Законы термодинамики. Термодинамические потенциалы. Термодинамика линейных процессов

Лекция 2
ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

1. 
   Термодинамические системы и параметры.
   
2. 
   Законы термодинамики.
   
3. 
   Термодинамические потенциалы.
   
4. 
   Термодинамика линейных процессов.
   
5. 
   Термодинамика нелинейных процессов далеких от стационарного
   

состояния.

6. 
   Концепция синергетики.
   

Системы и их классификация
Одной из важных проблем биофизики является изучение поведения систем во времени на основе знания закономерностей взаимодействия ее составных элементов (реагирующие молекулы, накопление биомассы, размножение видов, взаимодействие популяций в экосистеме и т.д.).
В биофизике под понятием система принято понимать любую часть окружающего нас мира, которую мы хотим исследовать и описать с термодинамических, кинетических или иных позиций. Целая система всегда существенно больше составляющих ее частей. Примеры систем: биомакромолекула, митохондрия, клетка, сердце, организм, биосфера, солнечная система и т.д. По характеру взаимодействия с окружающей средой системы делятся на следующие типы.
Изолированная система - не обменивается с окружающей сре­дой ни веществом, ни энергией. Примером может служить жидкость в термосе. Ни самоорганизация, ни фазовые переходы в такой системе невозможны.
Замкнутая система - обменивается с окружающей средой энер­гией, но не веществом. С некоторыми допущениями к системам та­кого типа может быть отнесена Земля, получающая энергию от Солнца. Замкнутые системы способны к фазовым переходам в стати­ческое, равновесное, упорядоченное состояние. При достаточно низкой температуре в таких системах устанавливается статичес­кий, кристаллический порядок.
Открытая система - обменивается с окружающей средой и ве­ществом, и энергией. С точки зрения термодинамики, живой орга­низм относится к открытым системам. Поведение открытой системы в условиях, близких к равновесию, описывается в рамках линейной термодинамики. Открытые системы нелинейны и характеризуются способностью к установлению макроскопического порядка.
Имеются существенные отличия между равновесной, статической упорядоченностью (кристалл) и упорядоченностью динамичес­кой, свойственной открытым системам, далеким от равновесия - диссипативным системам. В таких системах возникают процессы самоорганизации в пространстве и во времени.
Кинетическую систему можно охарактеризовать как совокупность переменных и ряда параметров, выражаемых через измеримые величины, которые в каждый момент времени принимают определенные числовые значения. Параметры - это величины, которые поддерживаются не­изменными в течение времени наблюдения над системой; переменные - величины, которые изменяются с течением времени.
В биологических системах в качестве переменных могут выс­тупать различные измеряемые величины: в биохимии - это концент­рации метаболитов, в микробиологии - число микроорганизмов или их суммарная биомасса, в экологии - это численность вида, в би­офизике мембранных процессов - величина мембранных потенциалов и т.д. Параметрами при этом могут служить температура, влаж­ность, величина рН, электрическая емкость мембраны и т.д.
Одно из важнейших свойств открытых биологических систем - установление в них стационарных состояний (параметры системы не меняются во времени). Типы переходных процессов между стацио­нарными состояниями могут различаться по кинетике: овершут, ложный старт, колебательный режим. Эти свойства открытых систем могут быть достаточно наглядно проиллюстрированы на гидродинамической модели Бартона, представляющей в простейшем виде ре­зервуар с жидкостью, системы её притока и оттока с клапанами, снабженными механизмами обратной связи. Т.е. почти всё как в случае кинетических механизмов, обеспечивающих поддержание стационарного состояния в живой клетке, только до предела упрощенно. Однако значительно сложнее представляется проблема математического моделирования поведения биологических систем.