Termodinamica sistemelor vii

Curs 18. Termodinamica sistemelor vii. Viața ca un proces de informare.

1. Definiți biologie. Care este subiectul biologiei studiu?
2. Care sunt principalele metode de biologie.
3. Lista clasificarea de bază a științelor biologice.
4. Descrieți tradițional (cont natural științific) biologie.
5. Care sunt caracteristicile biologiei fizice și chimice?

6. Ce se studiaza biologia moleculară?
7. Lista de metode experimentale de bază ale biologiei fizice și chimice.
8. studierea biologia evoluționistă?
9. Care este biologia teoretică? Enumerați condițiile prealabile de bază (poziția teoretică) de la crearea sa.
10. Care este sistemul biologic?

11. Care sunt cele trei proprietăți de bază ale unui sistem viu.
12. Lista calitățile de bază ale sistemelor vii.
13. Care este gradul de deschidere a sistemelor de viață?
14. Explicați afirmația: „Sistemele de viață sunt auto-guvernare și auto-organizare.“
15. Care este iritabilitatea sistemelor vii?

16. „Singurul mod de a defini o viață - ...“ (în continuare).
17. Care este caracteristica a nivelurilor structurale în biologie, în comparație cu structurarea materiei în fizică?
18. Care este conceptul de mai multe niveluri ierarhice „Matryoshka“?
19. Lista nivelurilor structurale de organizare a vieții.
20. Care este populația?
21. Ce este biogeocoenosis? Sistemul ecologic?

[1] Chiralitv - molecule de asimetrie în oglindă. Molecule de materie vie, care se formează, poate fi doar o singură orientare - „stânga“ sau „dreapta“. De exemplu, molecula de ADN are forma unei spirale, iar această spirală este întotdeauna corect.

[2] Ierarhia - localizarea pieselor sau elemente ale ansamblului, în ordine de la cea mai mare la cea mai mică

1. Termodinamica drept sistemelor vii I (începutul) termodinamicii Prigozhin Teorema 2. control și reglare în sistemele vii și regulamentul de comunicare 2.1.Zadachi 2.2.Informatsionnye 2.3.Tseli în interiorul corpului și specificul de control în viață Sisteme de întrebări Referințe

Statul sistemelor vii în orice moment dat (starea dinamică), caracterizată prin faptul că elementele sistemului sunt în mod constant defalcate și construit din nou. Acest proces se numește regenerare biologică. Pentru a actualiza elementele din sistemele de viață necesită un flux constant de materiale în afara și de energie, precum și de ieșire la mediul extern al produselor de căldură și de descompunere. Acest lucru înseamnă că sistemele vii trebuie să fie sisteme deschise. Din această cauză au creat și menținut de dezechilibru chimic și fizic. Este la această performanță pe baza unui sistem de dezechilibru viu, care vizează menținerea unui ordin înalt a structurii sale (și. Prin urmare, conservarea vieții) și punerea în aplicare a unei varietăți de funcții vitale. În plus, sistemul de viață, datorită deschiderii proprietății. ajunge la o stare staționară, adică, constanța starea de non-echilibru.

Într-un sistem izolat (un astfel de sistem nu comunică cu materialul exterior și energie), care este într-un neechilibru procese ireversibile de stat care încearcă să aducă sistemul în echilibru. Mutarea sistem vioi într-un astfel de stat înseamnă moarte pentru ea.

Astfel, deschiderea - una dintre cele mai importante proprietăți ale sistemelor vii.

Foarte important este problema aplicabilității legilor termodinamicii in sistemele vii.

I din Legea (începutul) termodinamicii. Prima lege a termodinamicii spune, sistemul de schimbare este cantitatea de căldură primită de sistem, plus activitatea forțelor externe, efectuat asupra sistemului

Pentru izolat adiabatic (Q = 0, adică schimbul de căldură cu mediul extern nu are loc) și închise (A = 0, adică fără forțe externe) sisteme DE = 0. Ultima afirmație este legea de conservare a energiei: cu toate schimbările care au loc în adiabatică izolat și închis energia totală a sistemului rămân constante.

