Вопрос №1
1)Понятие термодинамической системы.
Определение: Термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии. В термодинамике широко используется понятиетермодинамической системы.
Определение: Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой.
2)Виды термодинамических систем
1)Открытая термодинамическая система(обменивается веществом и энергией с окр.средой
2)Закрытая термодинамическая система(обменивается с окр.средой только веществом)
3)Изолированная термодинамическая система(не обменивается с окр.средой)
3)Внутренняя энергия тел.
Энергию любой системы можно разделить на две части:
1) энергия, зависящая от положения и движения системы, как целого, и
2) энергия, определяемая состоянием и взаимодействием частей системы (вплоть до атомов и молекул). Вторую часть называют внутренней энергией системы U.
Изменение внутренней энергии системы (ΔU) может происходить двумя способами.
Во-первых, система может совершить работу (А) над окружающими телами.
Во-вторых, энергия может быть получена (или отдана) в результате столкновений молекул или испускания и поглощения излучения (в обыденной жизни чаще всего – инфракрасных лучей). В этом случае говорят о передаче тепла (Q). Положительным считается тепло, полученное телом.
По закону сохранения энергии отсюда следует: ΔU = Q – A (1)
Эта формула называется первым началом термодинамики. Она является одним из важнейших соотношений физики и техники.
4)Cвободная и связанная энергии.
внутренняя энергия любой системы состоит из двух разных частей:
1. Свободная энергия G– это та часть внутренней энергии, которую в принципе можно полностью использовать для совершения работы
2. Связанная энергияWСВЯЗ, которую в данных условиях вообще нельзя превратить в работу. В большинстве случаев связанная энергия – это часть энергии теплового движения составляющих систему частиц.
Сказанное можно выразить в виде формулы: U = G + WСВЯЗ (2)
5)Обратимые и необратимые процессы.
Процессы, при которых А = ΔG, называютсяобратимыми, потому что затратив работу А мы можем вернуть систему в исходное состояние.
Все процессы, в которых А < ΔG являются необратимыми; чтобы в этом случае вернуть систему в исходное состояние надо затратить работы больше, чем было получено. В любом реальном процессе часть свободной энергии обязательно превращается в тепло, то есть в связанную энергию.
6)Диссипация свободной энергии.
Переход свободной энергии в тепло называют диссипацией свободной энергии (слово „диссипация “ по-русски значит „рассеяние“). Однако, в некоторых случаях, когда диссипация незначительна, можно условно считать процесс обратимым (как, например, мы считаем воздух идеальным газом).
Вопрос №2
1)Первое начало термодинамики для закрытых процессов
2)Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.
Первое начало термодинамики:
при изобарном процессе Q=∆U+A=∆U+P∆V
при изохорном процессе A=0
Q=∆U=(m/M)*Cv∆T
при изотермическом процессе ∆U=0
Q=A=(m/M)*RT In[V1/V2]
Здесь m — масса газа, M — молярная масса газа, Cv— молярная теплоёмкость при постоянном объёме, p,V,T — давление, объём и температура газа соответственно, причём последнее равенство верно только для идеального газа.
3)Применение первого начала термодинамики к живым организмам.
. Если свободную энергию, получаемую при их усвоении, обозначить GПИЩИ, то первое начало можно записать в таком виде:
GПИЩИ = ΔU + A + Q (3)
то есть энергия пищи идёт:
а) на повышение внутренней энергии организма;
б) на совершение работы и
в) на теплоотдачу в окружающую среду (организм всегда должен отдавать тепло, иначе он перегреется, что несовместимо с жизнью).
Внутренняя энергия организма в большинстве случаев лишь колеблется в некоторых пределах, но в среднем остаётся постоянной (ΔU = 0). Тогда
GПИЩИ = A + Q (4)
Эта формула называется уравнением энергетического баланса.
Вопрос №3
1)Макроэрги, их роль в жизнедеятельности.
В живых организмах свободная энергия, получаемая при усвоении пищи, почти целиком выделяется в ходе биологического окисления, происходящего на внутренних мембранах митохондрий. Примерно 50% этой энергии диссипирует (выделяется в виде тепла, которое целиком уходит в окружающую среду). Остальные 50% тратятся на синтез так называемых макроэргов – веществ, обеспечивающих энергией все клетки организма. Важнейшим из таких веществ является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
Работа в живом организме производится за счёт энергии, выделяющейся при отщеплении от АТФ концевой фосфатной группы НРО3 (обычно обозначаемой одно буквой Ф) и переносе этой группы на какое-то другое вещество, чаще всего – на воду:
АТФ-аза
↓
А-Ф-ФФ + Н2О → А-Ф-Ф + Н3 РО4 + энергия (около30 кДж/моль)
(АТФ) (АДФ)
Реакция катализируется ферментом АТФ-азой. Количество энергии, выделяющееся при переносе фосфатной группы, может колебаться (в зависимости от условий реакции) от 26 до 38 килоджоулей на моль; обычно принимают среднюю цифру 30 кДж на моль. Другими словами, изменение химического потенциала при отщеплении фосфатной группы примерно равно 30 кДж/моль.
