II-ой закон термодинамики в биологии

II-ой закон термодинамики устанавливает закономерности перехода какого-либо вида энергии в работу и другие виды энергии. Для биологии важен вопрос о приложимости к живым системам II-ого закона термодинамики и понятии, вытекающих из определения этого закона: градиент, энтропия, свободная энергия.

Следствием этого положения является утверждение, что самопроизвольно могут протекать лишь процессы, связанные с переносом энергии от более высокого уровня к более низкому, т.е. по градиенту.

Градиент какого-либо параметра системы определяется как разность величин этого параметра в 2-х точках, отнесенная к расстоянию между ними.

Когда сравнивается живая клетка с неживой системой, то первое отличие – это наличие в живой клетке многочисленных градиентов. Например:

- Осмотический градиент – присущий всем живым клеткам и играющий особенно значительную роль в жизнедеятельности растительных клеток (тургор).

- Концентрационный градиент, обусловленный неравномерным распределением различных веществ между клеткой и наружной средой.

Наличие градиентов открывает принципиальную возможность совершения работы в живой клетке. Например, генерация нервного импульса связана с реализацией неравномерного распределения ионов и электрического градиента.

Характерно, что в мертвых клетках вышеуказанные градиенты отсутствуют.

Энтропия. II-ой закон термодинамики устанавливает, что тепло само по себе без участия дополнительной энергии никогда не может быть полностью переведено в работу.

Работоспособность системы, ее к.п.д. определяется градиентом температуры, а величина потери определяется уравнением:

Мерой рассеивание энергии (ее деградации) является энтропия.

Таким образом, бесполезная растрата части тепловой энергии в ходе обратимого рабочего процесса численно равно энтропии. При обратимом процессе

Необратимый процесс сопровождается значительной растратой тепловой энергии, т.е. в этом случае

В живых организмах источником работы является химическая энергия, которая переходит в работу и тепло. Тепло рассеивается и этот процесс полностью необратим.

Математическое выражение II-ого закона термодинамики равно:

.

Где знак равенства относится к случаю обратимых процессов, а знак неравенства к необратимым процессам. Таким образом, II-ой закон термодинамики утверждает, что в замкнутой системе энтропия может либо оставаться неизменной (в случае обратимого процесса), либо возрастать (при необратимом процессе).

Энтропия растет с уменьшением градиента при необратимых процессах. Поскольку большинство биологических процессов необратимы с точки зрения термодинамического критерия необратимости, то в замкнутой системе энтропия всегда возрастает. Таким образом, II-ой закон термодинамики для необратимых процессов указывает направление процесса:

- термодинамическая вероятность.