Особенности термодинамики биологических систем
Биологические системы являются открытыми системами, обменивающимися как энергией, так и веществом с окружающей средой. Их термодинамический анализ требует учета нестандартных условий: нестабильных градиентов, высокой степени неравновесности, структурной сложности, а также существования саморегулируемых механизмов.
Для описания биосистем используется формализм классической термодинамики с добавлением положений неравновесной термодинамики (теория Ильи Пригожина), что позволяет учитывать процессы самоупорядочения и поддержания далёкого от равновесия состояния.
Энергетический обмен в живом организме включает следующие ключевые компоненты:
Эти процессы можно описать уравнением энергетического баланса:
$$ \Delta U = Q - W + \sum_i \mu_i \Delta n_i, $$
где $\Delta U$ — изменение внутренней энергии, $Q$ — тепло, $W$ — выполненная работа, $\mu_i$ — химический потенциал i-го вещества, $\Delta n_i$ — изменение количества вещества.
В биосистемах наибольшее значение имеет изменение свободной энергии Гиббса:
$$ \Delta G = \Delta H - T\Delta S, $$
где $\Delta G$ — изменение свободной энергии, $\Delta H$ — изменение энтальпии, $\Delta S$ — изменение энтропии, $T$ — температура.
Реакция будет спонтанной, если $\Delta G < 0$. В организме такие реакции сочетаются с эндергоническими процессами посредством энергетической связи — например, за счет гидролиза АТФ:
$$ \text{АТФ} + \text{H}2\text{O} \rightarrow \text{АДФ} + \text{Ф}{\text{н}} \quad \Delta G^\circ \approx -30,5\ \text{кДж/моль}. $$
Этот процесс используется для "энергозаправки" невыгодных реакций.
Биохимические системы также подчиняются принципу Ле Шателье: при внешнем воздействии (изменении концентрации, температуры, давления) система стремится компенсировать изменение.
Например, увеличение концентрации глюкозы в клетке ускоряет её фосфорилирование гексокиназой, снижая концентрацию глюкозы за счёт включения её в метаболический путь.
Энтропия в биосистемах имеет особое значение. На первый взгляд, высокая упорядоченность организма (низкая энтропия) противоречит Второму началу термодинамики. Однако живые системы снижают свою энтропию за счет повышения энтропии окружающей среды — например, выделения тепла, углекислого газа, воды.
Жизнь возможна благодаря неравновесным процессам, при которых организмы, потребляя энергию, поддерживают упорядоченность (структуру, мембраны, информационные молекулы) за счёт общей положительной энтропии всей системы «организм + окружающая среда».
Химический потенциал $\mu$ — фундаментальная величина, определяющая направление переноса вещества и хода реакции. Для биохимических реакций, протекающих в растворах, он записывается как:
$$ \mu_i = \mu_i^\circ + RT \ln a_i, $$
где $\mu_i^\circ$ — стандартный химический потенциал, $a_i$ — активность компонента, $R$ — универсальная газовая постоянная, $T$ — температура.
Изменение химических потенциалов определяет энергетическую целесообразность биохимических реакций и транспортных процессов через мембраны.
Мембраны играют центральную роль в термодинамике клетки. Через них осуществляется:
Электрохимический потенциал для иона $i$ записывается:
$$ \mu_i = \mu_i^\circ + RT \ln a_i + z_i F \phi, $$
где $z_i$ — заряд иона, $F$ — постоянная Фарадея, $\phi$ — электрический потенциал.
Градиент электрохимического потенциала определяет движение ионов и лежит в основе генерации мембранного потенциала, а также синтеза АТФ в митохондриях (модель хемиосмотического сопряжения П. Митчелла).
Биологические системы существуют вдали от равновесия. Это состояние поддерживается за счёт постоянного притока энергии, что позволяет возникновению диссипативных структур — устойчивых, упорядоченных состояний, возникающих в условиях неравновесия.
Илья Пригожин сформулировал принципы неравновесной термодинамики, применимые к биосистемам:
Это объясняет существование клеточных структур, периодических колебаний концентраций (например, реакция Белоусова–Жаботинского), биологических ритмов.
Термодинамика объясняет температурные границы жизнедеятельности. Каждая биологическая система имеет оптимальный температурный диапазон, в пределах которого возможны эффективные реакции и поддержание структуры.
Ключевые термодинамические аспекты температурной адаптации:
Биосинтез макромолекул (ДНК, белков, полисахаридов) требует затрат свободной энергии. Каждая ступень процесса сопряжена с гидролизом богатых энергией соединений (чаще всего АТФ, ГТФ).
При этом особый интерес представляет связь между термодинамикой и информацией: синтез ДНК и РНК, транскрипция, трансляция — это процессы передачи и преобразования информационной энтропии в физическую структуру. Теория информации Шеннона находит здесь применение в оценке термодинамической стоимости создания порядка на молекулярном уровне.
Рост живого организма — это не только увеличение массы, но и усложнение структуры, что сопровождается локальным снижением энтропии. Однако это возможно лишь при затратах энергии и увеличении энтропии окружающей среды.
Модель роста может быть описана через:
Современные подходы используют энергетические и энтропийные балансы, включая потоковые величины в открытых системах.
Биологическая термодинамика объединяет физику, химию и биологию, предоставляя универсальный язык для описания сложнейших процессов, лежащих в основе жизни.