Статья: Биологические ритмы как способ существования живой материи

Равновесная термодинамика (термодинамика изолированных систем);

Неравновесная термодинамика (термодинамика открытых систем).

Первой работой в области неравновесной термодинамики в биологии является опубликованная в 1935 году книга Э.Бауэра “Теоретическая биология”, в которой был сформулирован “Всеобщий закон биологии”.

Основной задачей, которую поставил перед собой Э. Бауэр - определить основные термодинамические свойства живых веществ, за которое он принимал молекулы белков в особом, неравновесном состоянии.

Несмотря на целый ряд ошибочных предположений, принципиальным научным достижением Э. Бауэра в этой работе является неопровержимое доказательство того, что вопреки теории равновесной термодинамики живые организмы могут находиться только в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии.

Э. Бауэром был сформулирован “Всеобщий закон биологии” в следующей редакции:

“Все и только 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”.

Э. Бауэром также был сформулирован “Принцип устойчивого неравновесия живых систем”:

“Для живых систем характерно именно то, что они за счет своей свободной энергии производят работу против ожидаемого равновесия”.

Значительно позже, в 50 - 70-х годах 20 века теория Э. Бауэра была полностью подтверждена работами И. Пригожина, Г. Хакена, и Р. Тома.

Как утверждает И. Пригожин: “…и биосфера в целом, и ее различные компоненты, живые или неживые, существуют в сильно неравновесных условиях. В этом смысле жизнь, заведомо укладывающаяся в рамки естественного порядка, предстает перед нами как высшее проявление происходящих в природе процессов самоорганизации ”.

Возвращаясь к работам Э. Бауэра, отметим, что, теоретически предположив наличие структур, обеспечивающих термодинамическое неравновесие, Э.Бауэром не было раскрыто, каким образом живые организмы постоянно поддерживают это неравновесное термодинамическое состояние.

Неравновесие означает, утверждает Э.Бауэр, что все структуры живых клеток на молекулярном уровне заранее заряжены "лишней", избыточной по сравнению с такой же неживой молекулой энергией, что выражается в неравенстве потенциалов, в созданном химическом или электрическом градиенте, тогда как в неживой замкнутой системе любые градиенты распределяются в соответствие с правилом энтропии равномерно.. Эту "лишнюю" энергию, существующую в живых клетках на любом уровне, Бауэр называет “структурной энергией” и понимает как деформацию, неравновесие в строении живой молекулы.

Для определения того, каким образом живыми системами обеспечивается состояние устойчивого неравновесия, проведем анализ термодинамических процессов, происходящих в живых организмах.

Как извесно из биологии, получение свободной энергии из продуктов питания и ее потребление для обеспечения жизнедеятельности живыми организмами осуществляется с помощью метаболизма – циклов обмена веществ, непрерывно происходящих в их клетках, и представляющих собой комплексы разнообразных биохимических реакций расщепления и синтеза веществ различными метаболическими путями.

Поскольку обмен веществ происходит циклами, то в клетках в соответствии с этими циклами происходят непрерывные периодические изменения концентраций веществ, участвующих в многочисленных биохимических реакциях. На рис.1. в качестве примера представлен график внутриклеточных колебаний концентрации кальция.

Рис.1. График внутриклеточных колебаний кальция..

Как видно из рис.1, внутриклеточные колебания кальция представляют собой непрерывный периодический процесс.

Среди всех биохимических реакций особую роль играют реакции синтеза из молекул углеводов и жиров, содержащихся в питательных веществах, аденозинтрифосфата (АТФ), и его последующего расщепления, в результате чего выделяется энергия. Структура АТФ показана на рис.2.

Рис.2. Структура АТФ

Как видно из рис.2, АТФ состоит из трех фосфатных групп, остатков азотистого основания аденина) и остатка сахара (рибозы). При разрыве фосфоангидридных и фосфоэфирной связей выделяется энергия.

Фосфатные группы могут быть постадийно отщеплены путем растворения в воде гидролиза) и образования ортофосфата или неорганического фосфата и аденозиндифосфата АДФ, а затем, после расщепления АДФ, и аденозинмонофосфата с выделением энергии на каждой стадии:

Здесь: Фн - неорганический фосфат;

H+ - положительный ион водорода;