Закони, керуючі перетвореннями енергії, описує термодинаміка. Її головні постулати називаються основними законами (початками) термодинаміки.

Термодинамічна система - це будь-яка дільниця «Всесвіту», відділена від свого оточення реальною або уявною перешкодою. Гомогенна система у всіх своїх областях володіє однаковими макроскопічними властивостями. Гетерогенна система складена з різних гомогенних фаз. На вигляд обміну речовиною або енергією з навколишнім середовищем розрізнюють:

1) ізольовані системи: ніякий обмін не можливий;

2) адіабатичні системи: неможливий обмін речовиною, але можливий обмін енергією, крім теплової;

3) замкнені системи: неможливий обмін речовиною, але обмін енергією можливий в будь-якій формі;

4) відкриті системи: можливий будь-який обмін речовиною і енергією.

Всі клітки і всі живі організми є гетерогенними відкритими системами. Положення класичної термодинаміки відносяться тільки до рівноважних станів або до оборотних процесів в замкнених системах. Тільки розвиток термодинаміки безповоротних процесів зробив можливим кількісний опис безповоротних процесів, що протікають в організмі як в одній з відкритих систем, що не знаходяться в термодинамічній рівновазі.

1.3.1 Застосовність закону збереження енергії до живих організмів

Перший закон термодинаміки в формулюванні Майера-Гельмгольца свідчить: при всіх змінах, що відбуваються в ізольованій системі, загальна енергія системи залишається постійною. Інше формулювання: при всіх макроскопічних хімічних або фізичних процесах енергія не створюється і не руйнується, а тільки переходить з однієї форми в іншу.

Запас енергії системи складається із зовнішньої енергії, визначуваної зовнішніми параметрами (положення в просторі, швидкість відносно інших систем і т. п.), і внутрішньої енергії, що залежить від власних внутрішніх параметрів даної системи. Зміна внутрішньої енергії U замкненої системи при зміні стану складається з кількості тепла Q, обміненої при цьому з навколишнім середовищем, і роботи (останнє при нескінченно малих змінах).

Зміна внутрішньої енергії системи може бути представлена як

(1.3)

(- pdVпотому, що при + dV, т. е. збільшенні об'єму, система здійснює роботу і, згідно з визначенням, dW негативне). dQ також можна представити як твір інтенсивної величини (температура Т) і екстенсивної величини (ентропія S). Звідси слідує рівняння Гиббса:

(1.4)

І. Р. Майер і Г. Гельмгольц, що відкрили перший закон термодинаміки, не сумнівалися в тому, що дія цього закону розповсюджується і на процеси в живих організмах. Багато які виталисти, навпаки, вважали, що функції живих істот можуть бути непідвладні цьому закону. Однак в численних дослідах було встановлено, що загальна кількість енергії, яка отримує рослину, тваринну або людина за деякий проміжок часу, згодом знову виявляється, по-перше, в теплі, що виділяється, по-друге, в зовнішній роботі, що здійснюється або речовинах, що виділяються і, по-третє, в збільшенні теплоти згоряння тіла внаслідок зростання або накопичення речовини.

1.3.2 Ентропія і життя

Згідно з першим законом термодинаміки, кожний процес в природі міг би протікати так само легко в зворотному напрямі, як і в прямому. Насправді природні процеси протікають «мимовільно» тільки в одному напрямі, вони безповоротні, т. е. їх не можна примусити йти в зворотну сторону, не змінюючи навколишнє середовище.

Теплота «мимовільно» переходить від більш теплого тіла до більш холодного, але не навпаки. Розчинені частинки розповсюджуються шляхом дифузії з області більш високої концентрації в область більш низької концентрації, але не навпаки. Газ у вакуумі розширяється і ніколи не зменшує мимовільно свій об'єм.

Як міра безповоротності виявилося придатним поняття ентропії, введене в 1859 р. Клаузіусом. У високій мірі безповоротний процес характеризується великим збільшенням ентропії. У ізольованій системі (без обміну теплом!) ентропія ніколи не може меншати, вона тільки зростає (при безповоротних процесах) або, в граничному випадку, залишається постійною (при оборотних процесах). Це другий закон термодинаміки (закон ентропії): dS ≥ 0 (в ізольованій системі!).

