Biologik jarayonlar termodinamikasi
Download 53.1 Kb.
|
Biologik jarayo-WPS Office
|
Biologik jarayonlar termodinamikasi Reja.
1. Termodinamikada foydalaniladigan asosiy tushunchalar. 2. Termodinamik tizim (sistema). 3. Termodinamikaning birinchi qonuni. 4. Termodinamikaning ikkinchi qonuni. 5. Ctatsionar holatlarning barqarorligi va biologik triggerlar. 6. Sinergetika konsepsiyasi. 1. Termodinamikada foydalaniladigan asosiy tushunchalar. Termodinamik qonunlarni o‘rganishdan avval termodinamikada foydalaniladigan ba’zi bir asosiy tushunchalar bilan tanishib chiqish maqsadga muvofiqdir. Energiya – materiyaning bir turdan ikkinchi turga aylanishidagi ma’lum bir harakat turining miqdor o‘lchami. U materiyaning harakat mezoni bo‘lganligi sababli, hamma vaqt sistemaning ish bajarish qobiliyatini belgilaydi. Energiya bir qancha turlarga bo‘linadi. Kimyoviy energiya – moddaning kimyoviy tabiati (tuzilishi, kimyoviy bog‘ turlari va h.k.) bilan belilanadigan energiyadir. Bu energiya asosini atomlarning tashqi energetik qavatidagi elektronlarning (valent elektronlari) tabiati va yadro zaryadlari qiymati hisobiga kelib chiqadigan kimyoviy bog‘ turlari va ularni kimyoviy jarayonlardagi o‘zgarishlari tashkil etadi. Mexanik energiya – makrojismlarning harakatini ta’minlaydigan va shu jarayon hisobiga sodir bo‘ladigan ishni amalga oshiradigan energiya turidir. O‘z navbatida ushbu energiyaning 2 turi mavjud: 1) kinetik energiya – zarrachalarning harkat tezligi bilan belgilanadigan energiya; 2) potensial energiya – zarrachalarning o‘zaro joylashuvi bilan belgilanadigan energiya. Issiqlik energiyasi – atom va molekulalarning betartib (xaotik) issiqlik harakati hisobiga kelib chiqadigan kinetik energiya yig‘indisidir. Zarrachalar issiqlik harakatining qiymat ko‘rsatkichi temperaturadir. Bitta atomdan iborat bo‘lgan zarrachaning o‘rtacha kinetik energiyasi (Еk) absolyut temperatura (T) bilan quyidagi bog`liqlikka ega: Bu yerda K – Bolsman doimiysi deb atalib, u 1,38*10-16 erg/grad. ga teng. Elektr energiyasi – elektr zaryadiga ega bo‘lgan va shu sababli elektr maydonida harakatlana oladigan zarrachalar energiyasidir. Tirik organizmlarda sodir bo‘ladigan energiya almashinuvlari yuqorida keltirilgan to‘rtta energiya turlari chegaralarida sodir bo‘ladi. Energiya bu materiyaning asosiy harakat shakli hisoblanadi va tizimning ish bajarish qobiliyatini o‘zida aks ettiradi. Formal ravishda energiyani intensiv faktorni ekstensiv faktorga ko‘paytirish orqali ifodalash mumkin. Masalan, PV (Pbosim, V-xajm), TS (T-harorat, t+273оС) S-entropiya), Gradiyent tushunchasi. Tizimdagi har qanday parametrning orasidagi farq qiymatining (∆F) shu farqlar kuzatilayotgan ikki nuqta orasidagi masofaga (l) bo‘lgan nisbati gradiyent (G) deb ataladi: Masalan, bir moddaning hajm birligidagi taqsimlanishi bir me’yorda bo‘lmasa, u holda konsentratsiya gradiyenti kelib chiqadi: Gradiyent tushunchasi tezlik tushunchasiga yaqin bo‘lib, vektor kattalikdir. Shu sababli, uning yo‘nalishi oddiy sharoitda katta qiymatdan kichik qiymat sari bo‘ladi. Harqanday tirik hujayra konsentratsiya, osmotik va elektr gradiyentlariga ega bo‘ladi. Tizim ish bajarishi oqibatida gradiyentning yangi farqi kelib chiqadi. Masalan, hujayralardagi natriy-kaliy nasosining ishlash mexanizmlaridan biri, hujayra ichidagi va hujayralararo suyuqliklardagi Na+ va K+
