في عام 1945 ، نشر أحد مؤسسي ميكانيكا الكم ، إروين شرودنغر ، كتاب "ما هي الحياة من وجهة نظر الفيزيائي؟" ، حيث نظر في الكائنات الحية من وجهة نظر الديناميكا الحرارية. كانت الأفكار الرئيسية على النحو التالي.
كيف يتطور الكائن البيولوجي ويوجد؟ عادة نتحدث عن عدد السعرات الحرارية الممتصة من الغذاء والفيتامينات والمعادن والهواء وطاقة الشمس. الفكرة الأساسية هي أنه كلما زاد عدد السعرات الحرارية التي نتناولها ، زاد الوزن الذي نكتسبه. يعتمد النظام الغذائي الغربي البسيط على حساب السعرات الحرارية وتقييدها. ولكن بعد قدر هائل من المواد المنشورة وأثارت الاهتمام العام ، بعد دراسة متأنية ، وجد أنه في كثير من الحالات لا يجدي مفهوم السعرات الحرارية. يعمل الجسم بشكل أكثر تعقيدًا من الموقد الذي يحرق فيه الطعام مع إطلاق قدر معين من الحرارة. يمكن لبعض الناس أن يأكلوا القليل جدًا بينما يظلون نشيطين وحيويين ، بينما يحتاج البعض الآخر إلى معالجة الطعام طوال الوقت ، ناهيك عن الشعور المستمر بالجوع عند نمو الأطفال. وماذا يمكن أن نقول عن شعوب أقصى الشمال ، الذين يأكلون اللحوم فقط ، ولا يحصلون على أي فيتامينات على الإطلاق؟ لماذا توجد مثل هذه الاختلافات الكبيرة؟ لماذا يختلف الناس والجنسيات المختلفة في عاداتهم الغذائية؟
من ناحية أخرى ، هل نحصل على الطاقة من الغذاء فقط؟ إذن كيف يمكن للطيور الصغيرة أن تطير عبر المحيط الأطلسي؟ من السهل حساب الشغل الميكانيكي الذي يقومون به عن طريق رفرفة أجنحتهم لمسافة معينة وترجمتها إلى سعرات حرارية. ثم يمكنك حساب عدد السعرات الحرارية التي يمكن أن تستخلصها الطيور من كيلوغرام واحد من الحبوب. وبعد ذلك سنرى أن كل طائر يجب أن يحمل معه كيسًا ضخمًا من الإمدادات ، تمامًا مثل الطائرة التي تحمل خزانًا من الوقود. لذا من وجهة النظر الكلاسيكية ، فإن تحليق الطيور عبر المحيط الأطلسي أمر مستحيل! يجب أن يسقطوا في منتصف الطريق ويغرقوا! لكنهم كانوا يطيرون منذ آلاف السنين!
هل تعمل أي فيزياء خاصة في هذه الحالة؟ فيزياء الأشياء البيولوجية؟
نعتقد أن هناك فيزياء واحدة فقط: فيزياء العالم المادي ، وهي صالحة لكل من الأشياء غير العضوية والبيولوجية. الاختلاف هو فقط في مدى تعقيد المنظمة والوقت المميز للعمليات الجارية. في نفس الوقت ، جنبا إلى جنب مع العالم المادينحن نتحدث عن عالم المعلومات أو الروحانية أو عالم الوعي. هذه العوالم موجودة جنبًا إلى جنب مع المادة وتؤثر عليها من خلال النشاط الواعي للإنسانية.
كان المبدأ الأول الذي لاحظه E. Schrödinger والذي طوره لاحقًا I. Prigogine و A. Haken هو المبدأ الأنظمة المفتوحة. هذا يعني أن الأنظمة البيولوجية تتبادل باستمرار المواد المادية والطاقة والمعلومات مع الفضاء المحيط. عندما يقع الحجر في الشمس ، ترتفع درجة حرارته - وكلما زادت الشمس ، ارتفعت درجة الحرارة. بشكل عام ، يمكن اعتبار الحجر نظامًا مغلقًا سلبيًا. عندما يظل الشخص السليم في الشمس ، تظل درجة حرارته ثابتة - 36.6 درجة مئوية. يمكننا القول أن الشخص يحافظ على حالة من التوازن - التوازن والتوازن النشط مع البيئة. هذا التوازن ممكن فقط من خلال عملية التبادل ذات الاتجاهين. يمتص الجسم الطاقة من الطعام والشمس والهواء وفي نفس الوقت ينتج الطاقة ويبددها في الفضاء. للتعبير عن مزيد من الأفكار بشكل أكثر دقة ، من الضروري كتابة عدة معادلات.