Всі процеси, що мимовільно протікають в природі, сприяють встановленню рівноваги. Цей найбільш вірогідний стан з найменшою впорядкованістю частинок. Кожний впорядкований стан (з відмінностями в концентрації, температурі, тиску і інш.) прагне до найменшої впорядкованості (вирівнювання відмінностей означає збільшення ентропії). Тому ентропію можна розглядати як міру невпорядкованості, і другий закон в формулюванні Больцмана (1866) свідчить: природа прагне перейти з менш вірогідного стану в більш вірогідне. Це справедливо і для природи загалом (Всесвіту), і для будь-якої іншої ізольованої системи як ймовірностний твердження з тим більшою точністю, ніж більше число частинок, що становлять систему.

Організми постійно створюють з безладдя впорядкованість. У них створюється і підтримується фізична і хімічна нерівновага, на якій заснована працездатність живих систем. У процесі індивідуального розвитку (онтогенеза) кожного живого організму, так само як і в процесі еволюційного розвитку (филогенеза), весь час утворяться нові структури, т. е. досягається стан більш високої впорядкованості. Ця уявна суперечність із законом зростання ентропії пояснюється тим, що організми - не ізольовані, а відкриті системи, що безперервно обмінюються речовиною і енергією з навколишнім середовищем.

Зміна ентропії у відкритій системі складається 1) з її змін при процесах, що відбуваються в самій системі (diS), і 2) із змін при обміні речовиною і енергією з навколишнім середовищем (deS):

(1.5)

Згідно з другим законом, diS може бути тільки позитивним або, в граничному випадку (оборотні процеси), рівним нулю; навпаки, deS може приймати позитивні (система отримує ентропію) або негативні (система віддає ентропію) значення:

При цьому зміна ентропії dS у відкритій системі може бути і негативним (впорядкованість збільшується!), а саме коли deS < 0 і ¦deS¦ > ¦diS¦, т. е. коли систему покидає більше ентропії, ніж виникає всередині системи завдяки безповоротним процесам.

Для системи «живий організм - навколишнє середовище» (середа, з якої беруться живлячі речовини і якої віддаються продукти обміну) другий закон термодинаміки дійсний в своїй класичній формі, т. е. її ентропія зростає і ніколи не меншає. Таким чином, живі організми можуть створювати всередині себе впорядкованість тільки за рахунок того, що вони зменшують впорядкованість в навколишньому їх середовищі.

Звісно, живі організми існують не тільки за рахунок негативної ентропії, але і за рахунок позитивної енергії. У стаціонарному стані вміст внутрішньої енергії в системі також постійний і не залежить від часу. Будь-яка втрата внутрішньої енергії при здійсненні зовнішньої роботи або віддачі тепла повинна бути компенсована відповідною притокою енергії.

1.3.3 Джерела енергії живих організмів

Згідно із законом збереження енергії всі функції живого організму, вимагаючі витрати енергії, повинні зрештою здійснюватися за рахунок зовнішніх джерел енергії, які бувають двоякого роду.

Автотрофние організми, які ми знаходимо тільки в царстві рослин і серед прокариот (бактерії, синезеление водорості), можуть створювати органічні сполуки (передусім вуглеводи з СО2і Н2О) з неорганічних речовин, використовуючи додаткове джерело енергії. Для зелених рослин таким джерелом служить сонячне світло, а для деяких безбарвних бактерій - окислення неорганічних речовин (хемосинтез).

Гетеротрофние організми (всі тваринні, включаючи людини, всі гриби, багато які бактерії) повинні використати як джерело енергії органічні «живлячі речовини». Вони не можуть створювати органічні сполуки з неорганічних і живуть за рахунок автотрофних організмів і їх биосинтетических процесів (мал. 1.2). Багато які автотрофние організми розвиваються, використовуючи як єдина органічна речовина глюкозу, а як джерело азоту задовольняються NH4+або NО3-. Тваринам необхідний і азот в органічній формі (амінокислоти, білки).

Відповідно до їжі, що використовується ними види об'єднуються в харчові ланцюги, на початку яких стоять автотрофние рослини. Первинним джерелом енергії для життя на Землі служить, таким чином, сонячна енергія.