ionlarining konsentratsiya gradiyentlarining farqi hisobiga amalga oshadi. 2. Termodinamik tizim (sistema). Termodinamikada tizim termini ko‘p qo‘llaniladi va u atrofdagi fazodan shartli ravishda ajratib qo‘yilgan jism va jismlar yig‘indisidir. Tizimning tashkil qiluvchi jismlari orasidagi energiya almashinib turadi. Termodinamik tizimning holati uning fizik va kimyoviy xossalariga bog‘liqdir va ushbu xossalar o‘zgargan sharoitda tizim holati ham o‘zgaradi. Termodinamik tizimlar alohidalangan (izolyatsiyalangan), ochiq va yopiq tizimlarga bo‘lib o‘rganiladi. 1. Alohidalangangan (mutloq yopiq) tizimlarda tashqi muhit bilan o‘zaro energiya va modda almashinuvi sodir bo‘lmaydi. Demak ularda energiya va massa o‘zgarmay qoladi. Masalan, ideal Dyuar idishining ichidagi suyuqlik yoki issiq suvli termos bunga misol bo‘ladi. Agar alohidalangan tizimlarda biror-bir jarayon amalga oshsa, bunda modda va energiya almashinuvi sodir bo‘lmasa, buni adiobatik jarayon deb ataladi. Shuni ta’kidlab o‘tish joizki, real sharoitda tom ma’nodagi yopiq yoki mutloq yopiq sistema bo‘lishi mumkin emas. 2. Yopiq tizimlarda tashqi muhit bilan faqat energiya almashinib turadi, lekin tizim chegarasida modda almashinuvi sodir bo‘lmaydi. Bunday tizimlarning massasi doimiy bo‘ladi, energiyasi esa o‘zgarib turadi. Tashqi muhit harorati pasaygan sharoitda o‘zidan issiqlik chiqarib, harorat ko‘tarilganda esa o‘ziga tashqi muhitdan issiqlik oladigan jismlarni yopiq tizim qarash mumkin. 3. Ochiq tizimlarda tashqi muhit bilan ham energiya va ham modda almashinuvi sodir bo‘ladi. Natijada ularning massasi va ichki energiyasi o‘zgarib turadi. Tirik organizmlarga, hujayralarga, to‘qimalarga ochiq tizimlar deb qarash mumkin. Tizim holati. Makroergik (energiyaga boy) birikmalarning gidrolizi va sintezi, oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari, moddalar va ionlarning biomembranalar orqali tashilishi, harakatlanish faolligi, fotosintezda energiyaning jamg‘arilishi kabi tirik organizmlarda kechadigan muhim jarayonlar energiyaning transformatsiyasi (o‘zgarishlari) bo‘yicha boradi. Ochiq tizimlarda vaqt davomida parametrlar o‘zgarmay turishi, energiya almashuvi muvozanat holatida bo‘lishi mumkin, ushbu holatni baholovchi mezon sifatida barqaror, ya’ni statsionar holat tushunchasi kiritilgan. Ochiq tizimlarda energiya o‘zgarishlari umumiy qiymat bilangina emas, balki energiyaning vaqt davomidagi o‘zgarishlari ko‘rsatkichi bilan ham belgilanadi. Shuning uchun turli kinetik jarayonlarda energiya sarfi va issiqlik ko‘rinishida ajralib chiqishi o‘rtasidagi bog‘liqlikni tahlil qilish talab qilinadi. Bunda kinetik tarzda kimyoviy jarayonlarda erkin energiyaning o‘zgarishlari tezligi reagentlar konsentratsiyasi o‘zgarishlariga asoslanadi. Tizimda barqaror holat vujudga kelish mezonlari, shuningdek avtotebranishli jarayonlarning termodinamik xususiyatlari, o‘z-o‘zini tashkil etish kabi jarayonlarni o‘rganish muhim biologik ahamiyatga ega. Qaytmas jarayonlar termodinamikasi kinetik xususiyatlarini o‘rganish ham termodinamikaning tadqiq kilish sohasi tarkibiga kiradi. Muvozanat holatiga yaqin turgan tizimlarda energiya o‘zgarishlari Onzager aloqadorlik asosida ko‘rib chiqiladi. Shuningdek termodinamika muvozanat holatlaridan chetlashgan tizimlarda barqaror holat vujudga kelish mezonlari, avtotebranishli jarayonlarda, tizimning bir me’yoriy holatdan ikkinchisiga trigger o‘tishlarini matematik modellar asosida o‘rganadi. Har qanday tizim aniq xususiyatlari yoki termodinamik parametrlari bilan xarakterlanadi. Bu parametrlar birortasining qiymati o‘zgarishi umumiy termodinamik tizim holati o‘zgarishlariga olib keladi. Termodinamik tizimning holati, ya’ni fizik-kimyoviy tabiati termodinamik parametrlarga - harorat, bosim, hajm, massa, energiya, entropiya va konsentratsiyaga bog‘liqdir. Massa va mikrozarrachalar miqdoriga bog‘liq bo‘lgan parametrlar (hajm, energiya, issiqliq sig‘imi, entalpiya, termodinamik