Организм как открытая система

Начальное развитие термодинамики стимулировалось потребнос­тями промышленного производства. На этом этапе (XIX в.) ее основ­ные достижения заключались в формулировке законов, разработке теории циклов и термодинамических потенциалов применительно к идеализированным процессам: равновесным и обратимым.

Термодинамика биологических систем в этот период не разви­валась. Одним ярким исключением из этого была работа Майера, который по цвету венозной крови матросов, работающих в усло­виях тропического климата, сформулировал, по существу, прило­жимость закона сохранения энергии в термодинамике (первого начала термодинамики) к живым системам.

Первый закон термодинамики как закон сохранения энергии настолько очевиден, что его применения к биологическим систе­мам здесь не рассматриваются, тем более что в курсе нормальной физиологии изучаются такие темы, как «Обмен веществ и энер­гии. Питание. Терморегуляция», а в § 22.5 анализируется тепло­обмен человека с окружающей средой посредством теплового из­лучения. Более существенно рассмотреть некоторые вопросы, связанные со вторым началом термодинамики и энтропией при­менительно к биологическим системам.

Биологические объекты являются открытыми термодина­мическими системами. Они обмениваются с окружающей сре­дой энергией и веществом.

Вообще говоря, живой организм — развивающаяся система, которая не находится в стационарном состоянии. Однако обычно в каком-либо не слишком большом интервале времени принима­ют состояние биологической системы за стационарное.

Рассмотрим в этом предположении некоторые вопросы. Для организма — стационарной системы — можно записать dS = 0, S = const, dS_i > 0, dS_e < 0. Это означает, что большая энтропия, должна быть в продуктах выделения, а не в продуктах питания. Энтропия системы организм — окружающая среда возрастает как у изолированной системы, однако энтропия организма при этом сохраняется постоянной. Энтропия есть мера неупорядоченности системы (см. § 10.2), поэтому можно заключить, что упорядоченность организма сохраняется ценой уменьшения упорядоченнос­ти окружающей среды.

При некоторых патологических состояниях энтропия биологи­ческой системы может возрастать (dS > 0), это связано с отсутствием стационарности, увеличением неупорядоченности; так, на­пример, при раковых заболеваниях происходит хаотическое, не­упорядоченное разрастание клеток.

Формулу (10.21) можно преобразовать к виду

или для стационарного состояния (S = const, dS/dt = 0)

Из (10.22) видно, что при обычном состоянии организма ско­рость изменения энтропии за счет внутренних процессов равна скорости изменения отрицательной энтропии за счет обмена ве­ществом и энергией с окружающей средой.

Поскольку, согласно принципу Пригожина, производная " dS_i/dt > 0, причем минимальна. Отсюда можно сделать вывод, что скорость изменения энтропии окружающей среды при сохранении стационарного состояния организма также минимальна.

Основа функционирования живых систем (клетки, органы, организм) — это поддержание стационарного состояния при условии протекания диффузионных процессов, биохимических реакций, осмотических явлений и т. п.

При изменении внешних условий процессы в организме развиваются так, что его состояние не будет прежним стационарным состоянием.

Можно указать некоторый термодинамический критерий приспособления организмов и биологических структур к изменениям внешних условий (адаптации). Если внешние условия изменяются (возрастает или уменьшается температура, изменяется влажность, состав окружающего воздуха и т. д.), но при этом организм (клетки) способен поддерживать стационарное состояние, то организм - адаптируется (приспосабливается) к этим изменениям и существу­ет. Если организм при изменении внешних условий не способен со­хранить стационарное состояние, выходит из этого состояния, то это приводит к его гибели. Организм в этом случае не смог адапти­роваться, т. е. не смог сравнительно быстро оказаться в стационар­ном состоянии, соответствующем изменившимся условиям