Термодинамика живого организма реферат

Обновлено: 07.07.2024

Издавна ученых-биофизиков волновали проблемы установления энергетических закономерностей живого организма.

В этом плане большие перспективы открывает теория термодинамики тепловых агрегатов. В самом деле, живой организм характеризуется сложными тепловыми полями, свойства которых подчиняются термодинамическим закономерностям. Однако классическая термодинамика имеет дело с тепловыми объектами сравнительно однородной статистической структуры, т. е. с тепловыми источниками, функционирующими в стационарном режиме.

В 30-х годах биологу Э. С. Бауэру впервые удалось показать, что термодинамические свойства живого организма должны коренным образом отличаться от термодинамических закономерностей стационарных тепловых агрегатов. Поясним это примером. Если согласно классической термодинамике процесс взаимодействие тепловых источников рассматривается как отдача тепла телом, нагретым до высокой температуры, телу более холодному, то в живом организме теплота внутренних органов всегда находится при температуре, отличающейся от внешней среды. Например, температура человеческого тела 36,6°С резко отличается от температуры окружающей среды. Значит, любой живой организм обладает особыми термодинамическими свойствами, обеспечивающими ему поддержание постоянной внутренней температуры по отношению к внешней среде.

Откуда же в живых организмах берутся энергетические ресурсы для поддержания повышенного термодинамического потенциала? Э. С. Бауэр считал, что эту энергию живой организм черпает за счет структурных изменений белковой материи. В связи с этим Бауэром были выведены аналитические условия, устанавливающие связь между энергией формирования структуры белка, обладающей повышенным термодинамическим потенциалом, и энергией, высвобождаемой при его распаде. Согласно Бауэру, весь процесс жизнедеятельности, т. е. механизм старения человеческого организма, характер протекания болезни, процесс истощения энергетических реакций может быть представлен в виде взаимодействия энергии ассимиляции и диссимиляции белка. Однако Бауэру не удалось установить связь между энергией ассимиляции и диссимиляции со статистическими свойствами электрофизиологических реакций организма.

Потребовался длительный период, связанный с развитием новых аспектов термодинамики, теории информации, прежде чем появилась возможность вернуться к усовершенствованию термодинамических концепций Бауэра на основе новых подходов, а именно — термодинамики нестационарных процессов. Нужно отметить, что при исследовании термодинамических свойств в качестве Обобщенного энергетического параметра обычно рассматривается температура. Человек хорошо освоил технику измерения температуры с высокой точностью в различных физических и биофизических опытах. Однако, как правило, понятие температуры связывается с показаниями градусника, и это справедливо до тех пор, пока не встает задача измерения температуры в нестационарных тепловых объектах, какими являются живые организмы. С позиций термодинамики нестационарных процессов более общего вида температура определяется как сложная характеристика, учитывающая не только энергетическую компоненту теплового источника, но и его временную структуру.

В связи с этим теория нестационарных термодинамических систем оперирует понятием структурной температуры. Ее нельзя измерить с помощью физического прибора. Для ее измерения потребовался бы сложный расчет на вычислительной машине, связанный с определением текущей энергии и энтропии, исследуемого параметра. Тем не менее алгоритм измерения структурной температуры лежит в основе принципа функционирования клеток коры головного мозга. Исследование термодинамических свойств температурного потока в пространстве, окружающем человеческую голову, дает, например, основание полагать, что терморегуляция мозга осуществляется на основе критериев согласования структурной температуры биообъекта с окружающей средой.

С позиций теории отрицательной температуры могут быть объяснены принципы работы источников когерентных излучений типа лазеров и мазеров. Выше уже отмечалось, что при исследовании биофизических реакций человека наблюдаются биолазерные эффекты. Основанием для подобного вывода являются опыты по исследованию термодинамических реакций, характеризующихся зависимостями, отображенными на кривой 2. И, наконец, могут происходить изменения термодинамических свойств, когда энергия в зависимости от энтропии изменяется по закону кривой 3. В этом случае термодинамический объект способен поглощать энергию окружающего рассеянного потока, резко понижая энергию естественного окружающего фона. Наблюдая энергетические реакции человеческого организма во время повышенного эмоционального напряжения, можно удостовериться в понижении естественного энергетического фона.