يتم التعبير عن الانتروبيا على النحو التالي: S = k السجل p (E) ، أين لهل ثابت بولتزمان ، ص- احتمالا، ه- حالات الطاقة المحتملة للنظام.
كما هو موضح أعلاه ، يستخدم مفهوم الانتروبيا على نطاق واسع في الفيزياء ويتم تقديمه بشكل متزايد في العلوم البيولوجية والاجتماعية. الانتروبيا هو مقياس للتنوع. على سبيل المثال ، المجتمع الأكثر تنظيماً هو فوج الجيش ، حيث يرتدي الجميع نفس الملابس ويطيعون الأوامر بصرامة. في المجتمع المدني ، ملابس الناس وسلوكهم شديدة التنوع. لذلك ، فإن إنتروبيا وحدة الجيش هي أقل بكثير من إنتروبيا المجتمع المدني. لكن الانتروبيا هي أيضًا مقياس للفوضى.
بالنسبة للأنظمة الحية ، من الممكن تحديد التغيير في الانتروبيا. وهو يساوي مجموع الانتروبيا "الخارجية" القادمة من الغذاء والماء dS (الغذاء) ، والهواء dS (الهواء) ، والضوء dS (الضوء) والنتروبيا "الداخلية" التي يعطيها الكائن الحي إلى الفضاء dS (inter).
dS = dS (طعام) + dS (هواء) + dS (ضوء) + dS (inter) = dS (ext) + dS (inter) (1)
يمكن أن تؤدي هذه المعادلة إلى ثلاث حالات مختلفة:
dS = dS (ext) + dS (inter) = 0
dS = dS (ext) + dS (inte d)<0
dS = dS (ext) + dS (inter)> 0
المعادلة الأولى dS = 0 تميز حالة الاستتباب ، أو التوازن مع البيئة ، عندما يكون التدفق الممتص للإنتروبيا أو الطاقة متوازنًا تمامًا من خلال العمليات الداخلية للكائن الحي.
dS = dS (ext) + dS (inter) = 0. هذه الحالة نموذجية لشخص بالغ يتمتع بصحة جيدة عمليًا في حالة هدوء. بمعنى آخر ، يتم الاحتفاظ بجميع معلمات الجسم ثابتة. يمكن تقديم هذه المعادلة في شكل آخر:
dS (ext) = - dS (inter)
كما توحي هذه المعادلة ، يجب أن تكون dS (inter) سالبة! وفقًا لمصطلحات E. Schrödinger ، فإن الكائن الحي "ينتج" إنتروبيا سلبية. في هذه الحالة ، لا يوجد تناقض مع قوانين الفيزياء أو الديناميكا الحرارية ، لأنه ليس الانتروبيا هو الذي يتبين أنه سلبي ، ولكن معدل إنتاجه. هذا يعني أن الكائن البيولوجي يبني الطاقة والمعلومات ويبسطها وينظمها ، وبالتالي يقلل من الفوضى في الكون. هذه الخاصية ، وفقًا لـ E. Schrödinger ، هي التي تفصل بين الأنظمة الحية والطبيعة غير البيولوجية. طوال حياتها ، تنظم الأنظمة البيولوجية الفضاء ، وتخلق النظام والبنية في عالم مضطرب.
لكن هذا التوازن من الانتروبيا صالح فقط لكائن بالغ في حالة صحية طبيعية. المرض هو رد فعل الجسم لتأثير خارجي ينقل الجسم من حالة التوازن. هذا يعني أن dS (inter) يرتفع بشكل حاد. يستجيب الجسم للتأثيرات الخارجية عن طريق زيادة إنتاج الطاقة الداخلية والنشاط الداخلي. مع ارتفاع درجة الحرارة ، يزداد dS (inter) في محاولة للتعويض عن dS (ext). يؤثر هذا فورًا على السلوك: أثناء المرض ، يحتاج الجسم إلى كمية أقل من الطعام - وهذه طريقة واحدة لتقليل تناول dS (inter). في هذه المرحلة ، يصبح معدل إنتاج الكون من قبل الكائن الحي سالبًا:
dS (تحويلة)< dS (inter) , =>دي اس< 0 . При этом энтропия всего организма может быть вычислена как:
هذا يعني أن المعادلة (1) لا تحدد قيمة الانتروبيا ، ولكن منحدر منحنى الأنتروبيا: يصبح مسطحًا عند dS = 0 ، ويزيد عند dS> 0 ، وينخفض عند dS< 0. Конкретное значение энтропии в данный момент времени зависит от "истории" развития организма, от всех его предшествующих трансформаций и изменений.