Кожну секунду Сонце випромінює 3,9·1026Дж енергії. З загальної енергії сонячного випромінювання Землі досягає лише нікчемна частка - 1,78·1017Дж/з. З цієї кількості енергії 30% відбивається поверхнею атмосфери, а по шляху через атмосферу поглинається ще 25%, так що поверхні Землі досягає усього лише біля 45% сонячного випромінювання. Загальна енергія випромінювання, падаючого на поверхня Землі, рівна 0,80·1017Дж/з. Біля 45% цієї енергії доводиться на спектральну область між 380 і 740 нм (та частина енергії може використовуватися рослинами для

Рис. 1.2 - Взаємовідносини між анаболизмом і катаболизмом у автотрофних і гетеротрофних організмів (анаболізм - побудова речовин тіла; катаболизм - розщеплення живлячих речовин)

фотосинтезу). Середню міру використання світла рослинами на Землі оцінюють в 0,25% (для культурних сільськогосподарських рослин до 2-3%); таким чином, в середньому в ассимилятах рослин на всій Землі за 1 із зв'язується кількість енергії біля 9·1013Дж, що становить 0,05% сонячних випромінювання на межі атмосфери. Цьому відповідає утворення сухої маси 4,8×109 р/з = 1,5×1014кг в рік. Цю мізерну частку сонячної енергії використовують растительноядние тварини. На наступному рівні харчового ланцюга - в тваринних тканинах - ми знаходимо тільки біля 15% «з'їденої» енергії. На кожній з подальших рівнів знову втрачається біля 80-90% енергії. У кінцевому результаті вся поглинена промениста енергія знов повертається в світовий простір у вигляді довгохвильового випромінювання («рівновага фотонних потоків» в системі Землі).

1.3.4 Отримання енергії в живих організмах

Для всіх живих організмів органічні речовини (передусім вуглеводи, а також жири і частково білки) з їх хімічною енергією служать «горючим матеріалом», з якого витягується вся енергія, необхідна для багатоманітних функцій організму. Автотрофние організми самі синтезують це «пальне», гетеротрофние отримують його від автотрофних.

При розпаді органічних речовин хімічно пов'язана енергія звільняється (катаболизм, дисиміляція). Цей розпад може відбуватися - в багатьох випадках без участі кисня (при анаеробном обміні) - до кінцевих органічних продуктів, відносно багатих енергією, таких як органічні кислоти або етанол (бродіння), а при використанні кисня (аеробний обмін) - до бідних енергією кінцевим продуктам СО2і Н2О (дихання). Таким чином, при диханні звільняється значно більше енергії.

По своєму загальному рівнянню дихання схоже з горінням (для глюкози: С6Н12О6→ 6О2= 6СО2+6Н2О). Однак при горінні найважливішим процесом, що доставляє енергію, є окислення вуглеводу до СО2, тоді як при диханні СО2образуєтся без істотних змін в енергії шляхом отщепления від органічних кислот (декарбоксилирование). У процесі дихання енергія поступово, малими порціями, звільняється при утворенні води з кисня повітря і водня, що отримується при дегидрированії субстрат.

1.3.5 Живі організми і машини

Живі організми часто порівнюють з машинами, оскільки ті і інші можуть виконувати зовнішню роботу внаслідок протікаючих в них процесів перетворення енергії. Але на відміну від всіх систем, працюючих за рахунок теплової енергії, живі організми працюють при ізотермічних умовах, без великих різниць температур; енергія, що міститься в «паливі» прямим шляхом, не перетворюючись заздалегідь в тепло, виконує корисну роботу. Тому всі організми називають хемодинамически працюючими системами.

Енергію організми використовують 1) для здійснення внутрішньої роботи - створення і підтримки структур і 2) для здійснення зовнішньої роботи. У разі машин також можна розрізнювати роботу по відновленню зношених структур (ремонт) і зовнішню роботу. Але у них обидва компоненти незалежні один від одного, і роботу по ремонту виконує, як правило, не сама машина. Живі організми здійснюють обидва процеси самі, одночасно і в тісному зв'язку їх між собою.

Машина при простої не виконує роботу, не потребує притоки енергії і практично не змінюється; її можна в будь-який час привести в дію. Живим організмам енергія потрібна навіть тоді, коли вони не виконують ніякої зовнішньої роботи: їх лабильние структури можуть підтримуватися тільки при безперервній витраті енергії. Цією своєю динамічністю всі живі організми істотно відрізняються від машин, що являють собою нерухомі, статичні системи з фіксованою конструкцією. При перерві в постачанні живого організму енергією наступає безповоротна втрата його структури - смерть.

У живих організмах не можна провести різку відмінність між структурними матеріалами і «паливом». Вони являють собою системи, які самі себе будують, підтримують в робочому стані, ремонтують, регулюють і відтворюють в багатьох примірниках і вже, тому в основі своїй відрізняються від машин.