Стационарное состояние живого организма: что это такое?

Стационарное состояние живого организма

Состояние системы, при котором ее параметры не изменяются в течение длительного времени, но происходит обмен веществом и энергией с окружающей средой.

Стационарное состояние в живых организмах достигается путем взаимной компенсации всех процессов, связанных с поступлением, удалением и превращением веществ и энергии.

Св-ва стац. состояния системы: стремление системы к мин. ежесекундному приросту энтропии; определеннная внутр. стабильность и упорядоченность.

Принцип Ле-Шателье: если система устойчива, то при отклонении в системе возникают силы, стремящиеся вернуть ее в исходное положение.

Стационарное состояние и термодинамическое равновесие

Стац. сосст — сост. системы при кот. ее параметры не изм. в течении длит. времени но происходит обмен веществом и энергией со средой.

ТД равновесие — сост. системы при кот. ее параметры не изм. и она не обменивается с окр. средой ни веществом ни энергией.

Различие между системами

Термодинамическое равновесие	Стационарное состояние
Отсутствие обмена с окр. средой веществом и энергией	Непрерывный обмен с окр. средой веществом и энергией
Энтропия постоянна и соотв. max возможному в данных условиях значению	Энтропия постоянна, но не равна max возможному в данных условиях значению
Полное отсутствие в системе каких-либо градиентов	Наличие постоянных по величине градиентов
Не требуется затраты свободной энергии	Необходимы постоянные затраты энергии
Система нереакционноспособна и не совершает работу против внешних сил	В системе совершаются необратимые реакции, ее работоспособность постоянна и не равна нулю

Живой организм может изменить уровень стационарного состояния в результате воздействия окр. среды и при патологических процессах.

Одной из важнейших характеристик био. систем является устойчивость стационарных состояний, при отклонении системы от стационарного уровня в ней возникают силы, стремящиеся вернуть ее в первоначальное положение.

В момент смерти организм находится в сост. ТД равновесия

Уравнение Пригожина

в стац. состоянии при фиксированных внеш. параметрах скорость продукции энтропии в открытой системе, обусловленная протеканием необратимых процессов, постоянна во времени и минимальна по величине:

diS/dt → min

Т.о. стац. состояние характеризуется мин. рассеянием энергии. В соответствии с теоремой Пригожина для поддержания стац. состояния тратится некоторое кол-во энергии, причем самое минимальное. Организм стремится работать на самом выгодном энергетическом режиме. При этом энтропия возрастает с минимальной скоростью.

Основные понятия и особенности кинетики биологических процессов

базируются на общих теоретических положениях хим. кинетики, изучающей скорости хим. реакций. Фундаментальное понятие хим. кинетики — хим. реакция, представляющая собой совокупность актов перегруппировки межатомных связей.

Хим. реакции можно разделить на:

• 1) Гомогенныепротекают с одинаковой скоростью в любом элементарном объеме данной фазы;
• 2) гетерогенные— на границе раздела фаз, и скорость их определяется скоростью подачи реагирующих веществ на поверхности раздела фаз.

Катализаторыповышают скорость спонтанно протекающих реакций. Если вещество инициирует реакцию, оно называется инициатором, если ускоряет каталитическую реакцию, то его относят к активаторам. Соединения, понижающие скорость каталитической реакции или полностью подавляющие — ингибиторами.

Под кинетикой реакции понимают зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ, температуры и других параметров.

Реакции называются последовательными, если продукт одной из реакций является исходным веществом для другой.

Сопряженной называют реакцию, которая происходит при одновременном протекании другой реакции.

Цепная реакция — это самоподдерживающаяся химическая реакция, при которой первоначально появляющиеся продукты принимают участие в образовании новых промежуточных и конечных продуктов.

Параллельными называют совместно протекающие реакции, если, по крайней мере, одно исходное вещество этих реакций является общим.

Стационарные неравновесные состояния: принцип Ле Шателье

Напомним, что состояние системы называется равновесным, если в этом состоянии все параметры системы имеют определенные значения и остаются при неизменных внешних условиях постоянными сколь угодно долго. Система может быть выведена из равновесия воздействием извне.

Процессам, нарушающим равновесие системы, противостоит внутренняя релаксация. Например, в случае разреженных газов внутренняя релаксация обусловлена столкновением между молекулами. Поэтому после прекращения внешнего воздействия система возвращается в равновесное состояние. Время, необходимое для такого возвращения, называется временем релаксации.

Если возмущающие процессы менее интенсивны, чем релаксационные, то в малых объемах системы наблюдается локальное равновесие.

Например, если газ поместить между плоскостями, нагретыми до разных температур, то система в целом не будет равновесной, температура системы в разных точках будет различной. Однако процесс теплопроводности достаточно медленный и в системе будут области с локальным равновесием. Локальное равновесие может наблюдаться и в случае медленного изменения внешнего воздействия для времен, бóльших времени элементарного релаксационного процесса, формирующего равновесие.

