Презентация на тему Термодинамика биологических процессов

улавливать, преобразовывать и запасать энергию в различных формах.
Общие законы

превращения энергии изучаются термодинамикой (Т).
2. Законы термодинамики универсальны для живой и неживой природы, но Т изучает закономерности, не связанные с конкретной атомно-молекулярной структурой вещества. Т – феноменологическая наука.
Законы и методы термодинамики приложимы только к макроскопическим системам, состоящим из большого числа частиц.
Согласно I закону Т, различные виды энергии могут переходить друг в друга, но при этих превращениях энергия не исчезает и не появляется из ничего. Это закон сохранения энергии.

системе полный запас энергии – величина постоянная и возможны

только превращения одного вида энергии в другой:
U = const ∆U = 0

В замкнутой системе изменение внутренней энергии ∆U равно сумме подведенного к системе тепла ∆Q и произведенной над данной системой работы ∆А:
∆U = ∆Q + ∆А
В открытой системе все виды работ в организме совершаются за счет эквивалентного количества энергии, выделяемой при окислении питательных веществ.
∆U = ∆Q + ∆А

1-й закон термодинамики подводит энергетический баланс организма и запрещает существование вечного двигателя 1-го рода, который мог бы производить больше энергии, чем потреблял бы в процессе своей работы (т.е. мог бы «создавать энергию»).

Лаплас показали, что дыхание животных есть медленное горение, за

счёт которого в организме поддерживается всегда постоянный запас тепла. Исследования «химии» животной теплоты, проведенные Лавуазье и Лапласом, стали первым важным шагом в борьбе с витализмом — учением, которое господствовало в биологии так же, как учение о флогистоне — в химии, и согласно которому всеми жизненными процессами управляла особая нематериальная «жизненная сила».

Применимость I закона термодинамики к живым системам

Пневматическая установка

Ледяной калориметр

тепло измеряется с помощью термометров (1 и 2) по

нагреванию воды, протекающей по трубам в камере.

условиях постоянного давления и температуры. Поэтому для оценки их

жизнедеятельности важна еще одна термодинамическая функция - энтальпия.

Энтальпия (от греч. - нагреваю) - это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определен-ных температуре и давлении.
Рассчитывается по формуле:
H=U + P∙V
где Н - энтальпия, U - внутренняя энергия, P - давление, V - объём.

главном – это фундаментальный закон монотонного возрастания энтропии. Первый

закон всех наук (А.Эйнштейн), высший метафизический
закон Вселенной (А.Эддингтон).

сформулировал второе начало термодинамики.
«Теплота не может сама собою перейти

от более холодного тела к более тёплому».

В 1865г. ввёл понятие энтропии

«Энергия мира не изменяется. Энтропия мира стремится к максимуму.»

(от греч. Entropía - превращение)

которая изотермически превращала бы тепло в работу (У.Томсон)
Уильям Томсон

(лорд Кельвин) 

нас в мысли, что «нечто», называемое нами энергией, постоянно,

второй же закон говорит о все возрастающей недоступности этой энергии из-за другого «нечто», называемого нами энтропией (Уильямс).

Увеличение энтропии (S) является платой, взимаемой природой за каждое использование энергии (А.Г.Пасынский).

2-ой закон термодинамики – «стрела времени» самопроизвольной эволюции системы (А.Эддингтон)

понимают количество теплоты, которое уже не может быть превращено

в механическую работу. Это некоторое количество энергии, которая остается недоступной для дальнейшего использования.
Согласно Р. Клаузиусу, энергия Вселенной постоянна (если она и теряется, то теряется не количественно, а качественно), энтропия же стремится к максимуму. И производство энтропии определяет направление течения процесса.

энергии данной системы, приходящейся на единицу температуры (1К) .

2.Изменение

энтропии ΔS системы равно отношению количества теплоты (ΔQ), сообщенного системе, к температуре (Т):
ΔS = ΔQ/T

3.Энтропия является функцией состояния, т. е. определяется параметрами системы в данный момент и совершенно не зависит от её «истории».