في حالة المرض ، يزيد منحنى الإنتروبيا أولاً من خط التوازن ، وبعد ذلك ، بسبب صراع الجسم مع الالتهاب ، ينخفض إلى القيم الأدنى ، إلى ترتيب أعلى. وهكذا ، يحارب الجسم التأثيرات الخارجية ، ضد الأمراض ، من خلال تقليل الانتروبيا الكلية بسبب زيادة إنتاج الانتروبيا الداخلية "السلبية"!
تحدث عملية مماثلة في الطفولة: ينتج جسم الطفل كمية كبيرة من الانتروبيا "السلبية" بسبب عمليات فسيولوجية أكثر نشاطًا مقارنة بحالة البالغين. يتم التعبير عن هذا في النشاط البدني وزيادة استهلاك المعلومات. حاول أن تقفز على قدم المساواة مع طفل يبلغ من العمر خمس سنوات بصحة جيدة - في غضون ساعة ستقع على السرير منهكًا ، وسيقفز الطفل أكثر. الشيء نفسه مع المعلومات: الطفل يدرك ويعالج كمية كبيرةالمعلومات ، وسرعة المعالجة ، كقاعدة عامة ، لا تضاهى مع قدرات الشخص البالغ.
ما الفرق بين حالة الطفل والحالة المرضية؟ يكمن الاختلاف في حقيقة أنه من أجل التعويض عن إنتاج الانتروبيا "السلبية" ، يستهلك جسم الطفل كمية كبيرة من الطاقة من الفضاء المحيط. يستهلك الأطفال عدة مرات كمية كبيرةالغذاء لكل وحدة وزن مقارنة بالبالغين ، يعالج جسم الأطفال هذه الطاقة بنشاط ، ويذهب جزء صغير منها فقط لزيادة وزن الجسم.
يمكن افتراض حدوث عملية تعويض خاصة dS (inter) أثناء النوم. على ما يبدو ، هذا هو تعويض لمكون المعلومات لتدفق الانتروبيا. أثناء النوم ، يتبادل نصفا الدماغ بنشاط المعلومات الواردة خلال اليوم ، وتقييم أهميتها واتخاذ القرارات بشأن تنفيذها. هذا هو الوقت الذي يكتسب فيه النصف الأيمن من الدماغ ، الذي عادةً ما يتم كبته من قبل اليسار ، "صوتًا" ويمكن أن يجلب معلومات غير مؤكدة ومهززة إلى السطح: الأحاسيس ، والشكوك البديهية ، والقلق ، والمخاوف ، والرغبات ، والعمليات الناشئة. ويتم تصور هذه المعلومات في شكل أحلام ، وتحويل تدفق المعلومات إلى صور رائعة ، ولكنها حقيقية جدًا!
لهذا السبب يحتاج الأطفال والمرضى إلى مزيد من الوقت للنوم - هذا هو الوقت المناسب لمعالجة المعلومات ومعالجة الإنتروبيا. ينفصل الجسم عن العالم الخارجي ويتواءم مع العمل الداخلي ، حيث تحدث عملية نشطة لتشكيل الاتصالات وإنشاء هياكل المعلومات. اتبع الطفل: مرحلة النوم النشط أطول بكثير من مرحلة الشخص البالغ ، وفي هذه الأحلام يتعامل الطفل مع الانطباعات من عالم واسع غير مفهوم.
بالنسبة لكبار السن ، ينخفض معدل إنتاج الانتروبيا dS (inter): تتباطأ جميع العمليات. وفقًا لذلك ، تنخفض الحاجة إلى الطعام والنوم والمعلومات الجديدة ، ولكن بمرور الوقت ، يتوقف معدل تدفق الانتروبيا من الخارج عن طريق العمليات الداخلية dS (ext)> - dS (inter) ويصبح الرصيد إيجابيًا. يتوافق هذا مع حقيقة أن منحنى الانتروبيا الكلي يبدأ بالانحناء لأعلى - يصبح من الصعب أكثر فأكثر على الجسم استعادة النظام في النظام والحفاظ على تنظيمه الهيكلي. في مرحلة ما ، لم يعد بإمكان الكائن الحي الحفاظ على هذه الحالة ويقفز إلى حالة منظمة أخرى ذات إنتروبيا منخفضة - حالة الموت.