На совершение работы используется около 40% этой энергии, или 20% от исходной энергии пищи. Остальная энергия опять-таки превращается в тепло и уходит из организма. Таким образом, КПД организма составляет около 20%.
Резюмируя, можно сказать, что живые организмы отличаются прежде всего тем, что роль промежуточного звена между источником свободной энергии и работой в них выполняет не тепловая энергия, а химическая (энергия АТФ и других макроэргов).
Синтез макроэргов происходит, и основном, за счёт окисления мономеров, на которые расщепляются в кишечнике пищевые продукты. Важнейшим из этих мономеров является глюкоза. За счёт энергии, выделяющейся при окислении 1 моля глюкозы, может синтезироваться 36 молей АТФ. Это так называемый аэробный синтез; он требует расхода кислорода. Кроме того, 2 моля АТФ могут синтезироваться без участия кислорода при других реакциях (анаэробный синтез). Таким образом, за счёт энергии 1 моля глюкозы всего может синтезироваться 38 молей АТФ. Близкие цифры характерны и для других макроэргов.
2)Виды работ, совершаемых в организме.
. Основными направлениями затраты энергии являются:
1. Мышечная работа.
2. Синтез сложных молекул, в первую очередь – белков.
3. Поддержание разницы концентраций многих веществ (в первую очередь ионов) в цитоплазме и в межклеточной среде.
4. Поддержание разности потенциалов на мембранах клеток.
Рассмотрим эти процессы подробнее.
1. Мышечная работа не требует особых пояснений, однако, надо иметь в виду, что понятия работы в физике и в физиологии заметно различаются. Простейший пример: с точки зрения физики человек, стоящий по стойке «смирно»не совершает никакой работы (путь равен нулю
2. Синтез макромолекул. (белков) На это затрачивается значительная энергия (от 25 000 кДж/моль до 200 000 кДж/моль для разных белков). Эту энергию можно подсчитать по формуле: Gсинт = ν·Δμ (5), где ν – число синтезированных молей, Δμ – изменение химического потенциала при синтезе данного белка.
3. Поддержание разности концентраций. Во всех клетках концентрация большинства веществ внутри клетки заметно (часто во много раз) отличается от концентрации снаружи. Например, ионов калия в цитоплазме гораздо больше, чем в межклеточной жидкости, а ионов натрия, наоборот, намного больше снаружи. Такая разница концентраций необходима для жизнедеятельности клеток. Ионы (и прочие вещества) под действием разности концентраций достаточно быстро проникают через мембрану (это называют „пассивным транспортом“). Для того, чтобы концентрации внутри и снаружи не выровнялись (что несовместимо с жизнью клетки), в мембранах клеток существуют особые механизмы (их часто называют насосами), которые переносят вещества против разности концентраций. На работу таких насосов тратится заметное количество свободной энергии, которое можно подсчитать по формуле GКОНЦ=v*RT*InC1/C2 (6)
где ν – число молей перенесенного вещества; С1 и С2 - концентрации по одну и другую стороны мембраны.
4. Создание разности потенциалов на мембранах. Цитоплазма всех клеток заряжена отрицательно по отношению к межклеточной жидкости. Другими словами, на мембранах всех клеток существует постоянная разность потенциалов, называемая потенциалом покоя (ПП). Кроме того, во многих клетках в ответ на раздражение возникает кратковременная разноcть потенциалов (потенциал действия, ПД). На создание ПП и ПД нужна свободная энергия, которая в данном случае тратится на перенос ионов через мембрану против разности потенциалов U. Эта энергия рассчитывается по известной формуле Gпот = q.U(7), где q– заряд перенесенных ионов, равный: q = ν.z.U, где ν – число молей ионов, перенесенных через мембрану, z – валентность иона, F = число Фарадея, то есть заряд одного моля одновалентных ионов (F = 96 500 Кл /моль).
3)Электрохимический потенциал
Учитывая вклад всех трёх типов процессов (кроме мышечной работы) получим для общей затраты свободной энергии:
G=v*(∆µ+RT*In[C1/C2]+zFT) (9)
Величина ΔμЭХ =∆µ+RT*In[C1/C2]+zFT (10)
называется изменением электрохимического потенциала.
Именно изменение электрохимического потенциала определяет характер и направление многих физико-химических процессов, происходящих в клетках.