4.Энтропия - это мера неупорядоченности состояния системы. Энтропия измеряется в тех же единицах, что и теплоемкость, - Дж/моль∙К, где К - температура по Кельвину.

5.Энтропия изолированной системы сохраняет постоянные значения для обратимых процессов (S=const), возрастает при необратимых (S>0) и достигает максимума при термодинамическом равновесии.
ΔS = ΔQ/T ≥ 0

dS ≥ 0

и кинетической теории газов Больцман впервые дал физическую трактовку

энтропии, исходя из понятий статистической физики.
2. По Больцману, энтропия – мера молекулярного хаоса и закон ее возрастания отражает возрастающую дезорганизацию системы.
3. Энтропия каждого макросостояния связана с вероятностью реализации этого состояния, т.е. с термодинамической вероятностью (W):
S=k ln W
S - энтропия
W – термодинамическая вероятность
k - константа Больцмана : k= R/ NА

Людвиг Больцман (1844-1906)

NA - число Авогадро (NА= 6,02•1023 моль-1)
R - универсальная газовая постоянная
(R= 8,3 Дж/моль*К)

min, W – min
W – термодинамическая вероятность.

Это количество микросостояний, с помощью
которых реализуется макросостояние

физике определяется как логарифмическая функция вероятности равновесного состояния системы

частиц (для которых известны вероятности распределения по энергиям).

Переходя к биологии, Больцман указывает: «Всеобщая борьба за существование живых существ не является борьбой за составные элементы, но это борьба за энтропию, которую можно использовать при переходе энергии от горячего Солнца к холодной Земле».

выгравировано соотношение Больцмана
S =

k⋅logW.
(Работа Дитера Фламма)

для них складывается из:
1)продукции энтропии внутри организма за

счет необратимых биохимических процессов
2)обмена энтропией с окружающей средой.

Формулировка второго закона термодинамики для живых организмов:
скорость изменения энтропии в организме равна алгебраической сумме производства энтропии внутри организма и скорости поступления энтропии из среды (негэнтропии) в организм: S = Si + (-Se)

внутренней энергии системы, которую можно использовать для совершения работы,

называется свободной энергией (G)
Остальную часть внутренней энергии системы, которую нельзя превратить в работу, называют связанной энергией (Wсв)
U = G + Wсв
Работа, совершаемая системой в любом процессе, не может быть больше, чем изменение свободной энергии: А < G

Обратимый процесс – такой процесс, при
котором при затрате работы А = δG
можно полностью вернуть систему (из
состояния B) в исходное состояние (А)

А

B

G1

G2 + Wсв

δG

Необратимый процесс – такой процесс, при
котором при затрате работы невозможно полностью вернуть систему (из состояния B) в исходное состояние (А), вследствие преобразования части свободной энергии (G) в связанную.
Это явление носит название диссипации (рассеяние) свободной энергии.

также его главный персонаж — воображаемое разумное существо микроскопического

размера, придуманное британским физиком Джеймсом Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики.

молекулы (быстрые от медленных) необходимо получить информацию о свойствах

молекулы, но информацию нельзя получить бесплатно, за неё приходиться платить энергией, в результате чего ЭНТРОПИЯ системы повышается на величину, по крайней мере равную её понижению за счёт получения информации.

1 бит информации = 3•10-21 Дж

возможность установить порядок.

Информация – это

снятие неопределенности знаний о чем-то.

Информация – это информация, это не материя и не энергия (Винер).

Информация – это мера упорядоченности системы.

Информация – это структурно-смысловое разнообразие мира (Эшби).

Информация – это мера сведений, содержащихся в том или ином сообщении.

Информация – это отрицательная энтропия (негэнтропия).