الذي - التي. يمكننا ربط المعادلات أعلاه بأعمار مختلفة:
dS = dS (ext) + dS (inter) = 0 صحة البالغين ،
dS = dS (ext) + dS (inter)< 0 датско-юношеский возраст или заболевание,
dS = dS (ext) + dS (inter)> 0 الشيخوخة.
يمكن تطبيق تحليل طاقة مماثل في الجانب التطوري. عند مقارنة الأشكال الدنيا والعليا من الحياة العضوية ، نرى أن البروتوزوا لديها نظام بدائي لتحويل الطاقة للمواد الواردة (عملية التحول الرئيسية هي التخمير) ومساحة كبيرة من التلامس مع بيئةمقارنة بحجم الجسم ، مما يزيد من فقد الطاقة ويعقد السيطرة على عمليات التمثيل الغذائي. لذلك ، فإن دورة حياة هذه الكائنات قصيرة جدًا ، وتعيش كنوع بسبب التكاثر المكثف. بالنسبة لمثل هذه الكائنات ، يكون معدل إنتاج الانتروبيا السلبية منخفضًا.
مع تطور الكائن الحي ، فإنه يفصل نفسه أكثر فأكثر عن البيئة ، مما يخلق بيئة داخلية مع نظام خاص للتحكم وتنظيم المعايير الداخلية. على مستوى أنظمة عضوية معينة ، يعمل مبدأ الحد الأدنى من فقدان الطاقة. في عملية التطوير ، تم تطوير معلمات الأنظمة الوظيفية المختلفة في اتجاه تقليل استهلاك الطاقة اللازمة لأداء وظائف معينة: التنفس ، الدورة الدموية ، تقلصات العضلات ، إلخ.
من وجهة النظر هذه ، كلما كان الطعام الذي يستهلكه الجسم أكثر تنوعًا ، كلما كانت عملية تبادل الأنتروبيا أسهل. الأطعمة النباتية غنية بالمعادن والعناصر النزرة ، واللحوم مصدر للبروتين والطاقة مباشرة للعضلات والعظام والأنسجة النامية. لذلك ، في مرحلة الطفولة والمراهقة ، يعتبر اللحم جزءًا لا يتجزأ من استقلاب الطاقة والانتروبيا: فهو يحافظ على قوة الجسم من أجل النشاط الإبداعي. في الشيخوخة ، لا توجد حاجة إلى عمل بدني نشط أو إنشاء بنى جديدة ، لذا فإن استهلاك اللحوم ينتج بروتينًا زائدًا في الجسم ، والذي يجب التخلص منه. وهذا يؤدي إلى إنتاج مفرط للإنتروبيا السلبية ، باستخدام موارد الجسم الصغيرة بالفعل. في الوقت نفسه ، يحتوي اللحم على معلومات سلبية من الحيوانات المقتولة. تتطلب هذه المعلومات أيضًا معالجة ، يجب أن يكون الجسم نشطًا و "أنانيًا" ، وهو أيضًا سمة أساسية لحالة الشباب ، ولكن غالبًا ما تتجلى في الشيخوخة كمنتج ثانوي لنوع معين من التغذية.
ومرة أخرى ، يجب أن ننتبه للجانب المعلوماتي لوجودنا. كان الانفصال لحظة مهمة في التطور البيولوجي تبادل الطاقة والمعلوماتمع البيئة. لا يستهلك الكائن الحي الطاقة اللازمة للوجود فحسب ، بل يستهلك أيضًا المعلومات التي تحدد أشكال السلوك المعقدة. بالنسبة لأبسط الكائنات الحية ، يستمر التفاعل مع البيئة كعملية تهيج - تفاعل. كلما زاد تعقيد الكائن الحي ، زادت تعقيد طبيعة تفاعله مع المحفزات البيئية - يعتمد ذلك على الحالة الحالية والعمر ومستوى التطور والتفاعل مع الكائنات الحية الأخرى. يستهلك الجسم المعلومات ويعالجها ويحللها ويخزنها ويستخدمها باستمرار. هذا شرط ضروري للوجود. لكن في الفيزياء الحديثة ، يمكن التعبير عن المعلومات من حيث الإنتروبيا ، لذلك يمكننا القول أن تبادل المعلومات هو جزء من تبادل الإنتروبيا وجميع خصائص عمليات الإنتروبيا التي نظرنا إليها قابلة للتطبيق بشكل كامل على عمليات المعلومات. لذلك نحن نتحدث عنه تبادل الطاقة والمعلوماتمع البيئة. ينتمي تبادل الطاقة إلى العمليات المادية ويتم التحكم فيه من خلال القوانين الفيزيائية المادية ، وينتمي تبادل المعلومات إلى الظواهر غير المادية ، وهو ليس عملية فيزيائية وقواعد نظرية المعلومات تعمل هنا. (في الوقت نفسه ، يجب أن نتذكر أن ناقلات المعلومات هي دائمًا عمليات مادية أو جزيئات). وبهذا المعنى ، فإن العمليات الروحية هي أعلى شكل من أشكال العمليات المعلوماتية.