Выясняется, что функции правого полушария обеспечивают человеческому мозгу достижения таких состояний, при которых в ограниченное время может быть осуществлен перебор гораздо большего числа вариантов. Следовательно, только согласованная, дополняющая друг друга деятельность обоих полушарий может привести к результатам, которые, с одной стороны, будут характеризоваться логической полнотой исследуемых вариантов сложной задачи, а с другой — точностью и аналитической завершенностью. И в заключение, левое полушарие как бы завершает построение законченной аналитической модели исследуемого объекта и выдает окончательный результат. Эта двойственная функция мозга никоим образом не должна нарушаться во время профессионального совершенствования человека, обучения, тренировок, составления программ производственной деятельности и т. п.

Непостоянство термодинамических режимов левого и правого полушарий является одной из причин заметного снижения коэффициента полезного действия (к. п. д.) умственной деятельности. Это должно учитываться как объективно действующий фактор, например, при планировании учебных занятий в вузах.

Для получения наибольшего эффекта в процессе творческой деятельности время непрерывной умственной работы должно составлять 6—8 ч. Именно в течение этого периода происходит естественная смена фазовых возбуждений левого и правого полушарий.

В качестве обобщенных статистических параметров, характеризующих средние периоды биоритмов в процессе нестационарных физико-химических изменений в организме, могут рассматриваться интервалы корреляции первого, второго, третьего и более высоких порядков.

Приведены кривые, масштаб развертывания которых определяется значениями интервалов корреляции первых четырех порядков. Область стационарных реакций организма, для которых соотношение интервалов корреляции первого и второго порядков (информационный параметр) лежит в пределах 2

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Термодинамика в существовании биологических систем.СодержаниеВВЕДЕНИЕ

ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ.

ТЕРМОДИНАМИКА НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ВБЛИЗИ РАВНОВЕСИЯ

ИЗМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИИ В ОТКРЫТЫХ СИСТЕМАХ

СООТНОШЕНИЕ ОНЗАГЕРА

ТЕОРЕМА ПРИГОЖИНА

ТЕРМОДИНАМИКА АКТИВНОГО ТРАНСПОРТА

ТЕРМОДИНАМИКА СИСТЕМ ВДАЛИ ОТ РАВНОВЕСИЯ

ЭНТРОПИЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Итак, жизнь есть вихрь, то более быстрый, то более медленный, более сложный или менее сложный, увлекающий в одном и том же направлении одинаковые молекулы. Но каждая отдельная молекула вступает в него и покидает его, и это длится непрерывно, так что форма живого существа более существенна, чем материал.

Биология как наука является одной из старейших в мире.

Уже в Ветхом завете, насчитывающем более 3000 лет, имеются конкретные биологические сведения о растительном и животном мире, даны рекомендации о режиме питания, применении в пищу тех или иных видов растительности. До нашего времени дошли труды многих великих ученых древности: Аристотеля, Авиценны и других, внесших огромный вклад в понимание биологических процессов. Тем не менее, за всю многовековую историю биологии из-за исключительной сложности изучаемого предмета ученым так и не удалось полностью раскрыть секреты механизмов и движущих сил, обеспечивающих жизнеспособность живых организмов.

Достаточно сказать, что даже само определение жизни до настоящего времени не однозначно. В связи с этим за все время своего становления, вплоть до начала 20-го века, биология как наука опиралась на различные гипотезы и теории, которые периодически опровергали друг друга по мере ее развития и получения новых научных данных.

В этой работе им впервые было установлено, что живые организмы всегда находятся в состоянии термодинамического неравновесия, что противоречило популярной в то время теории термодинамического равновесия (первому и второму началам термодинамики).

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”.

Практически одновременно с Э. Бауэром, в 1931 г. Ларс Онсагер открыл первые общие соотношения (соотношения взаимности) неравновесной термодинамики в линейной, слабо неравновесной области. Соотношения взаимности Онсагера были первым значительным результатом в неравновесной термодинамике – термодинамике необратимых процессов.

