Неравновесная термодинамика в биологии

Принципы неравновесной термодинамики в биологических системах

В биологии преобладают открытые системы — организмы и клеточные структуры, находящиеся в непрерывном обмене веществом и энергией с окружающей средой. В отличие от замкнутых или изолированных систем, к которым применяется классическая термодинамика, живые системы функционируют в условиях постоянных потоков, что делает необходимым применение формализма неравновесной термодинамики.

Открытая система характеризуется:

поступлением энергии и вещества извне,
внутренней переработкой этих потоков,
выбросом продуктов реакции и тепла во внешнюю среду.

Это обуславливает устойчивое существование структур вдали от термодинамического равновесия.

Энтропия и производство энтропии

Одним из центральных понятий неравновесной термодинамики является производство энтропии. В открытых системах поддержание порядка достигается за счёт увеличения энтропии окружающей среды. При этом:

Внутри системы локально может происходить уменьшение энтропии, например, при формировании макромолекул, укладке белков, организации мембран.
Общий прирост энтропии системы + среды остаётся положительным, в соответствии с вторым началом термодинамики.

Производство энтропии в биологических процессах описывается соотношением:

σ = ∑_iJ_iX_i

где σ — плотность производства энтропии, J_i — поток, а X_i — сопряжённая термодинамическая сила.

Линейные законы и приближение близости к равновесию

Работы Ларса Онзагера позволили обосновать линейные законы переноса вблизи равновесия. В этом приближении потоки и силы связаны соотношением:

J_i = ∑_jL_ijX_j

где L_ij — кинетические коэффициенты, подчиняющиеся симметрии Онзагера: L_ij = L_ji.

Применение этих соотношений в биологических системах позволяет моделировать:

диффузию веществ через мембраны,
теплоперенос,
электрические токи (например, в мембранах нейронов),
сопряжённые процессы — например, перенос ионов вместе с глюкозой.

Дальние от равновесия режимы: автоколебания и диссипативные структуры

Многие процессы в биологии выходят за пределы линейной области, где применимы уравнения Онзагера. В таких случаях системы могут демонстрировать самоорганизацию, ведущую к возникновению:

Автоколебаний (пример — колебания концентрации NADH в митохондриях),
Химических волн (например, волны Са²⁺ в цитоплазме),
Пространственно-временных структур (реакции типа Белоусова-Жаботинского),
Диссипативных структур — упорядоченных состояний, поддерживаемых за счёт постоянного потребления энергии (впервые описаны Пригожиным).

Живые организмы используют диссипативные структуры как способ локального поддержания порядка в условиях постоянных энергетических потоков.

Биохимические реакции и термодинамические силы

Биохимические реакции в клетке сопровождаются обменом энергии и вещества. Термодинамическая сила для химической реакции выражается как:

$$ X = -\frac{\Delta G}{T} $$

где ΔG — изменение свободной энергии Гиббса, T — температура.

Реакция идёт в направлении уменьшения ΔG. Однако в условиях открытых систем возможно устойчивое протекание реакций с положительным ΔG при наличии сопряжённого процесса с большим отрицательным ΔG (например, гидролиз АТФ). Это лежит в основе энергетического сопряжения процессов.

Мембранный транспорт и неравновесная термодинамика

Мембраны — ключевые элементы в биосистемах, участвующие в активном транспорте веществ. Потоки веществ через мембрану могут быть описаны уравнениями неравновесной термодинамики:

для пассивного транспорта — градиенты концентраций и электрического потенциала,
для активного транспорта — участие внешнего источника энергии, например, АТФ.

Пример: натрий-калиевый насос (Na⁺/K⁺-АТФаза) использует энергию гидролиза АТФ для создания и поддержания градиента ионов, необходимого для генерации мембранного потенциала и проведения нервных импульсов.

Необратимость и направленность времени

Неравновесная термодинамика даёт фундаментальное объяснение необратимости биологических процессов. Хотя на молекулярном уровне законы микродинамики обратимы во времени, макроскопические процессы, такие как:

метаболизм,
рост клетки,
передача сигнала,

носят чётко выраженную направленность. Это объясняется тем, что живые системы находятся в состоянии дальнем от равновесия, где роль энтропийного потока приводит к естественному выделению направления времени.

Самоорганизация и жизненные циклы

В рамках неравновесной термодинамики рассматриваются условия самоорганизации биологических структур. Примеры включают:

морфогенез (формирование пространственной структуры тканей),
митоз (организация веретена деления),
синхронизацию осцилляций в нейронных сетях.

Все эти процессы предполагают постоянное потребление энергии и присутствие механизмов обратной связи, что типично для открытых неравновесных нелинейных систем.

Информационные аспекты и порядок

Принципы неравновесной термодинамики связываются с потоком информации в живых системах. Поддержание структуры и функциональности клетки связано с обработкой и хранением информации, что требует затрат энергии. Согласно работам Брингуина и Ландауэра:

Удаление информации (например, при репликации ДНК) связано с увеличением энтропии.
Создание порядка требует энергетических затрат, что проявляется в синтезе белков, регуляции транскрипции и трансляции.

Живые системы — это энергетически открытые и информационно упорядоченные структуры, существующие благодаря непрерывному обмену энергией и веществом с внешней средой.

Математическое моделирование неравновесных биопроцессов

Для количественного описания биологических процессов вдали от равновесия используются:

Уравнения реакционно-диффузионного типа (Фишера, Тьюринга),
Нелинейные уравнения Ланжевена и Фоккера-Планка,
Методы теории бифуркаций и хаоса,
Теория стохастических процессов (например, флуктуации в экспрессии генов).

Модели такого рода позволяют анализировать устойчивость, колебательные режимы, самоорганизацию и фазовые переходы в биологических системах.