يستهلك الكائن الحي مواد مادية وطاقة ومعلومات من البيئة. يمر إدراك المعلومات من خلال الأنظمة الحسية (الرؤية ، السمع ، اللمس) والمستقبلات الداخلية (الكيميائية ، البارو ، الجلوكوز ، إلخ). يتم تحليل تدفق المعلومات من قبل الجهاز العصبي المركزي والمحيطي والدماغ ، وتؤثر نتائج المعالجة والتحليل على السلوك النفسي والفسيولوجي والروحي. وهذا يؤدي إلى تشكيل قرارات وبرامج للسلوك من جهة ، ومعلومات جديدة من جهة أخرى.
واحدة من الأدوات العالمية لوصف الأداء النظامي للأشياء البيولوجية ، وجسم الإنسان على وجه الخصوص ، هو استخدام نهج التآزر الاحتمالي باستخدام مفهوم الانتروبيا المعمم. يستخدم هذا المفهوم على نطاق واسع في الديناميكا الحرارية لتحديد مقياس تبديد الطاقة الضروري لنظام ديناميكي حراري غير منتظم وفي الفيزياء الإحصائية كمقياس لاحتمال أن يكون النظام في حالة معينة. في عام 1949 ، أدخل شانون الإنتروبيا في نظرية المعلومات كمقياس لعدم اليقين من نتيجة التجربة. اتضح أن مفهوم الانتروبيا هو أحد الخصائص الأساسية لأي أنظمة ذات سلوك احتمالي ، مما يوفر مستويات جديدة من الفهم في نظرية ترميز المعلومات واللغويات ومعالجة الصور والإحصاء وعلم الأحياء.
يرتبط الانتروبيا ارتباطًا مباشرًا بمفهوم المعلومات ، الذي يميز رياضيًا العلاقة بين الأحداث المختلفة ويصبح مهمًا بشكل متزايد في دراسة أداء الكائنات البيولوجية. من المسلم به أنه عند وصف عمل الكائن البيولوجي ، وهو نظام مشتت مفتوح ، من الضروري مراعاة عمليات التبادل ، الطاقة والمعلومات. يمكن تقدير تأثير المعلومات الخارجية على الكائن الحي من خلال التغيير في إنتروبيا الحالة.
أرز. 1. حالات الطاقة للنظام البيولوجي.
وفقًا لمفاهيم الحائز على جائزة نوبل الأول بريغوجين ، في عملية نمو وتطور الجسم ، ينخفض معدل إنتاج الانتروبيا لكل وحدة كتلة من الجسم. عندما يتم الوصول إلى حالة ثابتة ، يمكن اعتبار التغيير الكلي في الانتروبيا مساويًا للصفر ، والذي يتوافق مع التعويض المتبادل لجميع العمليات المرتبطة بالتدفق الداخلي ، وإزالة وتحويل المادة والطاقة والمعلومات. 1. صاغ Prigogine الخاصية الرئيسية للحالة الثابتة للأنظمة المفتوحة: عند المعلمات الخارجية الثابتة ، يكون معدل إنتاج الانتروبيا ، بسبب حدوث عمليات لا رجوع فيها ، ثابتًا في الوقت المناسب وله قيمة دنيا dS / dt -> min.
وهكذا ، وفقًا لنظرية بريغوجين ، تتميز الحالة الثابتة بالحد الأدنى من تشتت الانتروبيا ، والذي يمكن أن يصاغ للأنظمة الحية على النحو التالي: يتطلب الحفاظ على التوازن الحد الأدنى من استهلاك الطاقة ، أي يسعى الجسم جاهدًا للعمل في وضع الطاقة الأكثر اقتصادا. يرتبط الانحراف عن حالة ثابتة - مرض - بخسائر إضافية في الطاقة ، للتعويض عن العيوب البيولوجية الخلقية أو المكتسبة ، وزيادة اقتصادية في الانتروبيا.