Блюменфельд Л.А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики

формат pdf
размер 9.51 МБ
добавлен 06 января 2012 г.

М.: Едиториал, УРСС. 2002. – 160с. Книга посвящена анализу ряда фундаментальных проблем биофизики, объектом которой являются живые системы. В первой части монографии изложена краткая история биофизики, рассмотрены основные понятия и законы термодинамики и статистической физики, описаны великие парадоксы физики, анализ которых имеет принципиальное значение для понимания сути некоторых важнейших проблем биологической физики. Вторая часть книги посв.

Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога

формат djvu
размер 2.04 МБ
добавлен 07 апреля 2011 г.

Владимиров Ю.А. Лекции по биофизике

формат pdf
размер 943.49 КБ
добавлен 07 мая 2010 г.

Избранные лекции по биофизике, читаемые проф. Ю. А. Владимировым для студентов факультета фундаментальной медицины МГУ. Лекция 1. Основные уравнения термодинамики. Термодинамическая вероятность и энтропия. Связь константы равновесия с изменением свободной энергии. Температурная зависимость равновесия (уравнение Гиббса). Лекция 2. Работа и энергия. Основные понытия биоэнергетики: системы и объекты, сила, работа, энергия. Электрохимический потенциа.

Кеплен С.Р., Эссиг Э. Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов (стационарное состояние)

формат djvu
размер 2.84 МБ
добавлен 05 мая 2010 г.

Кеплен С. Р., Эссиг Э. Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов (стационарное состояние): Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 384с. ил. В книге содержится глубокое и последовательное изложение термодинамики необратимых процессов с конкретным анализом важнейших биохимических и транспортных процессов в организме. Для студентов и преподавателей, специалистов в области биохимии, биофизики.

Кизель В.А. Физические причины диссиметрии живых систем

формат djvu
размер 1.31 МБ
добавлен 01 апреля 2010 г.

Рассмотрен важный и неразрешенный вопрос, стоящий на стыке физики и биологии. Показано, что все вещества, служащие основой для построения живых систем, обладают геометрическими особенностями структуры, которые сказываются на всех ступенях развития от простейших молекул до живых организмов и проявляются в неравноправии правых и левых форм. Дискутируются различные предположения о причинах возникновения диссимметрии и показывается, что данный вопро.

Литинецкий И.Б. Беседы о бионике

формат pdf
размер 8.38 МБ
добавлен 22 октября 2011 г.

М.: Наука, 1968 - 592 страницы. Популярное изложение бионики - науки на стыке физико-технических дисциплин и биологии, лежащей в истоках приложений биофизики к решению технических задач и применения математического моделирования для исследования биосистем. Из предисловия к книге, написанного академиком А.И. Бергом: ""Беседы о бионике" прочтет с удовольствием не только специалист, но и каждый образованный человек."

Рубин А.Б. Tермодинамика биологических процессов

формат pdf
размер 12.24 МБ
добавлен 12 января 2010 г.

Учеб. пособие. — 2-е изд. — М.: Издательствово Московского университета, 1984. — 290 стр. Учебное пособие содержит последовательное изложение основ термодинамики необратимых лроцессов в применении к открытым химическим и биологическим системам. Сравниваются термодинамические и кинетические критерии устойчивости стационарных состояний для открытых систем вблизи равновесия и вдали от него. Широко обсуждаются литературные данные по применению соврем.

Садовничая Л.П. Биофизическая химия

формат djvu
размер 2.52 МБ
добавлен 07 октября 2010 г.

В пособии изложены основы химической термодинамики и биоэнергетики, описаны свойства растворов, их роль в жизнедеятельности организма, современные представления об электрохимии растворов и применение электрохимических методов исследований в медицинской и биологической практике. Большое внимание уделено поверхностным явлениям, свойствам дисперсных систем и растворам биополимеров. Для студентов медицинских институтов

Трухан Э.М. Введение в биофизику

формат pdf
размер 3.17 МБ
добавлен 25 сентября 2009 г.