Приобретение информации имеет свою энергетическую цену:
1 бит информации эквивалентен 3•10-21 Дж (Harold, 1986)

W = 1/p,

где

W – число микросостояний
p – вероятность каждого из микросостояний

За единицу количества информации (бит) принимается информация, содержащаяся в достоверном сообщении, когда число исходных возможных состояний равно 2 (W = 2).
I = log22= 1 бит


 

информация о системе являются взаимосвязанными

Энтропия (S) есть недостающая информация

(I) для полного описания системы.
или
Информация (I) есть недостающая энтропия (S), т.е. разность между максимально возможной энтропией системы и той энтропией, которой на самом деле обладает система.

= 1 кал/град = 4,2 Дж/K
1 бит = 10-24

Дж/K

Соотношение между энтропией и информацией было установлено Бриллюэном и сформулировано в виде негэнтропийного принципа информации.
Но это справедливо только для микроинформации (Imic)

данный момент одного из возможных микросостояний системы, Imic не

может запоминаться, т.к. одно из микросостояний быстро переходит в другое.
Связана с энтропией соотношением Бриллюэна - S(э.е.) = 2,3 • 10-24 I бит – выполняется принцип эквивалентности I и физической энтропии.

Макроинформация (Imаc) – это информация, которая запоминается. Для перехода Imic → Imаc система должна произвести работу, за счет которой она перейдет в устойчивое состояние, потеряв часть энергии в процессе диссипации. В результате S системы увеличится. Это мера множества запоминаемых состояний.

массой 70 кг содержит:
- 7 кг

белков
- 150 г ДНК
- 1013 клеток
I = 1,3 • 1026 бит
Отличие биологической информации – ценность:
1) неизбыточность
2) незаменимость

Эйгена», который имеет полупроницаемые перегородки. В него из среды

поступают дезоксирибонуклеотиды, фосфаты, макроэрги.

В «ящике» идет полимеризация полинуклеотидных цепей, репликация, матричный синтез; репликация идет с ошибками, возникают мутации; идет распад одних и возникновение других цепей.

Введено понятие селекционной ценности информации (Is) - соотношение константы скорости синтеза (Кс) к константе скорости распада (Кр) цепей. Чем выше соотношение Кс/Кр ,тем больше Is данной цепи.

Для существования длинных цепей с количеством звеньев > 100 необходимо возникновение гиперциклов.

Гиперцикл—это способ объединения самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические химические циклы.

круговорот веществ и энергии,
2) воспроизведение с наследованием информации,

3) приспособляемость к изменяющимся условиям,
4) гиперциклы подвержены  естественному отбору на уровне молекул,
5) гиперцикл, построенный из нуклеиновых кислот и белков-ферментов, обеспечивает отбор макромолекул с объемом информации, достаточным и необходимым для возникновения живой системы.

Это гипотеза о молекулярной эволюции, приведшей к созданию первой живой клетки, использующей генетический код для матричного синтеза белка.

Е15). Из Eigen (1971)

через периоды неустойчивости,
создают все более высокие уровни

организации с нарастающим разнообразием и богатством компонентов и структур.

Новые гиперциклы, сформированные подобным образом, вполне могут составить конкуренцию естественному отбору.

и ввел понятие диссипативной структуры, т.е. открытой системы, которая

живёт вдали от своего термодинамического равновесия с окружающей средой.

Нобелевская премия по химии была присуждена ученому в 1977 году "за работы по термодинамике необратимых процессов, особенно за теорию диссипативных структур".

открытую систему непрерывно протекает поток материи и энергии, но
2.

система поддерживает устойчивую форму и обеспечивает это автономно путем самоорганизации.

Чтобы подчеркнуть сосуществование изменений и устойчивости (текучее равновесие), Пригожин ввел термин «диссипативные структуры».
Но не все диссипативные структуры являются живыми системами.

от термодинамического равновесия.
Свойства диссипативной структуры:
1) устойчивое состояние в

неравновесной среде на фоне диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне.
2) неравновесная открытая система.
3) спонтанное появление сложной структуры.

Простым примером такой системы являются:
Ячейки Бенара
Реакция Белоусова-Жаботинского

теории диссипативных структур:

1) базовые

структуры жизни, которые поддерживают себя в далеком от равновесия устойчивом состоянии и могут развиваться.
2) свойства: а) неравновесность, б) нелинейность,
в) неопределенность, г) устойчивость на определенном временном отрезке.
3) островки порядка в мире беспорядка, поддерживающие и даже повышающие свой порядок за счет увеличения беспорядка в окружающей среде.
4) способны к самоорганизации. Это спонтанное зарождение новых структур и новых форм поведения в далеких от равновесия открытых системах, которые характеризуются появлением внутренних петель обратной связи и математически описываются нелинейными уравнениями.
5) проходят точки бифуркации. Это порог устойчивости, где диссипативная структура может либо разрушиться, либо прорваться к одному из новых состояний порядка. Энтропия приобретает отрицательное значение и система скачком переходит в новое стационарное состояние.

от равновесия диссипативная структура движется от универсального к уникальному,

в направлении богатства и разнообразия.

«В детерминистком мире Ньютона нет места истории и творчеству. В живом мире диссипативных структур история играет важную роль: будущее неопределенно, и эта неопределенность служит основой творчества» (Ф.Копра «Паутина жизни»).

«Сегодня - мир, который мы видим снаружи, и мир, который мы ощущаем внутри, сближаются. Это сближение двух миров, вероятно, одно из наиболее важных культурных событий нашего мира» (И.Пригожин «Порядок из хаоса. Новый диалог человека с Природой»).

Бенара».
Ячейки Бенара возникают при

критической разности температур между верхним и нижним слоями жидкости при ее нагревании (жидкость находится в кювете).

1900 году была опубликована статья французского исследователя Бенара с

фотографией структуры, по виду напоминавшей пчелиные соты. При нагревании снизу слоя ртути, налитой в плоский широкий сосуд, весь слой неожиданно распадался на одинаковые вертикальные шестигранные призмы, которые впоследствии были названы ячейками Бенара. В центральной части каждой ячейки жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней опускается. Иными словами, в сосуде возникают направленные потоки, которые поднимают нагретую жидкость (с температурой T1) вверх, а холодную (с температурой T2) опускают вниз.

поверхности, демонстрирует строго регулярную пространственную структуру с периодичностью, кратной

толщине жидкого слоя. На фотографии видны выходящие из центра и сходящиеся по сторонам шестигранника конвективные потоки масла. На границах соприкасающихся сторон в местах стекания сформированы затененные каналы, свидетельствующие о том, что боковая поверхность тороида криволинейная и не имеет скачкообразных переходов.

потоков воздуха обладают не столь правильной формой как ячейки

в нагреваемом масле.

его сложности, другим
объектом, процессом, явлением, но упрощённым, сохраняющим
основные

наиболее существенные свойства.
Модель – условный образ реального объекта, отражающий признаки объекта, существенные для целей исследования.

Биологические (предметные) модели (лабораторные животные, изолированные органы, культуры клеток,

суспензии органелл).
2) Физические (аналоговые) модели – физические системы, обладающие аналогичным с объектом поведением (гидродинамические модели – устройства, имитирующие действие органов: искусственное сердце, почка, аппарат искусственного дыхания).
3) Математические модели – системы математических выражений, описывающие те или иные свойства изучаемого объекта.

показала, что
наиболее содержательные математические модели включают, как правило,
два уравнения:
dx/dt

= P (x, y)
dy/dt = Q (x, y)
В процессе изменения состояния системы во времени, переменные х, у
изменяются согласно вышеприведённым уравнениям.

Плоскость с осями координат х и у, на которой каждой точке М с координатами(х, у) соответствует определённое состояние системы, носит название
фазовой плоскости.
Если в момент времени t0 координаты
точки М (х0, у0), в каждый следующий
момент времени t точка будет двигаться в
соответствии с уравнениями и каждый раз
принимать положения М (х, у).

узел на фазовой плоскости.
Устойчивый фокус на фазовой плоскости.
Неустойчивый фокус

на фазовой плоскости.
Седло на фазовой плоскости.
Особая точка «центр» на фазовой плоскости.