في النظام الديناميكي ، يمكن أن يكون هناك العديد من الحالات الثابتة التي تختلف في مستوى إنتاج الإنتروبيا dS k / dt. يمكن وصف حالة الكائن الحي على أنها مجموعة من مستويات الطاقة ( رسم بياني 1) ، بعضها مستقر (المستويات 1 و 4) ، والبعض الآخر غير مستقر (المستويات 2 ، 3 ، 5). في ظل وجود اضطراب خارجي أو داخلي يعمل باستمرار ، يمكن أن يحدث انتقال مفاجئ من حالة إلى أخرى. يتميز أي التهاب بزيادة استهلاك الطاقة: ترتفع درجة حرارة الجسم ، ويزداد معدل عمليات التمثيل الغذائي.
يؤدي الانحراف عن الحالة الثابتة مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة إلى تطوير العمليات الداخلية التي تسعى إلى إعادة النظام إلى المستوى 1. مع العمل المطول للعوامل ، يمكن للنظام الانتقال إلى المستوى 3 ، إلى ما يسمى نقطة التشعب ، والتي من خلالها هناك عدة نتائج ممكنة: العودة إلى المستوى المستقر 1 ، والانتقال إلى حالة توازن مستقرة أخرى 2 ، تتميز بمستوى جديد لمعلومات الطاقة ، أو "قفزة" إلى مستوى أعلى ، ولكن غير مستقر 5.
بالنسبة للكائن الحي ، يتوافق هذا مع عدة مستويات تكيفية للصحة النسبية أو المرض المزمن مع مستويات مختلفة من أداء النظام. يتوافق المرض الحاد مع حالة غير ثابتة مع زيادة إنتاج الانتروبيا ، أي نوع غير اقتصادي من أداء الجسم. وفقًا لنظرية الكوارث التي كتبها VI Arnold ، في الأمراض الحادة أو المتلازمات المرضية المتطورة بشكل حاد (أكثر ظهور حاد للالتهاب الرئوي الحاد ، وحالة الربو ، والصدمة التأقية ، وما إلى ذلك) ، من الضروري نقل الجسم فجأة من حالة "سيئة" دولة مستقرة إلى "جيدة". في هذه الحالة ، يُنصح باستخدام جرعات كبيرة أدوية. في مرحلة تفاقم التلاشي وفي مغفرة الأمراض المزمنة ، يزداد دور التأثيرات الصغيرة ، على سبيل المثال ، الوخز بالإبر والعلاجات المثلية التي لها تأثير إعلامي إيجابي للطاقة.
إن قابلية تعدد الأنظمة المعقدة غير الخطية ، مثل جسم الإنسان ، والطبيعة الاحتمالية لتطوره المستمر ، والتنظيم الذاتي تؤدي إلى الحاجة إلى البحث عن "عوامل تشكيل النظام" التي يمكن أن تنسب إليها الإنتروبيا.
مبدأ كوري كآلية منظمة للتطور في عمليات التشعب.
يتم التعبير عن وجهة النظر بأن التطور في الأنظمة الجيولوجية يحدث بسبب تكوين الهياكل المشتتة في عمليات عدم التوازن وفقًا لأحكام I. الديناميكا الحرارية غير الخطية في Prigogine. قابلية التطبيق والدور الرئيسي لمبدأ التناظر الشامل الخاص بـ P. Curie ، والذي يحدد درجة التعقيد أو درجة تدهور الأنظمة عندما تصل إلى النقطة الحرجة لعدم التوازن ، وكذلك آلية وراثة يتم إثبات الملامح الرئيسية للأنظمة في عملية تطورها. إن الجمع بين نظرية بريغوجين ومبدأ كوري يجعل من الممكن من حيث المبدأ التنبؤ بمسار تطور الأنظمة المعقدة.
يفهم العديد من الباحثين التطور على أنه سلسلة من التحولات في التسلسل الهرمي للبنى ذات التعقيد المتزايد. من الواضح أن هذا التعريف يلتقط:
1) العمليات التطورية التدريجية ؛
2) تسلسل التعقيد المتزايد في سياق تكوين الهياكل الجديدة. بحكم التعريف ، التطور ليس خاصية لأي أنظمة أو مجموعات أنظمة مختارة.
نشأت أفكار التطور وتطورت في أحشاء علم الأحياء. الطبيعة المضادة للإنتروبيا للتطور ، التناقض الواضح لقانونها الثاني للديناميكا الحرارية ، جعلتنا نعتقد أنه بالنسبة للوصف الديناميكي الحراري للتطور البيولوجي ، لا يزال من الضروري اكتشاف قوانينه الخاصة ، وأن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينطبق فقط على الأشياء من الطبيعة غير الحية. في الوقت نفسه ، كان الأمر كما لو كان من المفترض أن يكون التطور في الطبيعة غير الحية إما غائبًا ، أو أن مظهره لا يؤدي إلى انتهاك القانون الثاني.