potensiallar, entropiya) ekstensiv parametrlar hisoblanadi. Massa va zarrachalar miqdoriga bog‘liq bo‘lmagan parametrlar (bosim, harorat, zichlik, konsentratsiya, entropiya o‘zgarishi) intensiv parametrlar deyiladi. Termodinamik tizimning parametrlari orqali tavsiflanadigan xossalar termodinamik funksiyalar deb ataladi. Asosiy termodinamik funksiyalar soni beshta bo‘lib, ular quyidagilardan iborat: 1. Ichki energiya (U = Q - А ), 2 .Entalpiya (Н = U + P V), 3. Entropiya (Δ S ≥ Δ Q / T), 4. Gibss energiyasi (G = U + PV – TS), 5. Gelmgols energiyasi (F = U – TS) Tizimda boruvchi jarayonlar uning holati o‘zgarishlarini keltirib chiqarib, muvozanatlanuvchi yoki muvozanatlanmaydigan ko‘rinishda kechadi. Tizimda muvozanatlanuvchi, qaytar jarayonlar yuz bergan o‘zgarishlarning vaqt davomida, tashqi muxitning qo‘shimcha o‘zgarishlarisiz qayta oldingi holatiga kelishi ko‘rinishida amalga oshadi. Aksincha, muvozanatlanmaydigan qaytmas jarayonlar o‘z-o‘zidan dastlabki xolatiga qaytmaydi, faqat tashqi muhit o‘zgarishlari asosidagina muvozanatga keladi. Klassik termodinamika asosan muvozanat holatiga qaytuvchi jarayonlar tizimlarining energetik holatini o‘rganadi. Chunki bu ko‘rinishdagi tizimlarda tizimning barcha nuqtalarida termodinamik parametrlar vaqt davomida o‘z qiymatini o‘zgartirmaydi. 3. Termodinamikaning birinchi qonuni. Termodinamikaning birinchi qonuni insoniyatning ko‘p asrlik tajribasi asosida kelib chiqqan va umumiy holatda energiya saqlanishi, issiqlikka aylanishi jarayonlarini tushuntirishdan iborat. Termodinamikaning birinchi qonuni energiyaning saqlanishi va bir turdan ikkinchi turga aylanishi to‘g‘risidagi qonundir. Energiya yo‘qdan bor bo‘lmaydi va yo‘qolib ketmaydi, u faqat bir turdan ikkinchi turga aylanishi mumkin. Tizimning ichki energiyasi deb, qarab chiqilayotgan tizimdagi energiyaning hamma turlari yig‘indisiga
aytiladi va u moddalarning massasi, tabiati va tashqi sharoitlarga bog‘liq Termodinamikaning birinchi qonuniga muvofiq tizimda tashqi muhitdan yutilgan issiqlik (Q) tizim ichki energiyasini o‘zgartirish (U) va tizim bajaradigan umumiy ish (А) ga sarflanadi va bu quyidagicha ifodalanadi: Q = U + А Bu yerda: А = P V + А1max yoki: Q = U + P V + А1max mumiy ko‘rinishda ΔА- termodinamik tizimda tashqi bosim - РΔV ga qarshi ish bajarib, kimyoviy o‘zgarishlarni keltirib chiqaruvchi maksimal foydali ish Δ А! max
iborat va bu quyidagicha ifodalanadi: ΔА = РΔV + ΔА1max Bunda tizimdagi issiqlik miqdoriga mos, holat funksiyasi entalpiya (Н = U + pv ) ni kiritamiz va bundan termokimyoviy Gess qonuni kelib chiqadi: Н = U + PV Bu tenglamaga muvofiq kimyoviy reaksiyaning issiqlik effekti - (Q oxirgi va dastlabki holatlar entalpiyalari o‘rtasidagi farq bilan ifodalanadi. Termodinamik funksiya hisoblangan entalpiya yunoncha so‘zdan olingan bo‘lib, “qizdiraman” degan ma’noni beradi. Termodinamikaning birinchi qonuni biologik tizimlarda tajribalar asosida tasdiqlangan. Masalan, bu yo‘nalishdagi dastlabki tajribalardan biri quyidagicha amalga oshirilgan. Lavuazye va Laplas 1780 yilda muzli kolorimetrda dengiz cho‘chqasi organizmidan ajralib chiqqan СО2 va issiqlik miqdorini o‘lchashgan. Keyin esa olingan natijalar sarflangan ozuqa maxsulotini СО2 gacha yondirish reaksiyasida ajralib chiqqan issiqlik miqdori bilan solishtirib ko‘rilgan. Shu kabi o‘lchashlarda qayd etilganki, 1l О2 va 1l СО2 bevosita reaksiyada yondirilganda yoki organizmda ozuqa mahsulotlari parchalanish jarayonida oksidlanib, 21,2 kJ issiqlik ajralib chiqadi. Olingan natijalar kimyoviy reaksiya va organizmda metabolizm jarayonida ajralgan issiqlik miqdori o‘zaro miqdoriy jihatdan teng ekanligini ko‘rsatadi.
