Термодинамическое равновесие биологической системы
Термодинамикой называется раздел физики, изучающий тепловую энергию и принципы ее распределения по всему объему вещества или определенной среды. Эта дисциплина основывается на некоторых общих универсальных принципах и использует опытные данные многих других наук. Термодинамическое равновесие является краеугольным камнем этой сферы научных знаний.
Одним из важнейших и, возможно, самым специфическим свойством живых организмов является их уникальная способность к преобразованию энергии и хранению ее в самых разнообразных формах. Термодинамическое равновесие – это такое состояние системы, при котором ее параметры и характеристики не могут измениться с течением времени без воздействия каких-либо внешних факторов.
То есть: теоретически изолированная физическая система, состоящая из одного или нескольких физических объектов, может бесконечно пребывать в состоянии баланса. Если нарушить термодинамическое равновесие, любая система будет стремиться возвратиться к своему стабильному состоянию самостоятельно. Это один из основополагающих принципов физики, на котором слишком многое построено и в нашей жизни, и в природе.
Легче всего представить себе термодинамическое равновесие на примере такого естественного человеческого атрибута, как термос с горячим чаем, который и представляет собой ту самую изолированную систему. Разумеется, температура в любой точке вещества (в данном случае - чая) будет одинаковой. Но если опустить в термос кубик льда, термодинамическое равновесие моментально нарушится, поскольку возникнет разница температур в различных участках жидкости.
При этом теплопередача будет происходить из области более высокой температуры в направлении более холодных участков, пока во всем объеме не будет установлена однородность теплового режима. Когда это произойдет, стабильность будет восстановлена. Так работает любая термодинамическая система, независимо от ее масштаба и количества объектов, из которых она состоит.
Основное условие равновесия, которым является одинаковый температурный показатель во всех точках системы, особенно важно для живых организмов. Всем биологическим объектам для поддержания нормальной жизнедеятельности требуется регулярное поступление энергии. Все биологические процессы также нуждаются в стабильной передаче тепла и его равномерном распределении.
Например, растения, накапливая солнечную энергию, преобразовывают ее в химические связи органических веществ посредством фотосинтеза. В организме животных все происходит с точностью до наоборот – органические вещества, получаемые с пищей, превращаются в энергию. Все подобные процессы (у представителей как растительного, так и животного мира) происходят в точном соответствии с принципами термодинамической системы.
Основные понятия термодинамики универсальны и незыблемы как для живых биологических систем, так и для неживой природы. Принципы термодинамики гласят, что любая совокупность связанных объектов может называться термодинамической системой. Разница только в масштабах и количестве объектов. Примерами таких систем могут служить клетки нашего организма, сердце или другие внутренние органы. Весь организм тоже в каком-то смысле является термодинамической системой. Даже такие гигантские объекты, как биосфера, океаны также относятся к этому разряду. И они подчинены тем же законам термодинамического равновесия.