В сложной системе, состоящей из большого числа подсистем, возникает большое число связей между ними.

В такой системе из-за внутренних взаимодействий возникает эффект системности: появление большого количества новых свойств, которых нет у ее частей. На пути любой достаточно сложной системы к равновесию, которое характеризуется максимумом энтропии, встречаются обстоятельства, не позволяющие это сделать.

Такими обстоятельствами могут выступать граничные условия (например, постоянная разность температур на границах). В этом случае система с течением времени переходит в квазистационарное состояние. Таким образом, в неравновесной термодинамике появилось новое понятие стационарное (т.е. не зависящее от времени) неравновесное состояние.

В стационарных неравновесных состояниях характеристики системы не зависят от времени, поэтому и энтропия от времени не зависит. Но энтропия все время возникает, поскольку потоки и силы в системе отличны от нуля.

Полная энтропия будет постоянной только при поступлении в систему извне отрицательной энтропии или негэнтропии, которая компенсирует производство энтропии внутри системы.

В стационарном неравновесном состоянии уменьшается производство энтропии. Теорема о минимуме производства энтропии в стационарном неравновесном состоянии, сформулированная Пригожиным, отражает внутреннюю устойчивость неравновесных систем, их своеобразную инерционность.

Устойчивость стационарных состояний с минимальным производством энтропии связана с принципом, сформулированным в 1884 г. Ле Шателье и обобщенным в 1887 г. немецким физиком К. Брауном. Принцип Ле Шателье–Брауна в современной интерпретации означает, что система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия.

Принцип локального равновесия и теорема о минимуме производства энтропии в равновесных системах были положены в основу современной термодинамики необратимых процессов.

Стационарное состояние: теорема Пригожина

Стационарным называют такое состояние открытой системы, при котором основные макроскопические параметры системы остаются постоянными. Необходимы различные стационарные состояния от равновесного состояния.

Отличительные признаки стационарного и равновесного состояния

Равновесное	Стационарное
1.G и работоспособность системы минимальные.	1. G и работоспособность системы постоянны, но не минимальны.
2. Энтропия в системе максимальна.	1. Энтропия в системе постоянна, за счет равенства продукции и потока энтропии.
3. Отсутствие градиентов в системе.	3. Наличие постоянных градиентов в системе.

В состоянии равновесия в системе прекращаются все процессы, кроме теплового движения молекул, при этом выравниваются все градиенты.

В стационарном состоянии идут химические реакции, диффузия, перенос ионов и другие процессы, но они так стабилизированы, что состояние системы в целом не изменяется.

В стационарном состоянии существуют градиенты между отдельными частями системы, но они сохраняют постоянные значения. Это возможно только при условии, что система из окружающей среды получает вещество и G , а отдает продукты реакции и выделяющееся тепло.

Термодинамическим условием стационарного состояния является равенство между продукцией энтропии, произведенной организмом, и потоком энтропии, то есть:

, тогда полное изменение энтропии равно 0 .

Термодинамика открытых систем позволяет вскрыть еще одну причину целесообразности стационарного состояния для биологической системы, которая сформулирована в теореме Пригожина:

«В стационарном состоянии продукция энтропии имеет постоянное и минимальное из всех возможных значений, то есть»:

Теорема Пригожина показывает, что в стационарном состоянии диссипация Gпроисходит с меньшей скоростью, чем в любых других состояниях, стало быть, в стационарном состоянии G системы расходуется наиболее экономно и поэтому требуется минимальная компенсация ее затрат, то есть, КПД системы в стационарном состоянии максимален.

Необходимо отметить, что теорема Пригожина справедлива только для таких состояний, которые мало отличаются от стационарных.

В этом случае, скорости всех процессов выражаются линейными уравнениями (уравнения 1 порядка).

Теорема Пригожина дает термодинамические критерии эволюции линейным системам, которые формулируются следующим образом:

«Открытая линейная система, если она не находится в стационарном состоянии, будет изменяться до тех пор, пока скорость продукции энтропии в ней не приобретет минимальное значение из всех возможных, то есть, пока величина диссипативная функции не примет минимальное значение».

Таким образом, второе начало термодинамики для живых организмов можно представить в следующем виде:

I, II, III — второе начало термодинамики для живых организмов.

Стационарное состояние живых ТД систем, его отличие от ТД равновесия

баланс энтропии и свободной энергии. Условия перехода живых систем на новый стационарный уровень.

Стационарное состояние:

Зависит от 3-х параметров: -S (энтропия), -U (своб.

E), -t (время).

Стац. сост. – сост., когда параметры системы (U, S) с теч. времени остаются неизменными, но происходит обмен в-вом и Е, т.е. сост. сист. при кот. не происх. изм. ТД параметров.