jarayonlarning borishi mumkin bo‘lgan yo‘nalishlarni ko‘rsatmaydi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni qaytmas jarayonlarning o‘z xususiyatiga bog‘liq holda bir tomonlama yo‘nalishda borishini aniqlash mezoni hisoblanadi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni tabiiy jarayonlar qaysi yo‘nalishda o‘z-o‘zicha sodir bo‘lishini aniqlaydi. Bu qonunga asosan issiqlik sovuq jismdan issiq jismga o‘z-o‘zicha o‘ta olmaydi degan xulosa kelib chiqadi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni asosida termodinamik tizim holatini ifodalash uchun holat funksiyasi – entropiya - S tushunchasi kiritilgan. Uni quyidagicha ta’riflash mumkin: muvozanat holatdagi har qanday tizim “entropiya” deb ataluvchi o‘ziga hos holat funksiyasiga egaki, entropiyaning qaytar jarayonlarda o‘zgarishi quyidagi tenglama asosida hisoblanadi: ΔS = S2– S 1 =Q/T Bu yerda: Q– harorat Т qiymatda yutilgan yoki ajralib chiqqan issiqlik miqdori. Entropiya o‘zgarishlari tizim tomonidan yutilgan umumiy isiqlik qiymati Q/T ga bog‘liq. Tizimda kechuvchi jarayonlarning qaytar yoki qaytmas ko‘rinishda kechishiga bog‘liq holatda quyidagi tenglik keltiriladi: ΔS ≥ ΔQ/T
parametrlari (V, P, T, va boshqalar ) muhit bilan o‘zaro ta’sirlashishda vaqt davomida o‘zgarmasa, tizim holati statsionar holat deyiladi. Prigojin teoremasi. Termodinamik nuqtai nazardan tirik hujayra ochiq tizim hisoblanadi. Bu tizimning normal faoliyati esa tizimdagi statsionar holat barqarorlik muvozanat ko‘rsatkichiga bog‘liq bo‘lib, Prigojin teoremasi orqali ifodalanadi: tashqi parametrlarning o‘zgarmaslik holida, statsionar holatda entropiya hosil qilish tezligi minimal kattalikka intiladi. I.Prigojin prinsipiga asosan, statsionar holatda entropiya o‘sish tezligi, ya’ni entropiyaning vaqtga nisbatan olingan funksiyasi Si/t qaytmas jarayonlar borishiga bog‘liq. Bunda energetik muvozanat yig‘indisi ikki qarama-qarshi oqim: musbat entropiya-hujayradan tashqi muhitga yo‘nalgan va tashqi muhitdan hujayraga yo‘nalgan manfiy entropiya qiymati bilan xarakterlanadi. Birinchi oqim bu hujayradagi moddalar parchalanishi, ya’ni tizimdan ajraluvchi СО2, mochevina, purin va boshqa moddalar bilan, ikkinchi oqim esa erkin energiya bilan ifodalanadi. Tizim barqaror holatda bo‘lishi, ya’ni hujayra normal ishlashi uchun ushbu ikki oqim o‘rtasida muvozanat mavjudligi ta’minlanishi lozim. O‘z-o‘zini idora qiluvchi jarayonlar buzilishi yuqoridagi muvozanat holatini izdan chiqarib, tizimni halokatga olib keladi. Trigger tizim. Termodinamik tizimning qo‘zg‘algan holatdan barqaror holatga o‘ta olish xarakteri statsionar holat barqarorligi kriteriysi hisoblanadi. Biologik tizimlarda bir necha barqaror statsionar holatlar bir vaqtning o‘zida mavjud bo‘ladi. Tizimda statsionar holatlarga o‘tishda kesishish nuqtasi bifurkatsiya nuqtasi deb ataladi. Bir necha barqaror statsionar holatga ega va ular o‘rtasida beqaror nuqta orqali o‘tish imkoniyati mavjud bo‘lgan tizim trigger tizim deb nomlanadi. Trigger o‘tishning ikki usuli mavjud: maxsus (kuch) va nomaxsus (parametrik). Kimyoviy reaksiyalarda reagent konsentratsiyasi oshirilganda, tizimdagi