Вопрос №4
1)Тепловой баланс организма
В организме любого живого существа непрерывно выделяется тепло. Это тепло должно отводится в окружающую среду, иначе организм перегреется и погибнет. Однако, и слишком быстрая отдача тепла опасна для организма – она приводит к переохлаждению
Основная часть тепла выделяется в мышцах и внутренних органах, отдача же тепла идёт с поверхности тела (с кожи). Тканиорганизма плохо проводят тепло, поэтому почти всё тепло переносится изнутри к поверхности с током крови. В коже и подкожной клетчатке находится большое количество кровеносных сосудов. Проходя по ним, кровь отдаёт тепло наружу.
Через подкожную клетчатку и через одежду тепло переносится за счёт теплопроводности. Теплопроводность – это перенос тепла за счёт усиления молекулярного движения в веществе.
Нетрудно получить формулу для переноса тепла путём теплопроводности. Пусть поток тепла идёт через слой вещества (ткань, стену и т.д.). Толщину слоя обозначим х, а площадьS. Слева температура равна Т1, а справа (пусть Т1 > Т2). Очевидно, что количество тепла Q, прошедшее через слой за время t, прямо пропорционально разности температур, площади и времени и обратно пропорционально толщине слоя. Кроме того, надо учесть свойства вещества; для этого вводят коэффициент теплопроводности К. Отсюда следует, что количество тепла, переносимое путём теплопроводности, равно:
QTП=K*(T1-T2 /X) *St
2)Основные способы теплообмена организма.
С поверхности одежды и с открытых частей тела тепло уходит двумя способами: а) путём конвекции и б) путём излучения.
Конвекцией называют перенос тепла, связанный с движением газа или жидкости. 1)естественная конвенция- от каждого человека кверху поднимается поток тёплого воздуха, на место которого притекает со стороны холодный.
2)принудительная конвекция, когда движение воздуха создаётся внешней причиной (вентилятор, ветер)
Q = W/t Тепловой поток Q - количество теплоты W, (ДЖ) проходящие за время Т,(С) через данную поверхность в направлении нормали к ней
Излучение тоже играет существенную толь в теплоотдаче. В обычных комнатных условиях (в том числе, в учебной аудитории) люди путём излучения теряют до 60% тепла. Излучение человека лежит в области инфракрасных лучей (длины волн в диапазоне 3 – 20 микрометров).
Количество тепла, теряемое телом за счёт излучения, вычисляется по формуле: QИЗЛ = σ·( T14 – T24).S.t (14). Здесь σ = 5,6.10 –8 (в системе СИ; запоминать число не надо), Т1 –температура поверхности тела, Т2 – температура окружающих тел. Тут, однако, надо заметить следующее. Воздух почти прозрачен для инфракрасных лучей, поэтому за Т2 надо брать не температуру воздуха в помещении, а температуру стен, а она может быть заметно ниже температуры воздуха. Например, вполне реальна ситуация, когда лежащий на столе термометр показывает больше 200С (то есть температуру воздуха), а люди в помещении мёрзнут, потому что стены холодные.
При высокой наружной температуре на первый план выступает отдача тепла за счёт испарения. Когда наружная температура приближается к температуре тела, все рассмотренные ранее способы теплоотдачи не работают, потому что разность температур, от которой зависит перенос тепла, делается малой или даже может стать отрицательной.
Количество тепла, уносимое из организма за счёт испарения, можно подсчитать по формуле: QИСП = L· m (15),
где m – масса испарившейся воды , L– удельная теплота испарения воды (2,25.106 Дж.кг –1; запоминать число не надо). У человека испарение, в основном, связано с потоотделением; кроме того, заметную роль играет испарение воды в лёгких. Надо подчеркнуть, что следует учитывать именно количество испарившейся воды, потому что далеко не весь пот фактически испаряется. Здесь очень большое значение имеет влажность воздуха и скорость его движения.
При умеренных и низких температурах испарение тоже уносит часть тепла (в основном, за счёт испарения в лёгких), но большее значение имеют конвекция и излучение.
3)Температурный гомеостаз
Температура тела человека и многих животных поддерживается постоянной с достаточно высокой точностью. Это свойство организма называют температурным гомеостазом.
4)Способы терморегуляции
Постоянство температуры тела обеспечивается выработавшейся в ходе эволюции системой терморегуляции. Различают химическую и физическую терморегуляцию.
Химическая терморегуляция основана на изменении скорости и характера биологического окисления. Например, при переохлаждении организма выделяются гормоны, ускоряющие окисление. Кроме того, происходит разобщение окисления и синтеза АТФ: на синтез АТФ идёт не 50% энергии, выделяющейся при окислении, а меньше. Соответственно, больший процент энергии превращается в тепло; организм согревается. Однако, изменение характера биологического окисления неблагоприятно сказывается на состоянии организма, поэтому, как правило, химическая терморегуляция включается лишь в экстремальных ситуациях.
