ТЕРМОДИНАМІЧНИЙ ОПИС БІООБ'ЄКТІВ

Протягом багатьох років застосовність законів термодинаміки до біооб'єктів - предмет наукової дискусії. Термодинамічний опис живих систем (біотермодінаміка) використовується досить часто, однак отримані результати, і особливо їх інтерпретація, часто виявляються неправильними.

Головна причина неточностей в біотермодінаміке (крім простого нерозуміння суті законів термодинаміки і специфічності живих систем) - ігнорування меж справедливості законів термодинаміки в їх традиційній формулюванні. У зв'язку з цим вихідним умовою використання термодинамічних моделей біооб'єктів є аналіз самих законів термодинаміки і умов їх застосування до таких специфічним об'єктам, як живі системи.

Закони термодинаміки і умови їх застосовності в біології

Зазвичай для термодинамічного опису живих систем (біоенергетика) використовують у такому значенні: рівновагу, відкритість, термодинамічні функції і параметри стану. Слід мати на увазі, що в термодинаміки будь-який об'єкт розглядається як система, що містить велику кількість частинок N ». Саме ця обставина найбільш часто не береться до виду.

Залежно від числа частинок в системі флуктуація спостерігається фізичної величини X оцінюється наступним чином:

При малому числі частинок N « 1 спостерігають суттєві відхилення (Д XIX » 1) від законів термодинаміки, що пояснюється їх статистичними характером. У системах з великим числом частинок N » 1 закони термодинаміки виконуються з великою точністю (Д XIX« 1).

Головна умова застосовності класичних законів термодинаміки до кількісного аналізу енергетики біооб'єкту - равновесность стану біооб'єкту і равновесность процесів, що протікають в ньому. Строго кажучи, тільки для рівноважних процесів в біооб'єктах справедливі закони термодинаміки, сформульовані у вигляді рівності. В інших випадках запис законів термодинаміки вимагає застосування нерівностей.

Процеси в біооб'єктах, які задовольняють умовам равновесности, описуються законами нерівноважноїтермодинаміки. При описі відкритих систем методами нерівноважної термодинаміки дуже важливо визначити, наскільки ця система близька до стану термодинамічної рівноваги.

Потоки речовини і енергії через відкриту систему можуть бути великі, а значення змінних сильно відрізнятися від рівноважних, тому такі системи не можна описувати термодинамічними параметрами. Разом з тим окремі частини сильно нерівноважних систем можуть бути близькі до рівноваги (локальне рівновагу). Для таких частин термодинамічний опис також може бути застосовано.

Слід зазначити, що в даний час при вирішенні практично важливих задач вивчення біооб'єктів закони термодинаміки відкритих систем застосовують порівняно рідко. Більш широко використовують мультікомпартментние моделі.

Мупьтікомпартментние моделі засновані на уявленні нерівноважної системи в вигляді декількох локалізованих, взаємодіючих між собою підсистем (відсіків, компартмен- тов). Взаємодія локально-рівноважних підсистем між собою і з навколишнім середовищем описується рівняннями балансу речовини і енергії.

З викладеного вище ясні необхідні умови застосовності до біооб'єктами законів класичної термодинаміки:

• • велике число часток в об'єкті N » 1;
• • знаходження об'єкта в равновестном стані.

Тільки при дотриманні цих умов біооб'єкт може характеризуватися єдиним набором макроскопічних параметрів: тиском Р, об'ємом V, температурою Т, числом частинок N. Якщо об'єкт не знаходиться в стані рівноваги, то його неможливо охарактеризувати макроскопічними параметрами, наприклад, тиск і температура в різних частинах такого об'єкта будуть різними.

Таким чином, термодинамічні параметри є характеристиками об'єкта в цілому, несуперечливо описують тільки об'єкти в рівноважному стані з великим числом частинок.