إن تطور الأشياء ذات الطبيعة غير الحية حقيقة مثبتة علميًا ، وهذه الحقيقة تتطلب فهمًا من وجهة نظر القوانين العامة وآليات الإدراك التلقائي الطبيعي.
يقول الباحث الألماني و. إيبيلينج إن "مسائل تكوين البنى هي من بين المشاكل الأساسية للعلوم الطبيعية ، ودراسة نشوء التراكيب من أهم أهداف المعرفة العلمية". تم إنشاء المتطلبات الأساسية اللازمة لحل مشكلة ظهور الهياكل في إطار الديناميكا الحرارية غير الخطية بواسطة I. Prigogine ونظرية ظهور الهياكل المشتتة التي تليها. في الجيولوجيا ، للأسف ، هذه الأفكار تخترق ببطء. أحكام الديناميكا الحرارية غير الخطية (أو الديناميكا الحرارية للعمليات غير المتوازنة ، التي لا رجعة فيها) قابلة للتطبيق بالتساوي على كائنات البيولوجيا والأشياء ذات الطبيعة الجامدة. دعونا نتذكر بإيجاز بعض الاستنتاجات من هذه النظرية.
· أظهر بريجوجين وطلابه أن الأنظمة المفتوحة البعيدة عن التوازن يمكن أن تتطور إلى حالة جديدة بسبب حقيقة أن التذبذبات الدقيقة فيها تكتسب طابعًا تعاونيًا ومتماسكًا. يمكن أن توجد حالة جديدة للنظام لفترة طويلة إلى أجل غير مسمى ، بينما تظهر هياكل جديدة في النظام ، والتي تسمى التبديد. وتشمل هذه عدم الاستقرار الهيدروديناميكي المعروف جيدًا بينارد ، وردود الفعل الدورية لبيلوسوف-زابوتينسكي ، بريجز-راوشر ، إلخ. حدوثها هو "مضاد للإنتروبيا" بمعنى أنه مصحوب بانخفاض عام في إنتروبيا النظام (بسبب لتبادل المادة و / أو الطاقة مع البيئة).
· تقوية التقلبات بالابتعاد عن حالة التوازن يؤدي إلى فقدان تلقائي لاستقرار النظام. عند النقطة الحرجة ، التي تسمى نقطة التشعب ، ينهار النظام (يتحول إلى فوضى) ، أو بسبب غلبة السلوك المتماسك للجسيمات ، تتشكل فيه هياكل مشتتة. يختار النظام مسار تطوره الإضافي تحت تأثير العوامل العشوائية ، لذلك من المستحيل التنبؤ بحالته المحددة بعد نقطة التشعب وطبيعة الهياكل المشتتة الناشئة.
· أهم خاصية للبنى المشتتة هي تقليل التناظر المكاني عند نقطة التشعب. يؤدي تقليل التناظر إلى إنشاء ترتيب أعلى وبالتالي تقليل إنتروبيا النظام.
· التطور هو التكوين المتعاقب للهياكل المشتتة في حالات بعيدة عن التوازن الديناميكي الحراري. (الاختلال هو ما يولد النظام من الفوضى). وفي الوقت نفسه ، على الرغم من زيادة مستوى تنظيم وتعقيد الأنظمة في عملية التطوير الذاتي ، فإن التطور يتسارع بمرور الوقت.
على النحو التالي مما قيل ، فإن نظرية الهياكل المشتتة تنطلق من السلوك العشوائي للنظام عند نقاط التشعب ، أي يفترض عشوائية الخصائص المورفولوجية للهياكل المبددة الناشئة حديثًا. هناك قيد واحد فقط - الانخفاض العام في التناظر ، ولكن هذا أيضًا لا يمكن التنبؤ به. بعبارة أخرى ، هذه النظرية ، على الرغم من طبيعتها الثورية وقدرتها على الإجابة على السؤال الأكثر إلحاحًا في العلوم الطبيعية: ما الذي يجعل الأنظمة تتطور ، بشكل عام لا تحتوي على شروط للحد من تنوع الهياكل الناشئة ، ومن حيث المبدأ ، تسمح بظهور هيكل من أي تعقيد في عملية واحدة غير متوازنة. هذا يتعارض مع نموذج التطور ، والعنصر الرئيسي فيه هو المبدأ المؤكد باستمرار: من البسيط إلى المعقد.