trigger o‘tish holatini kuch yoki maxsus o‘tish usuli deb ataladi. Tizim A nuqtada joylashgan. Tashqi ta’sir hisobiga x o‘zgaruvchi keskin o‘zgarganda, tizim separatrisadan o‘ngda yotgan С nuqta tomon suriladi. Shundan keyin tizim fazoviy trayektoriya bo‘ylab o‘zligidan С1 ga keladi (kimyoviy reaksiyalar holida bunday vaziyat modda konsentratsiyasi oshirilganda yuz beradi). O‘tishning bu usulida tizimning fazoviy portreti hamda undagi alohida nuqtalar soni saqlanadi. Agar tizim trigger o‘tishida fazali portret deformatsiyasi kuzatilib, bunda x- o‘zgaruvchi emas, balki tizim parametrlari o‘zgarsa va faqat bitta statsionar holat mavjudligi tizimiga o‘tilsa, bunday ko‘rinish-trigger o‘tishning maxsus bo‘lmagan yoki parametrik usuli deb nomlanadi. Trigger o‘tishlar tizimdagi barqaror statsionar holatlar va ular o‘rtasidagi o‘tishlar imkoni bo‘lgan biologik jarayonlarning modellarini tuzishda qulaylik yaratadi. Sinergetika konsepsiyasi. Kuchli darajada muvozanatlashmagan termodinamik oqimlar bilan kuchlar o‘rtasida aloqa chiziqli bo‘lmaydigan, demak, Onzager aloqadorligiga bo‘yso‘nmaydigan sistemalar termodinamikasi bir qator tadqiqotchilar, birinchi navbatda I.Prijogin va P.Glensdorf tomonidan rivojlantirildi. Mazkur yangi, hali ham oxiriga yetkazilmagan nochiziq jarayonlar termodinamikasi, deb nom olgan ta’limot turli tabiatga ega, kuchli darajada muvozanatlanmagan ochiq sistemalarda o‘zligidan tartiblangan strukturalar paydo bo‘ladi, ya’ni ularda o‘zligidan tashkillanish ro‘y beradi deb ta’kidlaydi. Nemis olimi G.Xaken, shu xil o‘zligidan tashkillanish jarayonlari uchun umumiy bo‘lgan, “sinergetika” atamasini taklif etdi (synergeia-yunoncha birgalikdagi yoki kooperativ harakat). Sinergetikaning fizikaviy mohiyati shundan iboratki, muvozanatdan uzoqdagi nochiziq sohada, sistema o‘z barqarorligini yo‘qotadi, katta bo‘lmagan fluktuatsiya, sistemani ko‘p sonli zarrachalarning birgalikdagi harakati orqali yangi rejimga olib chiqadi. Kuchli darajada muvozanatlanmagan sistemalarda bunday o‘zligidan tashkillanishning qaror topish hodisasi fizika, kimyo, ayniqsa biologiyada muhim ahamiyatga ega. Chunki, tirik organizmlar va ularning organ – sistemalari kuchli darajada muvozanatlanmagan tabiat qonunlari asosida betartib sistemalarda qanday qilib muayyan bir tartiblanganlikning paydo bo‘lishi va paydo bo‘lgan tartiblanganlikning murakkablasha borib rivojlanishini izohlab beradi. M.Eygen, kuchli darajada muvozanatlanmagan murakkab sistemalarda kodlar tarzida yozilgan informatsiya shakllangan strukturalarning o‘ziga o‘xshaganni yaratish jarayonini boshqarib turiladi deb tushuntirib beradi. Nochiziq termodinamikaning rivojalanishi natijasida, hayotning paydo bo‘lishiga doir fizikaviy gipotezani ilgari surishga imkon yaratildi va nochiziq termodinamika ikkinchi qonunining statusini tubdan o‘zgartirdi. Haqiqatdan ham bu qonun ko‘rib o‘tkanimizdek, muvozanatga yaqin qaytmas jarayonlar faqat strukturaning insirozi emas, muvozanatdan uzoqdagi qaytmas jarayonlar tufayli ham strukturalar paydo bo‘lishini bashorat etadi Download 53.1 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|