(х) и хищников (у),
взаимодействующих друг с другом по механизму

свободных соударений.
Это значит, что численность жертв пропорциональна вероятности встречи их с
хищниками, т. е. пропорциональна ху. Естественная смертность хищников
(-ky). Жертвы размножаются со скоростью, пропорциональной их
численности, в условиях с неограниченным количеством пищи.

Dx/dt = k1х – k2ху
Dу/dt = k3ху – k4у

При различных соотношениях в системе возможно выживание только жертвы, только хищника и сосуществование обоих видов. В этом случае численности видов совершают колебания, причём колебания численности хищника в модели запаздывают по отношению к колебаниям численности жертвы (Рисунок Б).

зайцев и рысей по годам. По оси абсцисс отложено

время наблюдения за численностью популяций, по оси ординат численность популяций.

стационарной системы
x = k1 /k2 и у

= k 4/k3
соответствуют особой точке «центр», которая отражает колебания численности популяций.

Павлович– российский и советский химик и биофизик. Как военный

химик Белоусов занимался разработкой способов борьбы с отравляющими веществами, составами для противогазов, газовыми анализаторами, препаратами, снижающими воздействие радиации на организм.
В 1951 г. при исследовании окисления лимонной кислоты броматом в присутствии катализатора (сульфат церия), обнаружил концентрационные колебания ионов церия (BZ-реакция), т.е. открыл первую колебательную реакцию.
В 1980 г. Б.П. Белоусову посмертно была присуждена Ленинская премия.

Реакция Белоусова-Жаботинского вошла в золотой фонд науки XX века.

– cоветский биофизик, физико-химик. Один из основателей нелинейной химической

динамики, исследовал и описал с помощью математической модели реакцию Белоусова-Жаботинского, лауреат Ленинской премии (1980). С 1991 года работал в США.

Реакция Белоусова-Жаботинского стала базовой моделью для
исследования процессов самоорганизации, включая образование неоднородных распределений концентраций реагирующих веществ, распространение пятен (patches), спиральных волн и других автоволновых процессов.
Она исследована в сотнях лабораторий мира в сосудах различной формы, в протоке, на пористых средах, при различных воздействиях – изменении температуры, световом и радиационном воздействии.

Жаботинский, В. И. Кринский — лауреаты Ленинской премии. Апрель

1980 г.

(«химический маятник», модель автоколебательных процессов)

реакций Белоусова служит удобной моделью для изучения колебательных и

волновых процессов в активных средах. Сюда относятся:
периодические процессы клеточного метаболизма;
2) волны активности в сердечной ткани и ткани мозга;
3) процессы, происходящие на уровне морфогенеза и на уровне экологических систем.

самоорганизацию во времени и пространстве?

Воздействия:
а) изменение скорости

притока конечных и промежуточных веществ в сферу реакции,
б) различные режимы освещения,
в)радиоактивное облучение.

Такие исследования имеют большой практический смысл. Они позволяют находить способы управления автоволновой активностью и помогают искать режимы воздействия на спиральные волны в активной ткани сердца, распад которых приводит к фибрилляциям.

процессов, в том числе формирование спиральных волн – в

терминологии кардиологов – реентри (re-entry), появление которых в миокарде связывают с фибрилляциями и различными
аритмиями – опасными сердечными заболеваниями

б), модель (Aliev and Panfilov, 1996) и в реакции

Белоусова-Жаботинского, эксперимент (в,г) (Алиев, 2008). Сложная форма вихря в трехмерной модели возникает из-за сложной геометрии и анизотропии среды желудочков

которой по предсердиям постоянно и беспорядочно циркулируют волны возбуждения, вызывающие

хаотические сокращения отдельных мышечных волокон предсердий. Стенки предсердий не сокращаются ритмично, а «мерцают», как пламя на ветру.

Белоусова—Жаботинского колебательными биохимическими реакциями с диффузией, существование которых предположил

математик
Алан Тьюринг.