Второй закон термодинамики и живой организм

В течение длительного времени считали, что второй закон термодинамики неприменим к биологическим системам, т. к. согласно этому закону в системах могут происходить лишь процессы, связанные с рассеянием энергии. Живые же организмы способны накапливать богатые энергией соединения, т.е. создавать более упорядоченную структуру и энтропию не увеличивать. Это несоответствие объясняется тем, что закон классической термодинамики справедлив для изолированных систем, а живые организмы являются открытыми системами. Живые структуры непрерывно разрушаются и вновь восстанавливаются, их постоянство заключается только в том, что процессы распада и обновления точно компенсируют друг друга. Состояние, при котором распад уравновешивается синтезом, называется динамическим равновесным состоянием.

С точки зрения термодинамики жизнь – невероятное состояние (феномен). И опять здесь нет противоречия, т. к. организм неизолированная система! Если изолировать биологический объект, лишить его пищи, воздуха, то энтропия такой системы возросла бы, и все закончилось смертью.

В процессе прекращения связи системы с окружающей средой резко возрастает неупорядоченность системы и увеличивается энтропия. Таким образом, обмен веществ позволяет сохранить или даже повысить упорядоченность организма и, соответственно, сохранять или уменьшать его энтропию. Поэтому общее изменение системы можно представить в виде двух составляющих: dS=dSi + dSe,

где dSi – изменение энтропии вследствие необратимости процессов в биохимической системе;

dSe – изменение энтропии, обусловленное взаимодействием биологической системы с окружающей средой (т.е. получение продуктов питания и выведения продуктов жизнедеятельности). Если внутри биологических систем протекают обратимые процессы, то они не сопровождаются возникновением энтропии dSi=0. Для всех случаев необратимых изменений dS>0. В изолированной системе обмен со средой не происходит, то есть dSe=0. И потому dS=dSi>0, что соответствует классической формулировке второго закона термодинамики для изолированных систем. В открытых системах в разные промежутки времени изменение полной энтропии может быть различным, т. к. постоянно изменяются величины dSi и dSe. В связи с этим в термодинамике открытых систем был введен новый параметр – время и тогда

dS/dt=dSi/dt+dSe/dt,

член dSi/dt – называется продукция энтропии, а dSe/dt – потоком энтропии. Это уравнение является математическим выражением второго закона термодинамики для живых организмов. Он гласит: «Скорость изменения энтропии организме dS/dt равна алгебраической сумме скорости возникновения энтропии внутри системы (продукция энтропииdSi/dt) и скорости обмена энтропии между организмом и окружающей средой (поток энтропии dSe/dt)».