Физическая терморегуляция (играющая в большинстве случаев основную роль) осуществляется за счёт изменения характера кровообращения. При понижении температуры тела сужаются артериолы и мелкие артерии в коже и подкожной клетчатке. Приток крови к поверхности тела уменьшается (это проявляется в том, что кожа белеет). Как следствие, уменьшается передача тепла от внутренних органов и мышц к поверхности тела и отдача тепла в окружающую среду. При повышении температуры тела сосуды расширяются (кожа краснеет), с усилением кровотока увеличивается теплоотдача. Например, в пальцах количество протекающей крови в зависимости от температуры может меняться в сотни раз! При повышении температуры существенное значение имеет также усиленное потоотделение.
Вопрос №5
1)Основной обмен
Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности в условиях относительного физического и психического покоя. Эта энергия расходуется на процессы клеточного метаболизма, кровообращение, дыхание, выделение, поддержание температуры тела, функционирование жизненно важных нервных центров мозга, постоянную секрецию эндокринных желёз.
Печень потребляет 27% энергии основного обмена;
Мозг — 19%;
Мышцы — 18%;
Почки — 10%;
Сердце — 7%;
Остальные органы и ткани — 19%.
Любая работа — физическая или умственная, а также приём пищи, колебания температуры окружающей среды и другие внешние или внутренне факторы, изменяющие уровень обменных процессов, влекут за собой увеличение энергозатрат.
Основной обмен определяют в строго контролируемых, искусственно создаваемых условиях:
утром, натощак (через 12–14 часов после последнего приема пищи);
в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в состоянии спокойного бодствования;
в условиях температурного комфорта (18–20 °С);
за 3 суток до исследования из организма исключают белковую пищу;
Основной обмен выражается количеством энергозатрат из расчета 1 ккал на 1 кг массы тела в час [1 ккал/(кг×ч)]
Факторы влияющие на величину основного обмена:
возраст;
рост;
масса тела;
пол человека.
Самый интенсивный основной обмен отмечается у детей (у новорожденных – 53 ккал/кг в сутки, у детей первого года жизни – 42 ккал/кг в сутки).
Средние величины основного обмена у взрослых здоровых мужчин составляют 1300–1600 ккал/сут, у женщин эти величины на 10% ниже. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела.
С возрастом величина основного обмена неуклонно снижается. Средняя величина основного обмена у здорового человека приблизительно 1 ккал/(кг×ч).
2)Понятие о методах измерения теплопродукции организма.
Для измерения количества тепла, выделяемого организмом, существуют два метода: прямая и непрямая калориметрия.
В методе прямой калориметриииспользуются физические калориметры, сконструированные таким образом, что в них можно помещать животных или человека, Первый калориметр для измерений на людях был в начале ХХ века создан В.В.Пашутиным в Военно-Медицинской академии. На этом приборе были выполнены важные исследования биоэнергетики в норме и патологии. Метод прямой калориметрии даёт богатую и точную информацию, но он трудоёмок и требует применения сложной дорогостоящей аппаратуры. Поэтому гораздо чаще используют непрямую калориметрию. В этом методе собирают воздух, выдыхаемый человеком за определённое время, и измеряют в нём содержание О2 и СО2. По этим данным с помощью специальных таблиц определяют теплопродукцию. Непрямая калориметрия намного проще; важно также, что её можно применять не только в специальной лаборатории, а в любых условиях (у постели больного, на объектах военной техники и т.п.), но точность её заметно ниже.
Вопрос №6
1)Понятие энтропии.
ЭНТРОПИЯ, ф-ция состояния S термодинамич. системы, изменение к-рой dS для бесконечно малого обратимого изменения состояния системы равно отношению кол-ва теплоты полученного системой в этом процессе (или отнятого от системы), к абс. т-ре Т:
2)Энтропия как мера связанной энергии.
Связанная энергия-та часть внутренней энергии, которую нельзя использовать для совершения работы. По ряду причин оказалось удобнее вместо связанной
энергии ввести другую величину, которая называется энтропия и выражается формулой:
S=WСВЯЗ/T (16)
то есть энтропия S – это величина связанной энергии, приходящаяся на единицу температуры (по шкале Кельвина). Размерность энтропии – Дж.К –1. Очевидно, что WСВЯЗ = T.S, и U = G + WСВЯЗ = G + T·S, откуда получаем связь между свободной энергией и энтропией: G = U – T· S(17).
Почти всегда при изучении конкретных процессов нас интересует не столько сама энергия, сколько её изменение. В биологической термодинамике мы чаще всего имеем дело с изотермическими процессами (температура тела постоянна). В этом случае: ΔG = ΔU – T·ΔS (18).
3)Вычисление изменения энтропии через количество тепла, переданное в процессе.
