Това са законите на термодинамиката в биологичните системи

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.

Законите на термодинамиката са набор от четири твърдения, които описват как енергията се трансформира и как се предава от една система към друга или между система и нейната среда. Тези закони са от огромно значение за науката, тъй като ни помагат да разберем причината, поради която се случват много от явленията, които виждаме всеки ден.

В този смисъл няма по-особен и впечатляващ феномен от самия живот и той не убягва от законите на термодинамиката. След това ще проучим как тези закони се прилагат към биологичните системи и как са ни помогнали да разберем всичко – от най-простите процеси, като пасивна дифузия през мембрана, до сложната машина, която ни позволява да трансформираме храната си в енергия, за да поддържаме живота , живот.

Законите на термодинамиката са четири:

  • Нулев закон.
  • Първият закон на термодинамиката.
  • Вторият закон на термодинамиката.
  • Трети закон на термодинамиката.

Въпреки това, от четирите закона, нулевият закон е сравнително тривиален и третият закон има малко преки приложения в биологията, така че в тази статия разглеждаме нулевия закон и третия закон само повърхностно.

Термодинамични системи в биологията

За да разберем напълно термодинамиката като цяло, трябва да започнем с разбирането какво е термодинамична система. Това се отнася до частта от Вселената, която изучаваме. Останалата част от Вселената, която не е част от системата, се нарича околна среда.

В зависимост от характеристиките на техните стени или границата между системата и околната среда, системите могат да бъдат изолирани, затворени или отворени. Биологичните системи обикновено са отворени системи, които позволяват преминаването на енергия и материя от околната среда към системата и обратно.

нулевият закон

Нулевият закон е свързан с топлинното равновесие, тоест състоянието, при което две тела, които са в топлинен контакт, не обменят топлина едно с друго. Този закон може да се формулира по следния начин:

Две системи в топлинно равновесие с трета също са в топлинно равновесие една с друга.

Това е илюстрирано на следващата фигура. Ако системите A и B са в термично равновесие и системите B и C също са в термично равновесие, тогава системите A и C трябва да са в термично равновесие.

нулев закон на термодинамиката в биологичните системи

Приложение на нулевия закон в биологичните системи

Както току-що отбелязахме, нулевият закон ни позволява да установим кога две системи са в топлинно равновесие. Ние прилагаме този закон без да го осъзнаваме всеки път, когато измерваме температурата с термометър.

Например, ако оставим термометъра в контакт с вътрешността на устата ни (която е биологична система), топлинно равновесие в крайна сметка ще бъде постигнато между стъклото на термометъра и устата. Въпреки това, когато отчитаме температурата благодарение на живака вътре, предполагаме, че живакът също ще бъде в термично равновесие с устата, въпреки че не е в пряк контакт с нея.

Въпреки това, тъй като живакът е в контакт и е в термично равновесие със стъклото, а стъклото е в термично равновесие с устата, тогава нулевият закон гласи, че живакът също трябва да бъде в термично равновесие с устата.

Първият закон на термодинамиката

Първият закон е законът за запазване на енергията. Това гласи, че енергията във Вселената е постоянна. Тя нито се създава, нито се унищожава, тя само се трансформира . Това означава, че никога не може да възникне процес в която и да е система (независимо дали е биологична или не), при който системата получава енергия от някакъв вид, без околната среда да я губи.

Този закон има много проста математическа форма, която е:

Първи закон на термодинамиката в биологичните системи

където U представлява вътрешната енергия на системата, q е количеството топлина, което влиза в системата, а w е количеството работа, което системата предава на околната среда. В някои случаи работата се записва с положителен знак, но се заменя с работата, която средата извършва върху системата; във всеки случай значението на двете уравнения е абсолютно същото.

Приложение на първия закон в биологичните системи

Много е лесно да се разбере приложението на първия закон към биологични системи от всякакъв размер, от малка бактерия, през човешко същество, до гигантска секвоя. Това е просто баланс на енергията.

Пример за приложение на първия закон в биологичните системи

Можем да разглеждаме храната си като източник на енергия, „калориите“, които ядем. Телесните мазнини, които са един от начините, по които тялото съхранява енергия, представляват вътрешното енергийно ниво, докато w, работата, която системата върши, е упражнение. Погледнат по този начин, първият закон ни дава много просто обяснение, за да разберем защо напълняваме. Всеки път, когато ядем храна, тоест калории, ако не ги изгаряме чрез упражнения, за да ги върнем в околната среда, те ще се съхраняват под формата на вътрешна енергия, тоест под формата на телесни мазнини.

Всеки, който иска да отслабне, трябва да се увери, че q (това, което яде) е по-малко от w (енергията, която изразходва за упражнения и развитие на жизнените си функции).

Този закон ни позволява ясно да установим кои процеси са възможни и кои невъзможни. Да отслабнем, като приемаме повече калории, отколкото изгаряме, е просто невъзможно, колкото и да искат да ни убедят в това.

Вторият закон на термодинамиката

Вторият закон гласи, че във всеки естествен или спонтанен процес част от вътрешната енергия винаги се губи под формата на топлина. Това обяснява защо топка, която е пусната от определена височина и е позволена да отскочи всеки път, когато достигне по-ниска височина, докато свърши в покой на земята.

Ако следваме първия закон, потенциалната енергия, която първоначално е била съхранена в топката, трябва да е отишла някъде. Вторият закон установява, че тази енергия се разсейва под формата на топлина към околната среда.

Приложение на втория закон в биологичните системи

Вторият закон има много последици за биологията и биологичните системи. Въпреки това, за да разберем как се прилага в този клон на науката, първо трябва да разберем концепциите за ентропия и свободна енергия на Гибс и как те се отнасят към втория закон.

ентропия

Винаги, когато говорите за Втория закон, вие говорите за ентропия, физическа концепция, представена с буквата S. Ентропията първоначално е открита като функция на състоянието, чиято промяна по време на термодинамичен процес е мярка за количеството топлина, разсеяно по време на този процес. Въпреки това, учен на име Лудвиг Болцман откри, че ентропията всъщност е мярка за безпорядъка на една система.

Чрез различни математически манипулации се стигна до заключението, че вторият закон може да бъде формулиран по отношение на промяната на ентропията на Вселената (ΔS U ), както следва:

Всеки естествен или спонтанен процес задължително предполага увеличаване на ентропията на Вселената .

Това означава, че ентропията и вторият закон ни предоставят инструмент за прогнозиране кога даден процес ще бъде спонтанен и кога не. Освен това, той ни дава обяснение за тенденцията на всички процеси във Вселената след Големия взрив . Можем да кажем, че всичко, което се случва във Вселената днес, е насочено към разсейване под формата на топлина на цялата енергия, която е била освободена по време на формирането на Вселената.

Свободна енергия на Гибс

На практическо ниво вторият закон се прилага към биологични системи чрез друга функция на състоянието, наречена свободна енергия на Гибс, представена с буквата G. Както показва името му, това се състои от максималното количество енергия, което една система е свободна. да се използва за извършване на работа, различна от разширяване. Това е особено важно в биологията и биохимията, тъй като включва работа върху процеси като дифузия през мембрани (независимо дали са активни или пасивни), всички ензимно-катализирани реакции, електрохимични процеси (включително потенциали за действие в неврони и мускулни клетки) и др.

Значението на енергията на Гибс е, че при нормалните условия, в които протичат животът и биологичните процеси, промяната в свободната енергия на Гибс, тоест ΔG, е пряко свързана с промяната в ентропията на Вселената. (ΔS U ), по такъв начин, че ако знаем знака на ΔG, тогава можем да изведем знака на ΔS U , така че да можем да го използваме като критерий за спонтанност на химични реакции и други процеси, които се случват в клетките на нашето тяло .

Критериите за спонтанност са обобщени в следната таблица:

знак на ΔG знак на ΔS U спонтанност на процеса
ΔG > 0 (положителен) ΔS U < 0 (отрицателен) спонтанен процес
ΔG < 0 (отрицателен) ΔS U > 0 (положителен) неспонтанен процес
ΔG = 0 ΔS U = 0 Система в термодинамично равновесие

Свързване на биохимични реакции

Процеси, които имат отрицателна промяна на свободната енергия и следователно са спонтанно освобождаване на енергия и следователно се наричат ​​екзергонични или екзотермични процеси. От друга страна, тези с отрицателен ΔG не са спонтанни, те абсорбират енергия и се наричат ​​ендергонични или ендотермични.

Просто казано, спонтанните процеси освобождават енергия по естествен път, докато неспонтанните процеси не могат да възникнат спонтанно, освен ако не е осигурена свободната енергия, необходима за тяхното възникване. Това означава, че спонтанна реакция може да се използва за осигуряване на енергията, необходима за протичане на неспонтанна реакция.

За да разберем това по-добре, нека си представим кола, която е в основата на планина. Би било много рядко да го видите спонтанно да изкачва планината с изключен двигател и без чужда помощ. Въпреки това, когато стартирате двигателя, изгарянето на бензин или потокът от електричество спонтанно освобождават големи количества енергия, енергия, която се използва за завъртане на колелата и задвижване на колата нагоре. По този начин един спонтанен процес беше съчетан с неспонтанен.

Пример за прилагане на втория закон в биологичните системи

Най-важният пример за прилагането на този закон към биологичните системи е използването на АТФ като източник на енергия за задвижване на повечето от биохимичните реакции, които поддържат живота.

Хидролизата на АТФ е силно екзотермичен процес (както е изгарянето на бензин в предишния пример). Ензимите вътре в клетките използват тази и други спонтанни реакции на хидролиза, за да освободят енергията, от която се нуждаят, за да управляват други биохимични реакции, които са от съществено значение за живота, като биосинтеза на протеини и нуклеинова киселина.

Трети закон на термодинамиката

Третият закон (или третият принцип) гласи, че всяка система има тенденция да губи ентропия с понижаване на температурата и че достига този минимум при абсолютната нула. За случая на перфектни едноатомни кристални твърди тела, ентропията при абсолютната нула е нула.

Този закон ни позволява да разберем ентропията като абсолютна скала и също така ни позволява да определим стойността на абсолютната ентропия на всяко вещество във всеки набор от условия на температура и налягане.

Приложение на третия закон в биологичните системи

Полезността на този закон е, че ни позволява да имаме пряка мярка за истинското ниво на разстройство на различни химични вещества при различни условия и значително улеснява теоретичното изчисляване на вариациите на ентропията (и като разширение, свободната енергия). de Gibbs) за всяка химическа реакция, включително биохимични реакции, които се случват в биологични системи.

Препратки

Atkins, P., & dePaula, J. (2014). Физикохимия на Аткинс (рев. изд.). Оксфорд, Обединено кралство: Oxford University Press.

Чанг, Р. (2008). Физическа химия (3-то издание). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw Hill.

Clark, MA, Douglas, M., & Choi, J. (2018 г., 28 март). 6.3 Законите на термодинамиката – Биология 2e | OpenStax. Извлечено от https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics

Кан Академия. (2017). Законите на термодинамиката (статия). Извлечено от https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics

Máxima U., J. За: Features.co. (26 май 2021 г.). Закони на термодинамиката. Извлечено от https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/

Nelson, DL, Cox, MM, & Foix, CCM (2018). Lehninger Принципи на биохимията (1- во издание ). Барселона, Испания: OMEGA EDITIONS, SA

Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados