Відкриті біологічні системи, закони термодинаміки і термодинамічні потенціали

РОЗДІЛ 5. ТЕРМОДИНАМІЧНІ ТА СИНЕРГЕТИЧНІ ПРИНЦИПИ БІОФІЗИКИ СКЛАДНИХ СИСТЕМ

"Віки і тисячоліття пройшли, доки люд­ська думка спромоглася відзначити риси єдиного зв'язаного механізму у картині природи, що здавалася хаотичною ".

В.І. Вернадський

Зародження живої матерії в процесі еволюції довко­лишнього світу, виникнення впорядкованих структур в неживій природі та в складних біологічних системах -явища, які продовжують залишатися одними з найдивовижніших для розуміння в межах матеріалістичної науки.

Класичні запитання сучасного природознавства і науки в цілому можуть бути сформульовані так: чому, з одного боку, спостерігається встановлення рівноваги (теплової, механічної тощо), а з другого боку, спостерігається усклад­нення об'єктів у процесі біологічної еволюції, тобто працює принцип Дарвіна? Чому знання точних фізичних і хімічних законів, таких як закони Ньютона, закон Кулона та інших, не дає змоги часто описати найпростіші властивості живих систем? Чи існує зв'язок між основними законами, за допомогою яких можна дослідити природні та суспільні явища?

За умови значної диференціації науки аж до самого останнього часу відповіді на ці запитання відносилися скоріше до компетенції філософії. Кожний розділ природо­знавства та суспільних наук використовував і використовує свої методи дослідження і підходи, які, зазвичай, не мають спільних точок зіткнення. Водночас існують універсальні принципи природи і відповідні методи дослідження, які можна застосувати для будь-яких систем. Це передусім методи термодинаміки та синергетики, до вивчення основ яких у застосуванні до складних медико-біологічних систем ми переходимо в цьому розділі.

Найважливіша властивість живих організмів полягає в їх здатності перетворювати і запасати енергію в різних формах. Саме цим визначається значення термодинамічного підходу для вивчення спільних закономірностей перетво­рення енергії, які є універсальними і загальними для явищ як живої, так і неживої природи. Інша специфіка біологіч­них об'єктів полягає в тому, що вони не є ізольованими від зовнішнього середовища. Через контакти із зовнішнім сере­довищем живі організми обмінюються з оточенням речови­ною, енергією та інформацією, тобто є відкритими систе­мами.

Дослідники, вивчаючи складні процеси в живих системах, створюють певні моделі цих процесів шляхом аналізу медико-біологічних даних. При цьому, зокрема, використовується феноменологічний, або термодинамічний підхід. Закони термодинаміки відкритих систем представля­ють саме ту універсальну основу, на якій мають будуватися і вдосконалюватися подібні моделі. Нагадаємо основні закони термодинаміки.

Перший закон (перше начало) термодинаміки: теплота, що підводиться до системи, йде на зміну її внутрішньої енергії та на роботу, яку здійснює система над зовнішніми тілами.

Математичний запис 1-го начала термодинаміки вигля­дає так:

(5.1)

де враховано, що внутрішня енергія є повним диференці­алом відповідних термодинамічних змінних, тоді як теплота і робота не є такими.

Емпірична основа для 1-го начала термодинаміки була створена насамперед дослідженнями англійського фізика Джоуля, який в 1840-1845 рр. показав, що потрібна одна і та сама механічна робота для нагрівання певної кількості води.

Цікаво відзначити той значний внесок, який зробили медики у встановлення цього одного з найважливіших законів природи. Так, вважається, що честь відкриття 1-го закону (начала) термодинаміки, який є по суті законом збереження енергії, належить разом з фізиками Джоулем і Гельмгольцем ще й лікарю Майєру.

Дата добавления: 2015-05-24