Рассмотрим сначала изотермические процессы, наиболее характерные для организма. Если изменение энтропии при переходе из состояния 1 в состояние 2 обозначить ΔS1→2 ,то
∆S=Q/T (19)
где Q1→2 - это количество тепла, полученного системой в ходе обратимого перехода из первого состояния во второе.
Например, при плавлении 1 кг льда при 00С в условиях, когда нет потерь тепла (и, значит, можно процесс считать обратимым), надо сообщить льду 335 кДж (эта величина называется удельной теплотой плавления). Поэтому в данном процессе изменение энтропии льда равно  , то есть при 00С (273 К) энтропия 1 кг воды на 1,23 кДж/К больше, чем энтропия льда.
4)Второе начало термодинамики для изолированных систем.
Изолированными называют системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Абсолютно изолированных систем не бывает, но во многих случаях (например, для вещества в хорошем термосе) можно практически считать систему изолированной.
В изолированной системе общее изменение энтропии всегда положительно (то есть общая энтропия изолированной системы всегда возрастает).
Здесь важно не опустить слово „общее“. В какой-то части системы энтропия может уменьшиться, но это обязательно должно быть скомпенсировано увеличением энтропии в других частях системы.
Из формулы (18): ΔG = ΔU – T·ΔS видно, что если энтропия возрастает (ΔS > 0), то свободная энергия системы уменьшается (ΔG < 0). Поэтому второе начало можно сформулировать и по-другому: В изолированной системе общее изменение свободной энергии всегда отрицательно (то есть свободная энергия изолированной системы всегда уменьшается).
Эта формулировка более наглядна. Мы знаем, что во всех реальных процессах происходит диссипация свободной энергии, то есть часть свободной энергии превращается в связанную (преимущественно в тепловую). Если система изолированная, то извне свободная энергия не поступает, поэтому общий запас свободной энергии системы должен уменьшаться.
Второе начало термодинамики в приведенной формулировке имеет очень большое практическое значение, потому что оно позволяет точно установить, в каком направлении будет происходить тот или иной процесс. Например, если мы установим при расчёте, что при некотором процессе общая свободная энергия изолированной системы должна увеличиваться, можно категорически утверждать, что такой процесс невозможен.
Вопрос №7
1)Вероятный смысл энтропии.
Данное ранее определение энтропии носит несколько формальный характер. Остаётся неясным, почему именно изменение энтропии указывает направление процессов. Первым понял суть дела гениальный физик Людвиг Больцман. Он обратил внимание на то, что разные состояния тела, соответствующие различному расположению молекул (атомов, ионов) и разным значениям их скоростей, осуществляются с очень разной вероятностью. Поясним этот довольно сложный вопрос на относительно простых примерах.
Начнём с простейшего случая, когда в каком-то объёме находятся всего лве одинаковые молекулы „а“ и „б“ Разделим мысленно объём на две половины. Очевидно, что возможны четыре варианта расположения молекул:
-
№
|
слева
|
справа
|
1
|
а, б
|
---
|
2
|
а
|
Б
|
3
|
б
|
А
|
4
|
---
|
а, б
| Вероятность каждого варианта равна 0,25. Но варианты 2 и 3 практически неотличимы, так как молекулы одинаковы. Поэтому их надо считать за одно состояние, вероятность которого равна 0,5. Таким образом, состояние с равномерным распределением будет встречаться вдвое чаще, чем те состояния, когда обе молекулы слева или обе справа, хотя такие случаи тоже будут наблюдаться. По законам теории вероятностей с ростом числа молекул состояния с равномерным распределением будут иметь всё большую вероятность по сравнению с другими. Скажем, можно ли ожидать, что 40% молекул воздуха сами по себе в результате хаотического теплового движения соберутся в одной половине колбы, а 60% - в другой? В принципе такой случай возможен, но вероятность подобного события исчезающе мала. В результате глубокого анализа Л.Больцман установил связь между вероятностью состояния и энтропией системы частиц. Эта связь выражается формулой Больцмана: S = k · ln PТД (21).
Здесь k – постоянная Больцмана (k = 1,37.10 –23 Дж.К –1), а РТД – термодинамическая вероятность данного состояния системы.
Термодинамическая вероятность – это число вариантов расположения молекул и распределения их скоростей, соответствующая данному состоянию системы.
По самому смыслу понятия вероятности любая система, предоставленная сама себе (то есть изолированная), будет переходить из состояния с меньшей вероятностью в состояние, вероятность которого больше. Обратный переход в принципе возможен, но практически невероятен. Учитывая формулу Больцмана, мы сразу приходим к формулировке второго начала термодинамики: все реальные процессы в изолированной системе происходят в сторону состояний с большей вероятностью, то есть с увеличением энтропии. Таким образом, второе начало является вероятностным законом.
2)Флуктуация.
Флуктуации. Когда мы имеем дело с телами относительно большой массы, содержащими огромное количество молекул, отступления от второго начала практически никогда не наблюдаются. Однако, если мы переходим к малым (микроскопическим) масштабам, отступления от строгих законов теории вероятностей становятся всё более заметными. Например, если в стакане воздуха самопроизвольное отклонение в плотности газа на 1% абсолютно невероятно, то в объёме газа диаметром меньше 1 микрометра (1 мкм = 10 –6 м) подобные колбания плотности водуха на самом деле всё время происходят. Точно так же вследствие хаотичности движения молекул в микроскопических масштабах колеблются давление, энергия, концентрация ионов и многие другие величины. Подобные самопроизвольные колебания физических характеристик, происходящие в микроскопических масштабах, называются флуктуациями.
Флуктуации являются наглядным примером вероятностного характера физических процессов. Абсолютно невозможно точно предсказать, где, когда и в какую сторону изменится, например, плотность в данном объёме газа. Однако, вполне возможно (по крайней мере, в не очень сложных случаях) рассчитать вероятность той или иной флуктуации; такие расчёты многократно проводились в хорошим согласием с опытом.
Флуктуации бывают и в живых организмах. Например, вследствие флуктуаций молекул мембраны каналы, через которые идёт перенос ионов через мембрану, случайным образом то открываются, то закрываются (это можно наблюдать в опыте). Флуктуации в рецепторных клетках заметно влияют на восприятие слабых сигналов (света, звука и др.), которые теряются на фоне флуктуационного „шума“, то есть хаотических колебаний разности потенциалов на мембране, возникающих в результате флуктуаций. Для борьбы с этим явлением живые организмы выработали в ходе эволюции сложные приспособления, о которых не место говорить в данной лекции. Сейчас большое внимание уделяется исследованию флуктуаций в центральной нервной системе; по-видимому, они играют существенную роль во многих нервных процессах.
Особенно интересно, что, как показал Н.В.Тимофеев-Рессовский, возникающее в результате флуктуаций точечное кратковременное возрастание энергии около молекулы ДНК может вызвать мутацию. По мнению Тимофеева-Рессовского, большинство мутаций в обычных условиях возникают именно таким образом.
3)Упорядоченность структуры в свете второго начала термодинамики.
Надо сказать, что понятие термодинамической вероятности является более сложным, чем сформулировано выше. Слишком упрощенное использование этого понятия неоднократно приводило к заблуждениям и грубым ошибкам. Например, можно часто встретить такое рассуждение. Математика показывает, что наиболее вероятным является равномерное распределение частиц, когда в равных объёмах число частиц одинаково. Значит, любая система будет переходить в бесструктурное состояние с равномерным распределением частиц, которому соответствует максимальная вероятность (такое состояние часто называют хаотическим). На самом деле это справедливо только для идеального газа в отсутствие внешних сил; во всех прочих случаях равномерное распределение вовсе не является наиболее вероятным.
Например, в атмосфере молекулы воздуха распределены вовсе не равномерно: внизу их гораздо больше, чем наверху. Причина очевидна: при наличии силы тяжести нахождение молекулы внизу гораздо более вероятно, чем наверху. В этом случае для расчёта вероятности надо использовать более сложную формулу, учитывающую действие силы тяжести. Другой пример: в мембранах клеток молекулы фосфолипидов, образующие мембрану, расположены совсем не хаотически, а почти строго параллельно. При наличии больших сил молекулярного взаимодействия такое расположение оказывается наиболее вероятным. Таких примеров очень много, но они говорят не о нарушении второго начала термодинамики, а о том, что к определению вероятности состояния (то есть термодинамической вероятности) надо подходить очень внимательно, с учётом всех внешних и внутренних сил, действующих в данном конкретном случае.
В общем случае можно показать, что всегда при повышении упорядоченности в каком-то объекте его энтропия понижается, а при уменьшении упорядоченности энтропия объекта возрастает. При этом общая энтропия системы „объект + среда“ всегда увеличивается.
В конце ХХ века возникла новая научная дисциплина, получившая название синергетика, которая изучает процессы самоорганизации, то есть возникновение структуры (упорядоченности) в самых различных объектах. Несмотря на свою молодость, синергетика дала уже много важных результатов при изучении разнообразных процессов в природе, технике и в нашем организме, но эти вопросы выходят за рамки программы нашего курса
Вопрос №8
1)Формулировка второго начала термодинамики для открытых систем(в трактовке Пригожина)
Открытыми называются такие системы, которые обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. К открытым системам относятся все живые организмы. Очевидно, что запас свободной энергии открытой системы (в том числе и человека) может как расти, так и убывать - всё будет зависеть от того, что будет преобладать: приток свободной энергии из окружающей среды или убыль свободной энергии в результате совершения работы и процессов диссипации энергии. В частности, свободная энергия организма может и не изменяться, если названные процессы сбалансированы. Это обстоятельство долгое время смущало учёных; многие даже утверждали, что 2 начало нельзя применять к живым организмам. Надо прямо сказать, что ни один физический закон не породил столько нелепостей и ошибок, сколько было высказано по поводу второго начала термодинамики и понятия энтропии. В частности, широко распространённой была точка зрения, согласно которой живые организмы „борются“ с возрастанием энтропии мира, и в этом, якобы, и состоит космическая роль жизни. (сторонниками таких взглядов были, например, академик В.И.Вернадский и известный учёный и писатель-фантаст И.Ефремов).
Все эти недоразумения были окончательно выяснены только во второй половине ХХ века, когда проблема была рассмотрена выдающимся биофизиком, лауреатом Нобелевской премии И.Р.Пригожиным. Подход Пригожина сводится к следующему.
Для открытых систем надо различать два вида процессов:
1) процессы внутри системы и
2) процессы обмена с окружающей средой
Поэтому изменение любой величины, характеризующей систему, надо представлять, как сумму двух частей:
1) Изменение за счёт процессов внутри системы и
2) Изменение за счёт процессов обмена с окружающей средой.
Например, для свободной энергии: ΔG = ΔGI+ΔGE (22),
где ΔG – общее изменение свободной энергии, ΔGI - изменение за счёт процессов внутри системы, ΔGE- изменение за счёт обмена веществом и энергией с окружающей средой (индекс I обозначает слово interna – внутреннее, а индекс E – externa, внешнее). Все процессы внутри системы идут с диссипацией свободной энергии, поэтому изменение совободгой энергии за счёт процессов внутри системы всегда отрицательно (ΔGI< 0). Что же касается члена ΔGE, то он может иметь любой знак. Чаще система получает извне поток свободной энергии, то есть ΔGE> 0, но вполне возможны и случаи, кода система отдаёт свободную энергию другим телам; тогда ΔGE < 0. Поэтому общее изменение свободной энергии открытой системы может иметь любой знак (или равняться нулю); это никак не противоречит второму началу термодинамики.
Аналогичные рассуждения можно провести и для энтропии. Общее изменение энтропии открытой системы равно сумме: ΔS = ΔSI+ ΔSE (23), где индексы имеют тот же смысл.
Исходя из этих положений, Пригожин предложил такую формулировку второго начала термодинамики для открытых систем (в том числе, для живых организмов): в открытой системе изменение внутренней энергии за счёт процессов внутри системы всегда отрицательно, а изменение энтропии за счёт процессов внутри системы всегда положительно.
ΔGI< 0 ; ΔSI > 0 (24)
Подход Пригожина позволил разрешить все противоречия и спорные вопросы, которые накопились за столетие. Формулировка Пригожина сейчас принята всеми; не известно ни одного случая нарушения установленных им закономерностей.
2)Продукция энтропии и поток энергии.
. Во многих случаях представляет интерес скорость изменения энтропии, которая выражается производной энтропии по времени. Дифференцируя формулу (23), получим:
 (25)
Первый член справа называют продукцией энтропии, а второй член – потоком энтропии. Очевидно, что  (26)
Эту формулу тоже можно считать выражением 2 начала термодинамики для открытых систем.
3)Стационарное состояние.
Стационарным состоянием системы называют состояние, в котором процессы в системе так сбалансированы, что основные величины, характеризующие систему, остаются постоянными.
Живые организмы большую часть времени проводят именно в стационарном состоянии (точнее – переходя время от времени из одного стационарного состояния в другое, например – из состояния сна в состояние бодрствования и наоборот). Это свойство живых существ называют гомеостазом. Поддержание стационарного состояния (гомеостаз) имеет большое значение для нормальной жизнедеятельности. В организме всё время идут длинные цепи сопряжённых физических процессов и химических реакций. Эти процессы очень по разному зависят от температуры, рН и многих других параметров. Поэтому, если эти параметры меняются, нарушается согласование важных жизненных процессов. Чтобы такое не происходило, в организме существуют сложные системы регулирования, достаточно точно поддерживающие стационарное состояние. Наоборот, болезни в большинстве случаев сопровождаются нарушением гомеостаза.
4)теорема Пригожина
Пригожин доказал положение, которое называется теоремой Пригожина: в стационарном состоянии продукция энтропии минимальна  (в стационарном состоянии) (27). Нетрудно понять, что минимальная продукция энтропии соответствует минимальной диссипации свободной энергии (минимальным потерям энергии), то есть максимальному КПД. Поэтому можно сказать, что в стационарном состоянии КПД системы наибольший. Это тоже важное свойство стационарных состояний.
Вопрос №9
1)Структура биологических мембран
2)Физико-химические свойства биологических мембран
3)Функции биологических мембран
Отграничивают содержимое клетки от внешней среды и содержимое органелл от цитоплазмы.
