Термодинамика на живите системи

Лекция 18. термодинамиката на живите системи. Животът като процес на информация.

1. Определете биология. Какво е предмет на изследване на биологията?
2. Какви са основните методи на биологията.
3. Списък на основния класификацията на биологичните науки.
4. Опишете традиционното (естествено-научни сметка) биологията.
5. Какви са характеристиките на физическата и химическата биология?

6. Какво се учи молекулярна биология?
7. Списък на основните експериментални методи за физико-химичен биология.
8. учи еволюционната биология?
9. Каква е теоретичната биологията? Избройте основните предпоставки (теоретична позиция) от създаването му.
10. Какво е биологична система?

11. Кои са трите основни свойства на жива система.
12. Списък на основните качества на живите системи.
13. Какво е откритостта на живот системи?
14. Обяснете изявление: "Living системи са самоуправляваща се и самоорганизиращи се".
15. Какво е раздразнителността на живот системи?

16. "Единственият начин да се определи живот - ..." (продължава).
17. Каква е функцията на структурните нива в биологията, в сравнение със структурирането на материята в областта на физиката?
18. Каква е концепцията на многостепенното йерархична "матрьошка"?
19. Списък на структурните нива на организация на живота.
20. Какво е населението?
21. Какво е biogeocoenosis? Екологична система?

[1] Chirality - огледало асиметрия молекули. Молекулите на живата материя, която се образува, може да бъде само една ориентация - "ляво" или "дясно". Например, ДНК молекулата има формата на спирала и спирала това винаги е прав.

[2] йерархията - разположението на части или елементи на цялото в ред от най-високата към най-ниската

1. Термодинамика на правото на живот системи I (началото) на термодинамиката Prigozhin Теорема 2. контрол и регулиране на живите системи и контрол 2.1.Zadachi 2.2.Informatsionnye комуникация регулиране 2.3.Tseli вътре в тялото и спецификата контрол в живите системи въпроси Референции

Състояние на живите системи в даден момент (динамично състояние) се характеризира с това, че елементите на системата са постоянно разбити и построени наново. Този процес се нарича биологична регенерация. За да актуализирате елементите в живите системи се нуждаят от постоянен приток на външни материали и енергия, както и на изхода на външната среда на топлинна и разпадащи се продукти. Това означава, че живите системи трябва да бъдат отворени системи. Поради това те създават и поддържат от химическата и физическа дисбаланс. Тя е в този дисбаланс базирани изпълнение на жива система, насочена към поддържане на високо ред на нейната структура (и. Ето защо, опазването на живота) и прилагането на различни жизненоважни функции. В допълнение, дневна система, благодарение на откритостта на имота. достига равновесно състояние, т.е. постоянството на своята не-равновесно състояние.

В една изолирана система (такава система не се свързва с външната материя и енергия), което е в рамките на nonequilibrium държавни необратими процеси, които се стремят да въвеждат системата в равновесие. Преместването бодро система в такова състояние означава смърт за нея.

По този начин, откритост - един от най-важните свойства на живите системи.

Много важно е въпросът за приложимостта на законите на термодинамиката на живите системи.

Аз от Закона (началото) на термодинамиката. Първият закон на термодинамиката казва, системата на промяната е количеството топлина, получена от системата, както и работата на външни сили, направено на системата

За адиабатно изолирани (Q = 0, т.е. топлообмена с външната среда да не се случва) и затворени (A = 0, т.е. без външни сили) системи DE = 0. Последното твърдение е законът за запазване на енергията: с всички промени, които се провеждат в адиабатно изолира и затворен общата енергия на системата да остане постоянна.

Ако говорим за термодинамична система, състояща се само от жива система, закона за запазване на енергията не е приложима, тъй като жив система е изложена. За термодинамична система, която включва жива система и средата, с които системата обменя енергия и материя, законът за запазване на енергията се извършва. Действително, както се вижда от експерименти, общата сума на енергия, която тялото получава в продължение на определен период от време, новооткритата по-късно под формата на:

а) топлина;
б) извършва от чуждите вещества или емисии работата;
в) топлина на горене вещества синтезирани през това време се дължи на енергията, получена от отвън.

Второ действие (началото) на термодинамиката. Вторият закон на термодинамиката гласи, че ентропията на една изолирана термодинамична система никога не може да се понижи. Тя е равна на нула по необратим процес и може да се увеличи само в необратими процеси, т.е. DS ³ 0. Система за преминаване от nonequilibrium състояние да равновесно състояние е необратимо, така че DS ³ 0.