Уч. пос. М.: МФТИ, 2008 г. - 242 с. Что такое биофизика. Живой организм как физическая система. Термодинамика живого объекта. Формализм химической термодинамики. Элементы линейной неравновесной термодинамики. Стационарное состояние неравновесной системы. Основы биоэнергетики. Природные источники свободной энергии. АТФ и макроэргическая фосфатная связь. Источники энергии для образования АТФ в клетке. Окислительно-восстановительный потенциал. Меха.

Шпоры по биофизике

формат doc
размер 749.5 КБ
добавлен 18 июня 2010 г.

Биофизика как наука. Предмет, задачи и объект исследования. Химические реакции, как модель кинетических закономерностей. Особенности кинетики биологических процессов. Понятие стационарного состояния в кинетике биологических процессов. Устойчивость стационарного состояния. Химическая реакция с обратной связью. Модель "Хищник – Жертва". Определение координат особых точек, их типа и степени устойчивости. Мультистационарность. Понятие о биологических.

Законы термодинамики являются важными объединяющими принципами науки биологии. Эти принципы регулируют химические процессы (обмен веществ) во всех биологических организмах.

Первый закон термодинамики, также известный как закон сохранения энергии, утверждает, что энергия не может появиться ниоткуда и исчезнуть. Она способна переходить от одной формы к другой, но энергия в замкнутой системе остается постоянной.

Второй закон термодинамики гласит, что при передаче энергии в конце процесса переноса будет меньше энергии, чем в начале. Из-за энтропии, которая является мерой беспорядка в замкнутой системе, вся доступная энергия не будет полезна для организма. Энтропия увеличивается по мере передачи энергии.

В дополнение к законам термодинамики теория клеток, теория генов, теория эволюция и гомеостаз составляют главные принципы, лежащие в основе изучения жизни.

Первый закон термодинамики в биологических системах

Все биологические организмы нуждаются в энергии для выживания. В замкнутой системе, такой как Вселенная, эта энергия не потребляется, а трансформируется из одной формы в другую. К примеру, клетки организма выполняют ряд важных процессов. Эти процессы требуют энергии. При фотосинтезе энергия подается солнцем. Световая энергия поглощается клетками листьев растений и превращается в химическую энергию.

Химическая энергия хранится в виде глюкозы, которая используется для образования сложных углеводов, необходимых для создания растительной массы. Энергия, хранящаяся в глюкозе, также может выделяться через клеточное дыхание. Этот процесс позволяет растительным и животным организмам получать доступ к энергии, хранящейся в углеводах, липидах и других макромолекулах, путем производства АТФ.

Эта энергия необходима для выполнения клеточных функций, таких как репликация ДНК, митоз, мейоз, движение клеток, эндоцитоз, экзоцитоз и апоптоз.

Второй закон термодинамики в биологических системах

Как и в случае с другими биологическими процессами, передача энергии на 100% не эффективна. При фотосинтезе, например, не вся энергия света поглощается растением. Некоторая ее часть отражается, а другая часть трансформируется в тепло. Потеря энергии в окружающую среду приводит к увеличению беспорядка или энтропии.

В отличие от растений и других фотосинтезирующих организмов животные не могут генерировать энергию непосредственно из солнечного света. Они должны потреблять растения или других животных организмы для получения энергии. Чем выше организм находится в пищевой цепи, тем меньше доступной энергии он получает от своих источников пищи.

Большая часть этой энергии теряется во время метаболических процессов. Поэтому для организмов в высших трофических уровнях доступно гораздо меньше энергии. Чем меньше энергии, тем меньше число организмов может быть поддержано. Именно поэтому в экосистеме больше производителей, чем потребителей. Живые системы непрерывно нуждаются в энергии для поддержания своего высокоупорядоченного состояния.

Клетки, например, сильно упорядочены и имеют низкую энтропию. В процессе поддержания этого порядка некоторая энергия теряется в окружающей среде или трансформируется. Таким образом, в то время как клетки упорядочены, процессы, выполняемые для поддержания этого порядка, приводят к увеличению энтропии в окружении клетки/организме. Передача энергии приводит к увеличению энтропии во Вселенной.

Читайте также: