Nämä ovat termodynamiikan lakeja biologisissa järjestelmissä

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


Termodynamiikan lait ovat joukko neljää lausetta, jotka kuvaavat, kuinka energia muuttuu ja kuinka se siirtyy järjestelmästä toiseen tai järjestelmän ja sen ympäristön välillä. Nämä lait ovat äärimmäisen tärkeitä tieteelle, koska ne auttavat meitä ymmärtämään syyn siihen, miksi monet joka päivä näkemämme ilmiöt tapahtuvat.

Tässä mielessä mikään ilmiö ei ole erikoisempi ja vaikuttavampi kuin elämä itse, eikä se välty termodynamiikan laeilta. Seuraavaksi tutkimme, kuinka nämä lait koskevat biologisia järjestelmiä ja kuinka ne ovat auttaneet meitä ymmärtämään kaikkea yksinkertaisista prosesseista, kuten passiivinen diffuusio kalvon läpi, monimutkaisiin koneisiin, joiden avulla voimme muuttaa ruokamme energiaksi elämän ylläpitämiseksi. elämä.

Termodynamiikan lakia on neljä:

  • Nolla laki.
  • Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö.
  • Termodynamiikan toinen pääsääntö.
  • Termodynamiikan kolmas pääsääntö.

Neljästä laista nollalaki on kuitenkin suhteellisen triviaali ja kolmannella lailla on vähän suoria sovelluksia biologiassa, joten tässä artikkelissa käsittelemme nollalakia ja kolmatta lakia vain pinnallisesti.

Termodynaamiset järjestelmät biologiassa

Ymmärtääkseen täysin termodynamiikkaa yleisesti, on aloitettava ymmärtämällä, mikä termodynaaminen järjestelmä on. Tämä viittaa siihen universumin osaan, jota tutkimme. Muuta maailmankaikkeutta, joka ei ole osa järjestelmää, kutsutaan ympäristöksi.

Seinien ominaisuuksista tai järjestelmän ja ympäristön välisestä rajasta riippuen järjestelmät voivat olla eristettyjä, suljettuja tai avoimia. Biologiset järjestelmät ovat yleensä avoimia järjestelmiä, jotka mahdollistavat sekä energian että aineen siirtymisen ympäristöstä järjestelmään ja päinvastoin.

nollalaki

Nollasääntö liittyy lämpötasapainoon, eli tilaan, jossa kaksi lämpökosketuksessa olevaa kappaletta eivät vaihda lämpöä keskenään. Tämä laki voidaan ilmaista seuraavasti:

Kaksi lämpötasapainossa olevaa järjestelmää kolmannen kanssa ovat myös termisessä tasapainossa keskenään.

Tämä on havainnollistettu seuraavassa kuvassa. Jos järjestelmät A ja B ovat lämpötasapainossa ja järjestelmät B ja C ovat myös lämpötasapainossa, järjestelmien A ja C on oltava termisessä tasapainossa.

termodynamiikan nollasääntö biologisissa järjestelmissä

Nollan lain soveltaminen biologisissa järjestelmissä

Kuten olemme juuri havainneet, nollalaki antaa meille mahdollisuuden määrittää, milloin kaksi järjestelmää ovat lämpötasapainossa. Käytämme tätä lakia ymmärtämättä sitä joka kerta, kun mittaamme lämpötilaa lämpömittarilla.

Jos esimerkiksi jätämme lämpömittarin kosketuksiin suun sisäpuolen kanssa (joka on biologinen järjestelmä), lämpötasapaino saavutetaan lopulta lämpömittarin lasin ja suun välillä. Lukeessamme lämpötilaa sisällä olevan elohopean ansiosta oletamme kuitenkin, että elohopea on myös lämpötasapainossa suun kanssa, vaikka se ei olekaan suorassa kosketuksessa sen kanssa.

Koska elohopea on kuitenkin kosketuksessa lasin kanssa ja on lämpötasapainossa lasin kanssa ja lasi on lämpötasapainossa suun kanssa, nollasääntö sanoo, että elohopean on oltava myös lämpötasapainossa suun kanssa.

Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö

Ensimmäinen laki on energian säilymisen laki. Tämä kertoo, että universumin energia on vakio. Sitä ei luoda eikä tuhota, se vain muuttuu . Tämä tarkoittaa, että missään järjestelmässä (olipa se biologisessa tai ei) ei voi koskaan tapahtua prosessia, jossa järjestelmä saa jonkinlaista energiaa ympäristön menettämättä sitä.

Tällä lailla on hyvin yksinkertainen matemaattinen muoto, joka on:

Biologisten järjestelmien termodynamiikan ensimmäinen laki

missä U edustaa järjestelmän sisäistä energiaa, q on järjestelmään tulevan lämmön määrä ja w on työn määrä, jonka järjestelmä välittää ympäristöön. Joissakin tapauksissa teos kirjoitetaan positiivisella merkillä, mutta se korvataan työllä, jota ympäristö tekee järjestelmässä; joka tapauksessa molempien yhtälöiden merkitys on täsmälleen sama.

Ensimmäisen lain soveltaminen biologisissa järjestelmissä

On erittäin helppoa ymmärtää ensimmäisen lain soveltaminen kaikenkokoisiin biologisiin järjestelmiin, pienestä bakteerista ihmiseen ja jättimäiseen sekvoiaan. Se on yksinkertaisesti energiatasapaino.

Esimerkki ensimmäisen lain soveltamisesta biologisissa järjestelmissä

Voimme nähdä ruokamme energian lähteenä, syömämme ”kalorina”. Kehon rasva, joka on yksi tavoista, jolla keho varastoi energiaa, edustaa sisäistä energiatasoa, kun taas w, järjestelmän tekemä työ, on harjoittelua. Näin katsottuna ensimmäinen laki antaa meille hyvin yksinkertaisen selityksen ymmärtääksemme miksi lihomme. Aina kun syömme ruokaa eli kaloreita, jos emme polta niitä harjoittelemalla palauttaaksemme ne ympäristöön, ne varastoidaan sisäisen energian muodossa eli kehon rasvan muodossa.

Jokaisen, joka haluaa laihtua, on varmistettava, että q (mitä he syövät) on pienempi kuin w (energia, jonka he käyttävät harjoitteluun ja elintoimintojensa kehittämiseen).

Tämän lain avulla voimme selvästi määrittää, mitkä prosessit ovat mahdollisia ja mitkä mahdottomia. Painonpudotus syömällä enemmän kaloreita kuin poltamme on yksinkertaisesti mahdotonta, vaikka he haluaisivatkin vakuuttaa meidät siitä.

Termodynamiikan toinen pääsääntö

Toinen laki sanoo, että missä tahansa luonnollisessa tai spontaanissa prosessissa osa sisäisestä energiasta häviää aina lämmön muodossa. Tämä selittää, miksi tietyltä korkeudelta vapautuva pallo saa pomppia joka kerta kun se saavuttaa alemman korkeuden, kunnes se päätyy lepäämään maassa.

Jos mennään ensimmäisen lain mukaan, pallon potentiaalisen energian, joka alun perin varastoitiin, on täytynyt mennä jonnekin. Toinen laki määrää, että tämä energia hajoaa lämmön muodossa ympäristöön.

Toisen lain soveltaminen biologisissa järjestelmissä

Toisella lailla on monia vaikutuksia biologiaan ja biologisiin järjestelmiin. Kuitenkin ymmärtääksemme, kuinka se koskee tätä tieteenalaa, meidän on ensin ymmärrettävä entropian ja Gibbsin vapaan energian käsitteet ja kuinka ne liittyvät toiseen lakiin.

haje

Aina kun puhutaan toisesta laista, puhutaan entropiasta, fysikaalisesta käsitteestä, jota edustaa kirjain S. Entropia löydettiin alun perin tilafunktiona, jonka muutos termodynaamisen prosessin aikana on mittaa tämän prosessin aikana hajotetun lämmön määrästä. Ludwig Boltzmann -niminen tiedemies havaitsi kuitenkin, että entropia on itse asiassa järjestelmän epäjärjestyksen mitta.

Erilaisten matemaattisten manipulaatioiden avulla päätettiin, että toinen laki voidaan ilmaista universumin entropian muutoksena (ΔS U ) seuraavasti:

Jokainen luonnollinen tai spontaani prosessi merkitsee välttämättä maailmankaikkeuden entropian kasvua .

Toisin sanoen entropia ja toinen laki antavat meille työkalun ennustaa, milloin prosessi on spontaani ja milloin ei. Lisäksi se antaa meille selityksen kaikkien maailmankaikkeuden prosessien kehityksestä alkuräjähdyksen jälkeen . Voisimme sanoa, että kaiken, mitä universumissa nykyään tapahtuu, on tarkoitus haihduttaa lämmön muodossa kaikki maailmankaikkeuden muodostumisen aikana vapautunut energia.

Gibbsin ilmaista energiaa

Käytännön tasolla toista lakia sovelletaan biologisiin järjestelmiin toisen tilafunktion avulla, jota kutsutaan Gibbsin vapaaksi energiaksi, jota edustaa kirjain G. Kuten sen nimi osoittaa, tämä koostuu maksimimäärästä energiaa, jonka järjestelmä on vapaana. käyttää muuhun työhön kuin laajentamiseen. Tämä on erityisen tärkeää biologiassa ja biokemiassa, koska se sisältää työskentelyn prosesseissa, kuten diffuusiossa kalvojen läpi (olipa sitten aktiivinen tai passiivinen), kaikki entsyymikatalysoidut reaktiot, sähkökemialliset prosessit (mukaan lukien toimintapotentiaalit hermosoluissa ja lihassoluissa) jne.

Gibbsin energian merkitys on se, että normaaleissa olosuhteissa, joissa tapahtuu elämää ja biologisia prosesseja, Gibbsin vapaan energian eli ΔG:n muutos liittyy suoraan maailmankaikkeuden entropian muutokseen (ΔS U) . ), siten, että jos tiedämme ΔG:n merkin, voimme päätellä ΔS U:n merkin , joten voimme käyttää sitä spontaanisuuden kriteerinä kemiallisille reaktioille ja muille kehomme soluissa tapahtuville prosesseille.

Spontaaniuskriteerit on koottu seuraavaan taulukkoon:

merkki ΔG merkki ΔS U prosessin spontaanisuus
ΔG > 0 (positiivinen) ΔS U < 0 (negatiivinen) spontaani prosessi
ΔG < 0 (negatiivinen) ΔS U > 0 (positiivinen) ei-spontaani prosessi
ΔG = 0 ΔS U = 0 Systeemi termodynaamisessa tasapainossa

Biokemiallisten reaktioiden kytkentä

Prosessit, joilla on negatiivinen vapaa energia, muuttuvat ja ovat siksi spontaaneja vapauttavat energiaa, ja siksi niitä kutsutaan eksergonisiksi tai eksotermisiksi prosesseiksi. Toisaalta ne, joilla on negatiivinen ΔG, eivät ole spontaaneja, ne absorboivat energiaa ja niitä kutsutaan endergonisiksi tai endotermisiksi.

Yksinkertaisesti sanottuna spontaanit prosessit vapauttavat energiaa luonnollisesti, kun taas ei-spontaanit prosessit eivät voi tapahtua spontaanisti, ellei niiden tapahtumiseen tarvittavaa vapaata energiaa tarjota. Tämä tarkoittaa, että spontaania reaktiota voidaan käyttää tuottamaan ei-spontaaniin reaktioon tarvittava energia.

Ymmärtääksemme tämän paremmin, kuvitellaan auto, joka on vuoren juurella. Olisi hyvin harvinaista nähdä hänen spontaanisti kiipeävän vuorelle moottori sammutettuna ja ilman apua. Kuitenkin, kun käynnistät moottorin, bensiinin palaminen tai sähkövirta vapauttaa spontaanisti suuria määriä energiaa, energiaa, jota käytetään pyörien kääntämiseen ja auton nostamiseen. Tällä tavalla spontaani prosessi yhdistettiin ei-spontaaniin.

Esimerkki toisen lain soveltamisesta biologisissa järjestelmissä

Tärkein esimerkki tämän lain soveltamisesta biologisiin järjestelmiin on ATP:n käyttö energialähteenä useimpien elämää ylläpitävien biokemiallisten reaktioiden ohjaamiseen.

ATP:n hydrolyysi on erittäin eksoterminen prosessi (kuten bensiinin palaminen edellisessä esimerkissä). Solujen sisällä olevat entsyymit käyttävät tätä ja muita spontaaneja hydrolyysireaktioita vapauttamaan energiaa, jota ne tarvitsevat muiden elämälle välttämättömien biokemiallisten reaktioiden, kuten proteiinien ja nukleiinihappojen biosynteesin, ohjaamiseen.

Termodynamiikan kolmas pääsääntö

Kolmas laki (tai kolmas periaate) sanoo, että kaikilla järjestelmillä on taipumus menettää entropiaa lämpötilan laskiessa ja että se saavuttaa tämän minimin absoluuttisessa nollassa. Täydellisten monoatomisten kiteisten kiintoaineiden tapauksessa entropia absoluuttisessa nollassa on nolla.

Tämän lain avulla voimme ymmärtää entropian absoluuttisena mittakaavana, ja sen avulla voimme myös määrittää minkä tahansa aineen absoluuttisen entropian arvon missä tahansa lämpötila- ja paineolosuhteissa.

Kolmannen lain soveltaminen biologisissa järjestelmissä

Tämän lain hyödyllisyys on se, että sen avulla voimme mitata suoraan erilaisten kemiallisten aineiden todellista epäjärjestystä eri olosuhteissa, ja se helpottaa suuresti entropiavaihteluiden (ja laajemmalta, vapaan energian) teoreettista laskemista. de Gibbs kaikkiin kemiallisiin reaktioihin, mukaan lukien biokemialliset reaktiot, jotka tapahtuvat biologisissa järjestelmissä.

Viitteet

Atkins, P. ja dePaula, J. (2014). Atkins’ Physical Chemistry (rev. toim.). Oxford, Iso-Britannia: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). Physical Chemistry (3. painos). New York City, New York: McGraw Hill.

Clark, MA, Douglas, M., & Choi, J. (2018, 28. maaliskuuta). 6.3 Termodynamiikan lait – Biologia 2e | OpenStax. Haettu osoitteesta https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics

Khan Akatemia. (2017). Termodynamiikan lait (artikkeli). Haettu osoitteesta https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics

Máxima U., J.: Features.co. (2021, 26. toukokuuta). Termodynamiikan lait. Haettu osoitteesta https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/

Nelson, DL, Cox, MM ja Foix, CCM (2018). Lehninger Principles of Biochemistry (1. painos ). Barcelona, ​​​​Espanja: OMEGA EDITIONS, SA

-Mainos-

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

Artículos relacionados

Liekin väritesti