Второе начало термодинамики и живые организмы

Первое начало термодинамики не дает ответа на вопрос о том, почему процесс, связанный с трансформацией энергии, проте­кает именно в данном направлении; насколько полно осуществля­ется превращение энергии; каковы реальные пределы протекания того или иного биохимического процесса.

Второе начало термодинамики позволяет судить о направлении протекания процесса и, таким образом, дополняет первое начало термодинамики.

Формулировку второго начала термодинамики впервые дали независимо друг от друга Р. Клаузиус и У. Томпсон (1850-1851). Р. Клаузиус: "Теплота не может переходить сама собой от более хо­лодного тела к более теплому".

Второе начало не имеет столь простой и общепринятой формулировки, как первое, и формулируется по-разному, в зависимости от той группы явлений, к которой оно прилагается.

Важной физической величиной, используя которую можно сфор­мулировать второе начало термодинамики в более общем виде, яв­ляется еще один термодинамический параметр систем - энтропия.

Энтропия - это мера неупорядоченности состоя­ния системы. Энтропия измеряется в тех же единицах, что и тепло­емкость, - Дж/моль∙К, где К - температура по Кельвину.

Энтропия является таким же свойством термодинамической сис­темы, как температура, давление и др. В любом теле (лист бумаги) содержится определенная энтропия; так же, как и внутренняя энер­гия, энтропия системы растет с ее массой и равна сумме энтропии подсистем, она увеличивается при повышении температуры за счет усиления теплового движения молекул. Аналогичное увеличение энтропии наблюдается при переходе вещества из твердого состоя­ния в жидкое. Для вычисления изменения энтропии ΔS биохимиче­ской реакции из суммы изменения энтропии продуктов реакции вычитают сумму изменения энтропии исходных веществ.

Изменение энтропии ΔS системы равно отношению количества теплоты (d Q), сообщенного системе, к темпе­ратуре (Т):

ΔS = d Q/T

Если ввести понятие энтропии, то второе начало термодинамики можно сформулировать так: энтропия изолированной системы воз­растает в необратимом процессе и остается неизменной в обрати­мых термодинамических процессах. Уравнение второго закона тер­модинамики:

ΔS ≥ d Q/T

Сущность второго начала термодинамики для изолированных си­стем состоит в том, что все необратимые процессы протекают в та­ком направлении, в котором энтропия системы увеличивается.

Энтропия - это часть общей энергии клетки, которая не может быть использована в данной системе. Согласно второму началу термодинамики энтро­пия изолированной системы стремится к максимуму, при котором достигается равновесие и реакция прекращается. Если атомы в мо­лекуле упорядочены, то энтропия системы низка.

Второй закон термодинамики показывает, что не все виды энер­гии эквивалентны. По качеству их можно разделить на 3 класса (А, В, С) соответственно величине энтропии. Такие виды энергии, как гравитационная, световая и электрическая, наиболее эффективно, т.е. с наименьшей энтропией, могут быть превращены в другие ее виды, и они относятся к классу А. В класс В (среднего качества) по­падает химическая энергия. Тепловая энергия относится к классу С (низкое качество) - это энергия с максимальной энтропией.

Живые организмы - системы открытые, и изменение энтропии для них складывается из продукции энтропии внутри организма за счет необратимых биохимических процессов и обмена энтропией с окружающей средой.

Формулировка второго закона термодинамики для живых орга­низмов: скорость изменения энтропии в организме равна алгебраи­ческой сумме производства энтропии внутри организма и скорости поступления энтропии из среды в организм.

Биологические про­цессы могут сопровождаться самопроизвольным уменьшением энт­ропии. Так, рост и развитие организмов сопровождается усложнением их организации и с точки зрения классической термодинамики выглядит как самопроизвольное уменьшение энтропии и увеличение (накопление) свободной энергии. Дело в том, что свободная энергия не может возрастать лишь в изолированной системе. Живые орга­низмы, как системы открытые, в процессе автотрофного и гетерот­рофного питания получают свободную энергию из окружающей среды. Поэтому второй закон термодинамики применительно к жи­вым организмам надо рассматривать, учитывая их взаимодействие с окружающей средой. С этой точки зрения уменьшение энтропии и увеличение свободной энергии фотосинтезирующих организмов происходит благодаря уменьшению свободной энергии и увеличе­нию энтропии в системе Солнце-Земля (ядерные реакции на Солн­це) и общий баланс энтропии автотрофов соответствует второму на­чалу термодинамики.

Точно так же уменьшение энергии в частях клетки, где идет био­химический синтез, происходит за счет избыточного увеличения энтропии в реакциях диссимиляции, и общий баланс энтропии уве­личивается. Поэтому живые организмы подчиняются второму нача­лу термодинамики, когда речь идет о круговороте и превращениях свободной энергии в системе организм - окружающая среда.