Dacă luăm în considerare sistemul termodinamic care constă numai dintr-un sistem viu, legea de conservare a energiei nu este aplicabilă, deoarece sistemul viu este expus. Pentru un sistem termodinamic, care include un sistem viu și mediul cu care sistemul de schimburi de energie și materie, legea de conservare a energiei este realizată. Într-adevăr, așa cum se arată prin experimente, cantitatea totală de energie pe care organismul devine peste o anumită perioadă de timp, recent descoperite mai târziu, în formă de:

a) căldura generată;
b) activitatea desfășurată de substanțele străine sau emisii;
c) o căldură a substanțelor de combustie sintetizate în acest timp din cauza energiei primite din exterior.

Actul II (începutul) termodinamicii. A doua lege a termodinamicii spune că entropia unui sistem termodinamic izolat nu poate scădea. Acesta este egal cu zero, într-un proces reversibil și poate crește numai în procese ireversibile, adică DS ³ 0. tranziția de sistem de la o stare de neechilibru la o stare de echilibru este ireversibil, așa cum DS ³ 0.

Există, de asemenea, o anumită legătură cu sistemul de comanda, precum și informații (comandă mare corespunde cu mai multe informații). Puteți vorbi în același timp, unitatea naturii informațiilor și entropie. Într-adevăr, creșterea entropiei sistemului corespunde unei tranziții de la o mai ordonată la o stare mai puțin ordonată. Această tranziție este însoțită de o reducere a informațiilor conținute în structura sistemului. Tulburare, incertitudinea poate fi interpretată ca o lipsă de informații. La rândul său, crește cantitatea de informații reduce incertitudinea.

Să ne amintim semnificația fizică a entropiei. Toate procesele care au loc în mod spontan în natură sunt ireversibile și contribuie la tranziția sistemului la o stare de echilibru, care este întotdeauna caracterizată prin faptul că:

a) în cursul acestei tranziții este întotdeauna eliberată în mod irevocabil ceva energie pentru muncă utilă nu poate fi folosit;
b) elemente ale stării de echilibru a sistemului caracterizat prin cea mai mică ordonare.

Rezultă că entropia este o măsură a modului în care disipare a energiei, și că acum principalul lucru pentru noi, o măsură de tulburare într-un sistem.

Aplicarea a doua lege a termodinamicii sistemelor vii, fără a lua în considerare faptul că acesta este un sistem deschis, duce la o contradicție. Într-adevăr, entropia trebuie să crească întotdeauna, care este de a crește tulburare a unui sistem viu. În același timp, știm că toate sistemele vii creează în mod constant ordinea de dezordine. Ele sunt create și menținute de dezechilibru fizic și chimic, care se bazează pe exploatarea sistemelor vii. În timpul dezvoltării fiecărui organism (orthogenesis), precum și în procesul de evoluție (filogenie) tot timpul, se formează noi structuri, iar starea realizată cu regularitate mai mare. Acest lucru înseamnă că entropia (tulburare) a unui sistem viu nu trebuie să crească. Astfel, a doua lege a termodinamicii, care este valabilă pentru sistemele izolate, sistemele vii, care sunt deschise, nu se aplică.

Pentru a deschide sistemele termodinamice, variația entropiei este suma DS = DSi + DSE
în cazul în care DSi - variația de entropie în procesele care au loc în cea mai mare sistem viu, DSE - variația de entropie în metabolismul energetic și cu mediul înconjurător.

Conform celei de a doua lege a termodinamicii valoare DSi poate fi doar pozitiv sau în cazuri extreme (proces reversibil) este zero. DSE Valoarea poate fi pozitiv (DSE> 0, sistemul recepționează entropia) și negativă (DSE <0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При DSe <0 и |DSe |> | DSi | :

ceea ce înseamnă o creștere a comenzilor când sistemul lasă mai entropie decât există în interiorul acestuia în timpul proceselor ireversibile.

Luați în considerare derivata a entropiei. care se numește rata de schimbare sau producerea de entropie. Din expresia pentru DS, rezultă că producția de entropie a unui sistem deschis:

Pentru o stare de echilibru în timp când nu este schimbat dezechilibru, producția de entropie trebuie să fie egală cu zero (derivata unei valori constante):

Acest lucru înseamnă că

și anume entropie care apar în timpul proceselor care au loc în cadrul sistemului (DSI), trebuie să treacă complet în mediul extern.

Teorema Prigogine. Potrivit lui Prigogine teorema, în cazul în care sistemul termodinamic deschis în condiții constante de-a lungul timpului pentru a se oferi, creșterea entropiei va scădea atâta timp cât sistemul ajunge la o stare de echilibru de echilibru dinamic; În această stare, creșterea entropiei va fi minim, adică.

Astfel, putem spune că într-o producție minimă de entropie la starea de echilibru a sistemului deschis.

acest lucru înseamnă că pentru sistemele vii:

Pe parcursul duratei de viață a unui sistem viu a elementelor sale sunt expuse în mod constant la aparitia cariilor. Entropy aceste procese este pozitiv (există o tulburare).

Pentru a compensa dezintegrarea (compensarea tulburare) trebuie efectuată sub forma unor procese de sinteză elementelor de lucru interne pentru a înlocui rupte. Acest lucru înseamnă că lucrările interioare ale unui proces cu o entropie negativă (astfel de procese sunt denumite negentropic entropie negativă -. Negentropy).

Sistemul de proces Negeyntropiyny contracarează creșterea entropiei, care se referă la procesul de degradare și creează prin care se dispune.

Sursa de energie pentru lucrări interioare ale Comisiei negentropic sunt:

Pentru organisme - heterotrophs (hrana de numai organice) - energia sub formă de legături chimice și entropia joasă de substanțe organice puternic absorbite. In acest caz, substanțele nutritive absorbite au o mai mare rânduială (entropie mai mică) decât produsele secretate de metabolism. organisme heterotrofe transferat de comanda (negentropia) a nutrienților în sine.

Pentru organisme - autotrophs (sintetizând independent nutrienți pentru ei înșiși din compuși anorganici cu lumina solara) - energia luminii solare, radiația electromagnetică care reprezintă o entropie joasă.

Astfel, metabolismul necesar termodinamic pentru a contracara creșterea entropiei cauzată de procesele ireversibile într-un sistem viu.

Dacă luăm în considerare sistemul de „organism viu, plus mediu“, din care se iau substanțe nutritive și care sunt date la schimbul de produse, a doua lege a termodinamicii este adevărată: entropia crește de sistem și nu scade. Acest lucru înseamnă că un sistem viu creează în sine prin care se dispune, datorită faptului că reduce ordonarea în mediu.

Astfel, sistemul de viață este un sistem deschis și entropia este în creștere, așa cum este cazul într-un sistem izolat. Acest lucru înseamnă că un sistem viu efectuează în mod constant eforturi pentru a menține ordinea lor, și este într-o stare de echilibru neechilibru. Producerea de entropie în acest (după cum rezultă din Teorema Prigozhin) este minimă.

Astfel, cu pozițiile termodinamicii poate argumenta că sistemele vii sunt inerente în procesele care reduc entropia sistemului și, prin urmare, organizarea lor de sprijin.

Următoarea întrebare este cum să pună în aplicare procesele de auto-gestionare și de auto-organizare a sistemelor vii. Această problemă este legată în primul rând luarea în considerare a vieții ca un proces de informare. Nu e de mirare cibernetica este determinată de creatorul său N. Wiener ca „știința de control și transfer de informații în organisme și mașini vii.“

În primul rând, ia în considerare cele două funcții cele mai importante sunt organizate și sisteme de control - control și reglare.

2.Upravlenie și reglementarea în sistemele vii
2.1 sarcinile de gestionare și control

Controlul si reglarea - concepte similare, dar între ele există o diferență. Managementul - o sisteme de funcții organizate care furnizează următoarele sarcini:

· Menținerea unei structuri specifice a sistemului;
· Menținerea performanței sistemului;
· Punerea în aplicare a obiectivelor sistemului printr-o regulă anume (algoritm).

Aceste probleme sunt rezolvate prin intermediul unui regulament.

Sistemul de control al funcției, care poate efectua sarcini, cum ar fi - Regulamentul:

· Menținerea constanța cantității controlate la un anumit nivel;
· Schimbarea variabilei controlate de o anumită lege (software de control);
· Schimbarea variabilei controlate în conformitate cu evoluția unor procese externe (de urmărire de control).

Homeostazia. Controlul general este îndreptat spre menținerea homeostaziei - un caracteristici dinamice relativ constante ale mediului intern.

Sistemele Homeostazia de viață, datorită capacității de a produce o reacție de răspuns la schimbarea parametrilor de mediu care să elimine sau să minimalizeze efectele acestor schimbări (cp. Pentru principiul Le Chatelier a discutat mai devreme).

sarcinile de management într-un sistem viu, constă astfel în faptul că cât mai eficient posibil pentru a răspunde la schimbările din mediul extern și intern, care este de a neutraliza efectele perturbatoare asupra sistemului. Sistemul live rezolvă problema controlului prin ajustarea în timp util a structurii sale, în conformitate cu condițiile modificate. Cu alte cuvinte, procesul de control este un proces de sistem prin care se dispune, în conformitate cu schimbările din mediul extern și intern, în scopul de a contracara factorii de dezorganizare. Acest proces se realizează prin intermediul unor elemente care alcătuiesc sistemul.

În sistemele vii, factorii de control afectează sistemul nu din afară, dar apar în sine. Prin urmare, controlul în sistemele vii este o procese de reglementare auto-guvernare - procesele de auto-reglementare, și sistemele vii sunt ele însele sisteme de auto-organizare. Este necesar să se dea o altă definiție a auto-organizare.

Autoorganizarea - procesul prin care a creat, menținut sau organizarea unui sistem complex îmbunătățit. proprietăți de auto-organizare inerente în toate sistemele vii: celule, organisme, populații biogeocoenosis. procesele de autoorganizare apar ca urmare a restructurării existente și crearea de noi legături între elemente ale sistemului. În sistemele de auto-organizare a se adapta la condițiile în schimbare sau un control îmbunătățit realizat prin schimbarea procesului de structura sistemului de control: activarea sau elemente ale sistemului de dezactivare, schimbarea relației dintre elementele și comanda lor prin schimbarea algoritmilor de control.

nivelurile de management. În organism, există mai multe niveluri de management.

Mecanismul de reglare intracelulara efectuează reglementarea biochimice în conformitate cu informația genetică care este conținută la nivel molecular.

Mecanismul de reglementare a țesutului u nivel mai ridicat de reglementare decât celulare. Stofa interacționează în interiorul organismului prin schimbul de anumite substanțe chimice. Ea reglementează această interacțiune este alta, nivel mai ridicat - glandele endocrine. Ele produc hormoni care circula in sange, care este controlat de către corp ca întreg.

Cel mai înalt nivel de reglementare - a sistemului nervos central. care este prezent în toate organismele multe unicelulare. Aceasta afectează toate celelalte niveluri de reglementare.

de control al caroseriei are un multi-nivel de natură „ierarhic“. La fiecare nivel de management are ca scop abordarea provocărilor inerente acestui nivel. Cu cât mai mare nivelul, cu atât mai mult problema comuna a sistemului pe ea sunt rezolvate. Cu toate acestea, scopul principal al care este comun pentru sistemul de viață ca întreg este pus și rezolvată la cel mai înalt nivel de management. Scopuri și obiective ale nivelurilor care stau la baza sunt rol de sprijin în direcția obiectivului comun.

Baza pentru procesul de control și de reglementare este schimbul de informații, datorită link-urile informative. Să considerăm comunicarea de informații în cadrul unui organism.