Обеспечивают транспорт веществ в клетку и из нее, из цитоплазмы в органеллы и наоборот.
Выполняют роль рецепторов (получение и преобразование сит-налов из окружающей среды, узнавание веществ клеток и т. д.).
Являются катализаторами (обеспечение примембранных химических процессов).
Участвуют в преобразовании энергии.
Биологическая мембрана- это функционально активная билково-липидная структура, образующая границу между клеткой и окружающей средой.
Ф-и: Механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки. Барьерно транспортная- обеспечивает изберательный, регулируемый пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой. Матричная – оринтация мембранных белков. Энергетическая – синтез АТФ на митохондриях. Рецепторная. Проведение биопотенциала. Ферментативная.
Строение: двойной молекулярный слой липидов + белки. Липиды повёрнуты гидрофобными хвостами друг к другу, а гидрофильными головками наружу.
Различают активный и пассивный транспорт веществ через мембрану:
Пассивный: по градиенту концентрации без затраты энергии АТФ.
Активный: против градиента концентрации с затратой энергии.
Диффузия- перпенос вещества из области с меньшей концентрации в область меньшей концентрации за счёт теплового движения молекул.
Свободная диффузия- перенос низкомолекулярных веществ через липидный слой
Облегченная диффузия- перенос крупных органических молекул за счёт интегральных молекул
Электродиффузия
Поток вещества: Ф=m/t
Плотность потока вещества J=Ф/S
Насыщаемость- поток вещества падает при насыщении
1)Структура биологических мембран
Основу мембраны составляет липидный бислой – двойной слой молекул липидов, которые обладают свойствомамфифильности (содержат как гидрофильные, так и гидрофобные функциональные группы). В липидном бислое гидрофобные участки молекул взаимодействуют между собой, а гидрофильные участки обращены в окружающую водную среду.
Мембранные липиды выполняют роль растворителя мембранных белков, создавая жидкую среду, в которой они могут функционировать. По степени влияния на структуру бислоя и по силе взаимодействия с ним мембранные белки делят на интегральные и периферические.
2)Физико-химические свойства биологических мембран
Все мембраны по своей организации и составу обнаруживают ряд общих свойств. Они:
• состоят из липидов, белков и углеводов;
• являются плоскими замкнутыми структурами;
• имеют внутреннюю и внешнюю поверхности (асимметричны);
избирательно проницаемы.
3)Функции биологических мембран
1. Отграничивают содержимое клетки от внешней среды и содержимое органелл от цитоплазмы.
2. Обеспечивают транспорт веществ в клетку и из нее, из цитоплазмы в органеллы и наоборот.
3. Выполняют роль рецепторов (получение и преобразование сит-налов из окружающей среды, узнавание веществ клеток и т. д.).
4. Являются катализаторами (обеспечение примембранных химических процессов).
5. Участвуют в преобразовании энергии
Вопрос №10
Виды пассивного транспорта Все виды пассивного транспорта основаны на принципе диффузии. Небольшая частица, растворённая в жидкости, постоянно подвергается ударам со стороны окружающих её молекул жидкости. Результатом этого является хаотическое движение частицы, которое называется броуновским движением. Диффузия является результатом хаотических независимых движений многих частиц. Если концентрация вещества одинаковая в каждой части раствора, то движение частиц хаотично. При этом существует дрейф частиц из областей, где они расположены более плотно, в области, где частиц меньше.
Диффузия незаряженных частиц вызывается их концентрационным градиентом и направлена в сторону уменьшения этого градиента. Частицы вещества перемещаются из области более высокой концентрации вещества в области, где концентрация этого вещества низкая.Диффузия постепенно уменьшает градиент концентрации до тех пор, пока не наступит состояние равновесия. При этом в каждой точке установится равная концентрация, и диффузия в обоих направлениях будет осуществляться в равной степени. Диффузия является пассивным транспортом, поскольку не требует затрат внешней энергии
Существует несколько видов диффузии в плазматической мембране:
1) Свободная диффузия.
2) Облегченная диффузия неэлектролитов.
3) Электродиффузия (облегченная диффузия ионов). 2)Гидрофильные вещества плохо проходят через липидный бислой, поскольку они почти не растворяются в жирах. Такие вещества проходят через мембрану либо через мембранные каналы, либо с помощью переносчиков. Переносчики – это белковые молекулы, которые соединяясь с переносимым веществом образуют жирорастворимый комплекс. Этот комплекс может проходить через мембрану по механизму диффузии. Поэтому скорость транспорта гидрофильных веществ с переносчиком сильно возрастает по сравнению с прямым переносом этих веществ через мембрану. Из-за этого транспорт с участием переносчика называют облегченной диффузией. |
Скачать 189.82 Kb.