Налице е също така известна връзка със системата за подаване на заявки, както и информация (голяма поръчка съответства на повече информация). Можете да говорите в същото време единството на естеството на информацията и ентропията. Наистина, увеличаването на ентропията на системата съответства на преход от един по-подреден до по-малко подредено състояние. Този преход е придружено от намаляване на информацията, съдържаща се в структурата на системата. Разстройство, несигурност може да се тълкува като липса на информация. На свой ред, се увеличи размерът на информация намалява несигурността.

Нека си припомним физическия смисъл на ентропията. Всички процеси, протичащи спонтанно в природата са необратими и допринасят за прехода на системата към равновесно състояние, което винаги се характеризира с това, че:

а) по време на този преход винаги е безвъзвратно освободен малко енергия за полезна работа, че не може да се използва;
б) елементи на равновесното състояние на системата се характеризира с най-ниско подреждане.

От това следва, че ентропията е мярка за това колко енергия разсейване, както и, че сега най-важното за нас, мярка за разстройство в система.

Прилагане на втория закон на термодинамиката към живите системи без да се отчита фактът, че тя е отворена система, води до противоречие. Наистина, ентропията винаги трябва да се увеличи, това е да се развива заболяването на жива система. В същото време знаем, че всички живи системи са постоянно създават ред от разстройство. Те се създават и поддържат от физическата и химическата дисбаланс, който се основава на работата на живите системи. По време на развитието на всеки организъм (ортогенеза), както и в процеса на еволюция (филогенеза) през цялото време, нови структури се формират, както и държавата, постигнати с по-висока редовност. Това означава, че ентропията (разстройство) на жива система, не трябва да се увеличи. По този начин, на втория закон на термодинамиката, който е валиден за изолирани системи, живите системи, които са отворени, не е приложим.

За да отворите термодинамична система, промяната на ентропията е сумата от ДС = DSi + DSE
където DSi - ентропия промяна в процесите, които протичат в по-голямата жива система, DSE - промяната на ентропията в обмяната на веществата и енергията с околната среда.

Съгласно втория закон на термодинамиката DSi стойност може да бъде само положителен или в краен случай (обратим процес) е нула. DSE Стойността може да бъде положителен (DSE> 0, системата получава ентропията) и отрицателен (DSE <0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При DSe <0 и |DSe |> | DSi | :

което означава увеличение с цел, когато системата не оставя по-голяма ентропия, отколкото има в него по време на необратими процеси.

Помислете за момент производна на ентропията. който се нарича степента на промяна или производството на ентропия. От израза за ДС, от това следва, че производството ентропия на една отворена система:

За стабилно състояние в момент, когато неравновесие не се променя, производството на ентропия, трябва да бъде равна на нула (производната на постоянна стойност):

Това означава, че

т.е. ентропия, получена по време на процеси, протичащи в системата (DSI), трябва да премине изцяло в външната среда.

Пригожин теорема. Според Пригожин теорема, ако в отворено термодинамична система при постоянни условия с течение на времето, за да си осигури, увеличението на ентропията ще намалее, докато системата достигне стабилно състояние на динамично равновесие; В това състояние, увеличението на ентропията ще бъде минимално, че е така.

По този начин, можем да кажем, че в стабилно състояние производство минимум ентропия за отворена система.

това означава за живите системи:

По време на жизнения цикъл на жива система от елементите му са постоянно изложени на разпад. Ентропия тези процеси е положителен (има разстройство).

За да се компенсира гниене (компенсация разстройство) трябва да се извършва под формата на вътрешни процеси работни елементи синтез да замени повреден. Това означава, че вътрешната изработки на процес с отрицателна ентропия (такива процеси са посочени като отрицателна ентропия negentropic -. Negentropy).

Negeyntropiyny система процес противодейства на повишаването на ентропията, което е свързано с процеса на гниене и създава поръчка.

Източникът на енергия за вътрешното функциониране на комисията negentropic са:

За организми - heterotrophs (хранене само органична храна) - енергията под формата на химичното свързване и ниска ентропия на силно абсорбирани органични. В този случай, абсорбираните вещества имат по-голяма подреденост (нисш ентропията) от секретирани продукти на обмяната на веществата. хетеротрофни организми прехвърлени поръчка (negentropy) на хранителни вещества, сами по себе си.

За организми - autotrophs (независимо синтезиране на хранителни вещества за себе си от неорганични съединения със слънчева светлина) - слънчева енергия, електромагнитни лъчения, представляващи ниска ентропия.

По този начин, на метаболизма термодинамично необходимо да се противодейства на повишаването на ентропията, причинени от необратимите процеси в жива система.

Ако ние считаме, системата на "жив организъм плюс среда", от която са взети и които хранителните вещества са дадени за обмен на продукти, на втория закон на термодинамиката е вярно: ентропията на системата се увеличава и никога не намалява. Това означава, че жива система създава в себе си поръчате се дължи на факта, че тя намалява подредбата в околната среда.

