Энергетика живых систем

Фундаментальными работами И.Р.Пригожина установлено, что вся термодинамика делится на три большие области: равновесную, в которой производство энтропии, потоки и силы равны нулю, слабо неравновесную, в которой термодинамические силы «слабы», и энергетические потоки линейно зависят от сил, и сильно неравновесную, или нелинейную, где энергетические потоки нелинейны, а все термодинамические процессы носят необратимый характер. Основная задача неравновесной термодинамики – количественное изучение неравновесных процессов, в частности определение их скоростей в зависимости от внешних условий. В неравновесной термодинамике системы, в которых протекают неравновесные процессы, рассматриваются как непрерывные среды, а их параметры состояния – как полевые переменные, то есть непрерывные функции координат и времени.

Слабо неравновесная (линейная) термодинамика рассматривает термодинамические процессы, происходящие в системах в состояниях, близких к равновесию. Таким образом, линейная термодинамика описывает стабильное, предсказуемое поведение систем, стремящихся к минимальному уровню активности. Первые работы в этой области принадлежат Ларсу Онсагеру, который в 1931 году впервые открыл общие соотношения неравновесной термодинамики в линейной, слабо неравновесной области – «соотношения взаимности». Суть их чисто качественно сводится к следующему: если сила «один» (например, градиент температуры) для слабо неравновесных ситуаций воздействует на поток «два» (например, на диффузию), то сила «два» (градиент концентрации) воздействует на поток «один» (поток тепла).

Таким образом, в слабо неравновесной области практически действуют законы равновесной термодинамики, система ни к чему не стремится и ее поведение в большинстве случаев вполне предсказуемо.

Сильно неравновесная термодинамика рассматривает процессы, происходящие в системах, состояние которых далеко от равновесия.

Когда термодинамические силы, действуя на систему, становятся достаточно большими и выводят ее из линейной области в нелинейную, устойчивость состояния системы и ее независимость от флуктуации значительно уменьшается.

В таких состояниях определенные флуктуации усиливают свое воздействие над системой, вынуждая ее при достижении точки бифуркации – потери устойчивости, эволюционировать к новому состоянию, который может быть качественно отличным от исходного. Происходит самоорганизация системы. Причем считается, что развитие таких систем протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На этой основе и возникло представление о самоорганизации материальных систем.

Все материальные системы, от самых малых до самых больших, считаются открытыми, обменивающимися энергией и веществом с окружающей средой и находящимися, как правило, в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Сущность жизнедеятельности биологических систем вытекает из двух законов термодинамики биологических систем.

Первый закон термодинамики биологических систем устанавливает факт того, что живые организмы могут находиться только в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии. Он формулируется следующим образом:

Живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях.

Здесь следует указать, что неживая материя, в силу законов открытых термодинамических систем, всегда находится в неустойчивом неравновесном термодинамическом состоянии.

Второй закон термодинамики биологических систем устанавливает, каким образом биологическими системами обеспечивается устойчивость неравновесного термодинамического состояния со следующей формулировкой:

Устойчивость неравновесного термодинамического состояния биологических систем обеспечивается непрерывным чередованием фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ соответственно.

Аденозинтрифосфат (АТФ) – нуклеотид, играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.

Из этих законов следует, что сущностью жизнедеятельности биологических систем является обеспечение устойчивости их неравновесного термодинамического состояния, в результате чего выделяется необходимая им свободная энергия. Поэтому вся совокупность процессов метаболизма и работа многочисленных механизмов обратных связей на всех уровнях: целостных организмов, систем, органов и клеток, управляющих этими процессами, в конечном итоге, направлена именно на эту цель, то есть на максимальную продолжительность жизни. Потеря устойчивости неравновесного термодинамического состояния означает смерть.

Исходя из изложенного и на основании приведенных выше законов термодинамики биологических систем было сформулировано определение гомеостаза.

Гомеостаз – свойство живых организмов сохранять устойчивое неравновесное термодинамическое состояние при изменениях внешних условий.

Как следует из формулировки второго закона, в живом организме устойчивость неравновесного термодинамического состояния – его среднее значение (т.е. гомеостаз) обеспечивается непрерывными динамическими процессами – энергетическими колебаниями, вызываемыми последовательными реакциями синтеза и расщепления АТФ, управляемые системами обратных связей в зависимости от условий внешней среды.

Таким образом, природой гомеостаза являются энергетические колебания, направленные на обеспечение устойчивости неравновесного термодинамического состояния биологических систем.

На основании второго закона термодинамики биологических систем получены следующие следствия:

1. В живых организмах ни один процесс не может происходить непрерывно, а должен чередоваться с противоположно направленным: вдох с выдохом, труд с отдыхом, бодрстование со сном, биохимический синтез с расщеплением и т.д.

2. Состояние любого живого организма никогда не бывает статическим, а все его биологические параметры: концентрация веществ в клетках, различные биохимические реакции, пульс, артериальное давление, температура, состав крови, физиологические реакции, функции нервной деятельности и другие всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно некоторых средних значений.

Применение второго закона позволяет объяснить природу биологических ритмов и ряд других физиологических процессов, происходящих в живых организмах, которые до настоящего времени объяснения не нашли. В частности, он позволяет раскрыть проблему биологических часов, некоторые вопросы фенотипической адаптации и другие.