Экология
региональное природопользование

Жизнедеятельность

Жизнедеятельность с позиций биофизики

Одной из целей экологии является последовательное и комплексное рассмотрение различных процессов жизнедеятельности с позиций биологии, физики, химии. Как уже упоминалось, важнейшее свойство живых систем заключается в их способности улавливать, преобразовывать и запасать энергию в различных формах. Общие законы, определяющие превращение энергии, изучаются термодинамикой; эти законы универсальны для неживой и живой природы. Основные положения термодинамики рассмотрены в предыдущей главе, здесь мы рассмотрим ее конкретное применение к процессам жизнедеятельности с позиций биофизики. При этом будем учитывать, что организм представляет собой высокоупорядоченную систему, подобную кристаллу, но лишенную периодичности в расположении атомов, молекул, клеток и биологических макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты). Такой подход позволяет, в частности, рассматривать явления жизни на основе теории информации.

Процессы жизнедеятельности происходят благодаря превращению энергии в живой клетке. Солнечные лучи, поглощаясь зеленым листом, способствуют осуществлению процесса фотосинтеза , при котором энергия света превращается в химическую энергию, «запасенную» в органических соединениях, например в глюкозе.

Химическая энергия глюкозы превращается в ходе клеточного окисления частично в тепло, частично в другую форму химической энергии в энергию связей молекулы АТФ, главных аккумуляторов химической энергии в клетке.

АТФ аденозинтприфосфатп играет важнейшую роль в метаболизме и биоэнергетике, в регуляции жизнедеятельности на молекулярном уровне. За счет гидролиза АТФ могут происходить различные процессы: перенос веществ из области меньшей в область большей концентрации (осмотическая работа), перенос ионов в область более высокого электрического потенциала (электрическая работа), в организме животного сокращение мышц (механическая работа). Так, процессы жизнедеятельности фактически реализуются за счет перевода части химической энергии АТФ в осмотическую, электрическую и механическую энергию.

Количественной мерой превращения этих видов энергии служит изменение свободной энергии. Поскольку большинство химических реакций, обеспечивающих процесс жизнедеятельности, происходит в жидкой фазе, где не изменяется давление, но может происходить изменение объема, то для таких систем вместо изменения внутренней энергии системы используется изменение ее энтальпии.

В качестве примера рассмотрим перенос ионов Na+ через мембрану нервной клетки. Этот процесс обеспечивается энергией гидролиза АТФ. Ион Na+ при этом переносится из клетки наружу. Концентрация Na+ внутри клетки С= 0,015, а снаружи С2 = 0,15 моль/л.

Внутри клетки электрический потенциал р = 60 мВ. Если принять наружный потенциал ф2 = 0, то электрическая работа составляет: 5,8 кДж/моль. Из второго закона термодинамики следует, что в изолированной системе не может увеличиваться свободная энергия. Пока энергетические превращения в этой системе сопровождаются переходами разных видов энергии друг в друга без перехода в тепло, AG = О и все эти процессы обратимы. Как только часть энергии превращается в тепловую, процесс становится частично необратимым в той степени, в которой произошло тепловое превращение. Понятие обратимости процесса тесно связано с понятием динамического равновесия, то есть такого состояния, при котором каждая частица может переходить из состояния 1 в состояние 2 и обратно, но в целом доля состояний 1 и 2 в системе не изменяется.

В таких системах исходные продукты и продукты биохимической реакции равновесно образуются по обе стороны мембраны. Отметим, что ни один живой организм не является изолированной системой, поскольку он питается и с пищей (а растения со светом) потребляет свободную энергию, которую потом расходует. В полном смысле слова изолированной можно считать систему организм среда. Внутри такой системы, в частности в ее «живой» части организме, свободная энергия может увеличиваться, а энтропия соответственно уменьшаться, но при непременном условии одновременного ее увеличения в «неживой» части системы. Например, развитие зеленых растений на Земле происходило благодаря увеличению энтропии в системе Солнце — Земля. С другой стороны, и в состоянии покоя, и при выполнении работы могут происходить рост и развитие организма, но одновременно идет непрерывное выделение тепла живыми организмами. Эта теплота является результатом окисления веществ, заключенных в пище, причем процесс сопровождается ростом энтропии, значительно большим, чем снижение энтропии за счет роста организма.

Изменение свободной энергии в ходе любого процесса определяет направление этого процесса, все системы стремятся к уменьшению энергии. Значительное понижение свободной энергии, например, при гидролизе АТФ, позволило отнести это соединение к «богатым энергией».

Однако в живой клетке протекает множество реакций, которые сопровождаются увеличением свободной энергии, например образование дипептида. Эти процессы не могут идти самостоятельно, они протекают за счет сопряжения с другими химическими реакциями, изменение свободной энергии которых отрицательно. При этом, если общий баланс энергии отрицателен, созданные в ходе эволюции молекулярные «энергообразующие» устройства (ферментные комплексы) обеспечивают нормальный процесс жизнедеятельности.

В биологических системах процесс жизнедеятельности обеспечивается потоками вещества и электрических зарядов. В этой связи стационарное состояние в биосистемах характеризуется:
1) постоянным притоком веществ в систему и удалением продуктов обмена (например, приток АТФ и удаление Na+);
2) постоянной затратой свободной энергии, которая поддерживает постоянство концентрации веществ в системе;
3) постоянством термодинамических параметров (включая внутреннюю энергию и энтропию) системы, находящихся в стационарном состоянии.

Система в стационарном состоянии является открытой системой и может существовать лишь за счет притока энергии извне (например, в форме АТФ) и оттока энергии в окружающую среду (например, в форме тепла).

<Взаимосвязь электромагнитных полей в биосфере
Главная   |   Поля   |   Жизнедеятельность   |   Природопользование   |   Безопасность   |   Карта сайта
2008-2015 © p0d.ru, E-mail:info@p0d.ru