Связь между энтропией и биологической системой

СВЯЗЬ МЕЖДУ ЭНТРОПИЕЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ

Шекеева К.К.

Казахский Национальный Медицинский университет имени С.Д.Асфендиярова, кафедра физической химии, город Алматы

Ключевые слова: термодинамика, энтропия, стационарное состояние,

Актуальность. Среди термодинамических функций, характеризующих энергетическое состояние биологического объекта, исключительно важное место занимает энтропия. Понятие энтропии было введено в 1865 году Рудольфом Клаузиусом, и с тех пор энтропия широко используется и физико-химиками, и биологами. Ведь живой организм – это прежде всего энергетическая система, где действуют законы термодинамики, а биологические процессы связаны с передачей и превращением энергии.  В данной статье объясняется нормальное функционирование биологического организма на фоне естественного колебания энтропии около стационарного уровня.

Цель: обеспечить нормальное функционирование организма, которое возможно лишь при определенной «норме» хаотичности.

Материал и методы

 Всякая термодинамическая система описывается особой функцией своего состояния, называемой энтропией S. В биосистемах протекают самые разные энергетические процессы: дыхание, фотосинтез, мышечное сокращение, обмен веществ и т.д.  Биологические системы являются открытыми. В таких системах постоянно происходит процесс обмена энергией с внешней средой.                              Биологические объекты не находятся в состоянии равновесия. Процессы, проходящие в таких системах, являются необратимыми, то есть сопровождаются увеличением энтропии. Общее изменение энтропии открытой системы может происходить независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой dS, либо вследствие внутренних необратимых процессов dS1

                                               dS= dSi +dSe.                                            (1)

Во всех реальных случаях dS1>0.

Скорость изменения энтропии в открытых системах:          

                 dS / dt = dSi / dt + dSe  / dt,                                                      (2)

причем каждый член dSi / dt, dSe  / dt отличен от нуля. Следовательно, в процессе изменения энтропии в открытой системе играют роль два компонента: скорость производства энтропии в системе и скорость изменения энтропии из-за энергообмена с окружающей средой.  Согласно второму закону термодинамики, первый компонент всегда положительный. Второй компонент может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от направления энергетического обмена через границу системы.

          Увеличение энтропии означает снижение степени упорядоченности и организованности в системе, ее хаотизацию. А Нормальное функционирование организма, возможно лишь при определенной «норме» хаотичности. При этом хаотичность, а значит и энтропия S в биологической системе как в состоянии физиологической нормы, так и в состоянии хронического патологического процесса может изменяться в определенных узких пределах, обеспечивать подвижность системы и скорость ее реакции на изменяющиеся условия, что может быть условием обеспечения ее функциональной активности и в конечном итоге условием существования.