Изолированные сист.: ∆S=0 или >0.

Для равновесного сост.

S стремится к мах, U=0. Стац. сост. отличается тем, что S ≠ мах, а является постоянной величиной, S=const, U не равняется 0, U=const. Ежесекундный прирост энтропии стремится к min. Любая живая система может находиться только в стац.

сост. Если достигнуто состояние ТД равновесия — это уже не живая система. Качество стационарного состояния может быть различным.

В открытых системах:

S состоит из двух показателей.

Si – внутри самой сист., S — самой системы, Se – внешняя среда.

dS=dSi+dSe (d – это ∆ — это изменение)

Когда dSe > dSi и dSe < 0, тогда dSe < 0 – «нек» энтропия, негативная, в эволюц. плане деградирует система, напр. паразиты.

В случае изомерной живой системы — она не обменивается Е и в-вом, т.е. только dS=dSe

Прирост S — необратимость протекания процесса.

dSe<0: возможно 3 ситуации

1.Приток внешней энтропии отрицателен и по модулю превышает изменения внутренней Si dS<0

нервный импульс.

dSe<0, по мoдyлю=dSi

dS=O

Характерно для стационарного состояния системы dS=dSi+dSe=O

3. dSe<0 и по мoдyлю <dSi. dS>0.

Состоянию ТД равновесия — характерно мах значение S (S=max), U=0, т.е. Е, которая расходуется на совершение А.

Сходство: стац. и равновесное состояния не зависят от времени.

Отличия стац. сост. от равновесия (из конспекта):

1) своб. Е (∆G) в стац. сост. есть величина постоянная во времени и не равна 0.

В ТД равн. ∆G=const, но ∆G =0 => открытые сист., если вывести из стац. сост. могут совершать работу; при ТД равновесии не способны совершать работу.

2) энтропия.

В стац. сост. =const, но она не max. (∆G) ∆S ≠ max = const.

3) !!! в стац. сост. проявляется кинетический параметр (фактор) (изменение энтропии во времени) dS/dt = dSi/dt + dSe/dt.

Стационарное состояние:

* постоянный обмен энергией с окружающей средой

* постоянно тратится свободная энергия на поддержание состояния

* т/д потенциалы постоянны, G и F не равны 0

* энтропия постоянна, но не максимальна

* градиенты присутствуют

Термодинамическое равновесие

* отсутствует поток вещества и энергии в окружающую среду и обратно

* на поддержание этого состояния не затрачивается свободная энергия

* работа способности системы равна 0, т/д потенциалы равны 0

* энтропия максимальна

* в системе отсутствуют градиенты

Переход на новый стац.

уровень:

2 пути: 1) «овершот» — по нему переходят живые организмы при изм внеш. усл. (приспособление). График.

Нижняя стрелочка – это старый стац. уровень.

Верхняя стрелочка – это новый стац. уровень.

2) «ложный старт» — усиление или уменьшение О2, выращивание лука с О2 и без. График. С О2 – аэробный распад углеродов. Без О2 – обмен в-в переходит на анаэробный путь.

А если потом снова дать О2 – то получится график 2 (то что обведено кружочком – там осущ-ся уничтожение продуктов анаэробного пути). Пример для чела: пока не расщепится молочная к-та осуществлять работу дальше нельзя.

Теорема Пригожина и направленность эволюции биосистем.

Энтропия и биологический прогресс.

Стац. сост. хар-ся min ежесекундным приростом энтропии (благодаря этому происходит эволюция).

Теорема: при постоянных внеш. усл. в системе, находящейся вблизи положения ТД равновесия в стац. сост., скорость возрастания энтропии, за счёт необходимости внутр. процессов, принимает постоянное минимальное значение отличное от нуля.

Или: В стационарных состояниях при фиксированных внешних параметрах локальная продукция энтропии в открытой т/д системе стремится к минимальному значению.

Энтропия – мера рассеивания свободной энергии, следовательно любая открытая т/д система в стационарном состоянии стремится к минимальному рассеиванию свободной энергии.

Если в силу причин система отклонилась от стационарного состояния, то вследствие стремления системы к минимальной энтропии, в ней возникают внутренние изменения, возвращающие ее в стационарное состояние.

Величина, кот это всё характеризует:

β= T* (dS/dt), где β – диссипативная фукнкция. β>0, min. С этим связан Критерий эволюции открытых систем: ∆β/dt < 0

Механизмы саморегуляции систем

Функционируют по принципу обратной связи.

Обратная связь – это понятие, обозначающее влияние выходного сигнала системы на ее рабочие параметры. Различают положительную и отрицательную. «–» чаще встречается в биосистемах, направлена на снижение влияния выходного сигнала на рабочие параметры системы. «+» усиливает влияние выходного сигнала, в результате чего система может выходить из данного состояния.

Гомеостаз – постоянство многих параметров.