По този начин, дневна система е отворена система и ентропията се увеличава, както е случаят в изолирана система. Това означава, че жива система непрекъснато извършва работи за поддържане на реда им, и е в nonequilibrium стабилно състояние. Производството на ентропията в това (както следва от теорема Prigozhin) е минимална.

По този начин, с позициите на термодинамиката може да се твърди, че живите системи са присъщи на процеси, които намаляват ентропията на системата и, следователно, тяхната подкрепа организация.

Следващият въпрос е как да се приложи на процесите на самоуправление и самоорганизация на живите системи. Този въпрос е свързано основно с разглеждането на живота като процес на информация. Нищо чудно, кибернетика, се определя от неговия създател Н. Винер като "науката за контрол и обмен на информация в живите организми и машини."

На първо място, помисли за двете най-важни функции са организирани и контролни системи - контрол и регулиране.

2.Upravlenie и регулиране в живите системи
2.1 задачи за управление и контрол

Контрол и регулиране - подобни концепции, но между тях има разлика. Мениджмънт - функция организиран системите, предоставящи на следните задачи:

· Поддържане на специфична структура на системата;
· Поддържане на работата на системата;
· Изпълнение на целите на системата, като определено правило (алгоритъм).

Тези проблеми се решават чрез регулиране.

система и контролна функция, която може да изпълнява задачи, като например - Регламент:

· Поддържане на постоянството на контролирано количество на определено ниво;
· Промяна на регулираната променлива от даден закон (софтуер за контрол);
· Промяна на регулираната променлива в съответствие с напредъка на някаква външна процес (проследяване на контрол).

Хомеостаза. Като цяло контрол е насочен към поддържане на хомеостазата - относително постоянен динамични характеристики на вътрешната среда.

Хомеостаза живите системи се дължи на способността да се получи реакция в отговор на променящата се околна параметри, които да елиминират или намалят до минимум на последиците от тези промени (ср. Принцип на Льо Шателие-Браун по-рано да се).

управленски задачи в жива система, като по този начин се състои в това, че възможно най-ефективно да реагират на промените в нейната външна и вътрешна среда, която е за неутрализиране на смущаващи въздействия върху системата. Живо система решава проблема контрол от страна своевременно коригиране на нейната структура в съответствие с променените условия. С други думи, процесът на контрол е процес на поръчване система в съответствие с промените във външната и вътрешната среда, с цел да се противодейства на дезорганизация фактори. Този процес се извършва с помощта на елементи, които изграждат системата.

В живите системи, контролни фактори влияят на системата не отвън, но възникват по себе си. Ето защо, за контрол на живите системи е самоуправляваща регулаторните процеси - процесите на саморегулация и самите живи системи са самоорганизиращи се системи. Целесъобразно е да се даде друг определение на самоорганизация.

Самоорганизация - процес, чрез който се създава, поддържа или подобрява организацията на комплексна система. самоорганизиращи се свойства, присъщи на всички живи системи: biogeocoenosis на клетки, организми, популации. самоорганизиращи се процеси се дължат на преструктуриране на съществуващите и създаване на нови връзки между елементите на системата. В самоорганизиращи се системи се адаптират към променящите се условия и по-добър контрол постига чрез промяна на система за контрол на структурата на процеса: включване или изключване елементи на системата, промяна на взаимоотношенията между елементите и тяхното командване чрез промяна на алгоритми за управление.

нива на управление. В организма, има няколко нива на управление.

Вътреклетъчно механизъм регулиране извършва биохимичен регулиране в съответствие с генетична информация, която се съдържа на молекулярно ниво.

Механизмът за регулиране на ф тъкан по-високо ниво на регулиране от клетъчен. Тъкани взаимодействат в тялото чрез споделяне на някои химични вещества. Той регулира това взаимодействие е друг, по-високо ниво - жлезите с вътрешна секреция. Те произвеждат хормони, циркулиращи в кръвта, което се контролира от тялото като цяло.

Най-високо ниво на регулация - на централната нервна система. който присъства във всички много едноклетъчни организми. Тя засяга всички други нива на регулиране.

контролен орган има много нива "йерархична" природата. На всяко ниво на управление е насочена към преодоляване на предизвикателствата, свързани с това ниво. Колкото по-високо е нивото, толкова по-често срещан проблем на системата върху него са решени. Въпреки това, основната цел на който е общ за дневна система като цяло е поставен и решен на най-високо управленско ниво. Цели и задачи на базовите нива са поддържаща роля за постигане на общата цел.

В основата на процеса на контрол и регулиране е обмяната на информация, благодарение на информационните връзки. Нека да разгледаме информация комуникацията в рамките на един организъм.