Биологические системы с точки зрения термодинамики

Открытые живые системы

С точки зрения термодинамики, биологические системы относятся к открытым системам, то есть таким, которые обмениваются со средой и веществом, и энергией. В связи с этим энергетика биологических объектов должна рассматриваться с позиций термодинамики открытых систем. Последняя исходит из того, что изменения энтропии внутри системы обязательно сочетается с изменениями энтропии в среде.

Для открытых систем характерна следующая ситуация: во вне направляется поток положительной энтропии. Но одновременно в систему поступает свободная энергия извне, имеет место поток отрицательной энтропии -негэнтропия. Так, например, организм получает из среды пищевые вещества вместе с заключенной в них энергии. Он выделяет в среду продукты обмена по первому началу термодинамики - сколько энергии получает, столько и отдаёт.

Однако, получаемая и отдаваемая энергия неравноценны. Извне поступают вещества довольно сложного строения, упорядоченные и обладающие значительным запасом свободной энергии. Эти вещества и эта энтропия используются для построения самого себя, свои структур. За счёт этого энтропия может поддерживаться в системе на низком уровне и даже уменьшаться.

Продукты же обмена, выводимые из системы - это вещества с высокой энтропией, без организованная, и с малым запасом свободной энергии. Таким образом, уменьшение энтропии в биологической системе с лихвой перекрывается увеличением энтропии в среде.

В отличие от изолированных систем, для которых наиболее устойчивым состоянием является термодинамическое равновесие, открытые системы, благодаря обмену веществ и энергии со средой, способные поддерживать устойчивое состояние и сохранять свои свойства, не достигает равновесия, то есть находится в стационарном состоянии.

Энтропия замкнутой системы в состоянии равновесия не изменяется, потому, что она достигла максимума. Энтропия же открытой системы в стационарном состоянии не является максимальной, она постоянно продуцируется внутри системы, но сохраняется постоянной за счёт обмена со средой.

Таким образом, для живых систем характерно неравновесное состояние.

Л.И. Королева-Мунц

Развитие системных представлений в науке, подробнее...