічна система. У нашому випадку розглянемо невелику, добре ізольовану, наповнену повітрям кімнату, в якій стоїть стіл із золотим злитком — ми використовуємо золото, оскільки воно хімічно досить інертне, тобто нереактивне. Залізні прутки, наприклад, могли іржавіти, що ускладнило б речі. У нашій моделі кімната спочатку має затишну 70 ºF (~ 21 ºC), а золотий злиток - 200ºC. Що буде? Чи можете ви створити графік, який описує, як система буде вести себе з часом? Нашим першим завданням є визначення системи — тобто тієї частини Всесвіту, в якій ми зацікавлені. Ми могли б визначити систему як золотий злиток або кімнату із золотим злитком у ньому. Зверніть увагу, ми насправді не стурбовані тим, як система стала такою, якою вона є, її історією. Ми могли б, якби хотіли, досить переконливо продемонструвати, що історія системи не матиме впливу на її подальшу поведінку — це критична різниця між біологічними та простими фізико-хімічними системами. Наразі ми будемо використовувати утеплене приміщення як систему, але це насправді не має значення, поки ми чітко визначимо, якою ми вважаємо систему.
Здоровий глузд говорить нам, що енергія буде передаватися із золотого злитка та решти кімнати і що температура золотого злитка з часом зменшиться; поведінка системи має часовий напрямок. Чому ви думаєте, що це так? Чому гарячий бар не стає гарячішим, а кімната стає прохолоднішою? До цього питання ми повернемося найближчим часом. Що може бути не настільки очевидним, так це те, що температура в приміщенні також трохи підвищиться. Врешті-решт блок золота і кімната досягнуть однакової температури, і система, як кажуть, знаходиться в рівновазі.
Пам'ятайте, ми визначили систему як ізольовану від решти Всесвіту, але що це означає? В основному, незалежно від того, чи переходить енергія в приміщення або з неї - така система називається замкнутою системою. Оскільки це закрита система, як тільки система досягне кінцевої температури, NºC, подальших макроскопічних змін не відбудеться. Це не означає, однак, що нічого не відбувається. Якби ми могли подивитися на молекулярний рівень, ми побачили б, що молекули повітря рухаються, постійно стикаючись один з одним і з молекулами всередині бару і таблиці. Молекули всередині бару та столу також вібрують. Ці зіткнення можуть змінювати швидкості стикаються молекул. (Що станеться, якщо в приміщенні не було повітря? Як би це змінило ваш графік поведінки системи?) Швидкість цих молекулярних рухів є функцією температури, чим вище (або нижче) температура, тим швидше (або повільніше) ці рухи будуть. Як ми розглянемо далі, всі молекули в системі мають кінетичну енергію, яка є енергією руху. Завдяки їх взаємодіям кінетична енергія будь-якої конкретної молекули буде постійно змінюватися. На молекулярному рівні система динамічна, хоча на макроскопічному рівні вона статична. Ми повернемося до цього розуміння неодноразово в наших міркуваннях біологічних систем.
І це те, що важливо в системі в рівновазі: вона статична. Навіть на молекулярному рівні, поки ще є рух, чистих змін немає. Енергія двох стикаються молекул однакова після зіткнення, як і раніше, хоча енергія може розподілятися по-різному між стикаються молекулами. Система в цілому нічого не може зробити. У фізичному плані він не може працювати - макроскопічні зміни неможливі. Це дивна ідея, оскільки (на молекулярному рівні) речі все ще рухаються. Отже, якщо ми повернемося до живих систем, які явно здатні робити багато речей, в тому числі рухатися макроскопічно, рости, мислення тощо, зрозуміло, що вони не можуть бути в рівновазі.
Ми можемо запитати, що необхідно, щоб система не досягла рівноваги? Найбільш очевидною відповіддю (ми вважаємо) є те, що на відміну від нашої уявної замкнутої кімнатної системи, нерівноважна система повинна бути відкритою, тобто енергія і матерія повинні вміти входити і виходити з неї. Відкрита система вже не ізольована від решти Всесвіту, вона є її частиною. Наприклад, ми могли б уявити собі систему, в якій енергія, у вигляді випромінювання, може увійти і покинути нашу кімнату. Ми могли б підтримувати різницю в температурі між барною стійкою і кімнатою, висвітлюючи барну стійку і відводячи тепло з кімнати в цілому. Різниця температур між барною стійкою та кімнатою може тоді (теоретично) виробляти те, що відомо як тепловий двигун, який може виконувати роботу (тобто виробляти макроскопічні зміни.) Поки ми продовжуємо нагрівати один блок і відводити тепло з решти системи, ми можемо продовжувати робити роботу, тобто можуть відбуватися макроскопічно спостерігаються зміни.
Криптобіоз: На даний момент ми охарактеризували організми як динамічні, відкриті, нерівноважні системи. Очевидним винятком з динамічного аспекту життя є організми, які проявляють досить особливу фенотипічну адаптацію, відому в загальному сенсі як криптобіоз. Організми, такі як тардіград (або водяний ведмідь), можуть бути сублімовані і зберігатися в стані анабіозу десятиліттями. Однак критично важливо відзначити, що коли в цьому криптобіотичному стані організм не знаходиться в рівновазі, приблизно так само, як шматок дерева в повітрі не знаходиться в рівновазі, але здатний реагувати. Організм може бути реанімований при поверненні до нормальних умов 147. Криптобіоз - це генетично заснована адаптація, яка потребує енергії для виробництва, а енергія використовується для виходу із стазу. Хоча поведінка тардиградів є екстремальною, багато організмів демонструють цілий ряд адаптивних форм поведінки, які дозволяють їм пережити ворожі умови навколишнього середовища.