لا يمكن اعتبار مورفولوجيا عدم التجانس الناتج في وسط متجانس بشكل أساسي عشوائيًا. يمكن الافتراض أن طبيعة الأحداث التي تؤدي إلى ظهور هياكل دورية مكانية مستقرة يتحكم فيها قانون عام.
شعر مؤلف نظرية البنى المبددة بالحاجة الملحة لمثل هذا القانون واتخذ خطوات معينة نحو الكشف عنه. من الواضح ، لهذا السبب ، أن Prigogine احتاج إلى تحليل التغيير في خصائص التناظر عند نقطة التشعب ، حيث كان عليه أن يكتشف قابلية تطبيق مبدأ Curie للتناظر - عدم التناسق على نطاق الظواهر قيد الدراسة. يحتوي هذا المبدأ على قيود محددة تمامًا على تناسق الهياكل الناشئة ، وبالتالي على نمو نظامها. قرأه بريغوجين على أنه مبدأ الجمع للتناظر ، والذي بموجبه "التأثيرات الخارجية التي تسبب ظواهر مختلفة، لا يمكن أن يكون لها تماثل أعلى من التأثير الذي تولده "، أي ظاهرة جديدة لها تناسق لا يقل عن تناسق الأسباب التي أدت إلى ظهورها. نظرًا لأنه لوحظ انخفاض في التناظر عند نقطة التشعب ، فقد تم التوصل إلى استنتاج مفاده أن مبدأ كوري غير قابل للتطبيق على عمليات التوازن التي لا رجعة فيها.
وفقًا لـ I.I. Shafranovsky ، ينقسم مبدأ كوري إلى أربع نقاط ، مرتبطة ارتباطًا وثيقًا ، لكنها تكشف عنها من زوايا مختلفة:
1) شروط التناظر للتعايش بين الوسط والظواهر التي تحدث فيه (يمكن أن توجد ظاهرة في وسط مع تناظرها المميز أو تناظر إحدى المجموعات الفائقة أو المجموعات الفرعية للأخيرة) ؛
2) الحاجة إلى عدم التناسق ("عدم التناسق يخلق ظاهرة") ؛
3) قاعدة التراكب (التراكب) لعناصر التناظر وعدم التناسق للوسط والظاهرة (نتيجة لذلك ، يتم الاحتفاظ فقط بالعناصر المشتركة للوسط والظاهرة - مبدأ عدم التناسق) ؛
4) استمرار عناصر التماثل وعدم التناسق في الأسباب في النتائج التي تولدها (توجد عناصر تناسق الأسباب في النتائج الناتجة ، يجب العثور على عدم تناسق التأثير في الأسباب التي أدت إلى ظهوره - مبدأ التناظر).
كوري تحليل للنص ، مدعومًا بأمثلة محددة لتكوين المعادن الحقيقي ، قاد II Shafranovsky إلى استنتاج مفاده أن جوهر المبدأ هو النقطة 3 - حول الحفاظ على ظاهرة العناصر المشتركة فقط للتناظر التي أدت إلى ظهور لأسبابه (مبدأ عدم التناسق). على العكس من ذلك ، فإن وجود أي عناصر تناظر ليست مميزة لأحد الأسباب المولدة للظاهرة (مبدأ التناظر - النقطة 4) يرتبط بوجود ظروف خاصة. وفقًا لـ I.I. Shafranovsky ، تختلف مبادئ التناظر وعدم التناسق في تنفيذها الطبيعي بشكل حاد من حيث الانتشار. الأول يتحقق فقط في ظروف خاصة ومحددة ، ويتجلى الثاني حرفيًا في كل مكان. لذلك ، في عمل I.I. Shafranovsky مع المؤلفين المشاركين ، تم ذكر: "مبدأ" التناظر "ليس عالميًا ، لكنه يتجلى في الطبيعة فقط في ظل ظروف محددة بدقة ومحدودة. في المقابل ، فإن مبدأ "عدم التناسق" ، مع بعض التحفظات ، مبدأ عالمي حقًا. نرى ظهوره على أي جسم طبيعي ".
ترتبط ظواهر التناظر في تكوين المعادن الحقيقي بظهور توائم (توائم ، تيز ، رباعي ، إلخ) أو بظهور أشكال بسيطة زائفة. تتكون هذه "الأشكال الزائدة" والأشكال البسيطة الزائفة من مجموعات من الوجوه التي تنتمي إلى عدة أشكال بسيطة ، مرتبطة بعناصر ذات تناظر عالٍ مرئي.
أمثلة على تشغيل مبدأ عدم التناسق عديدة للغاية وترتبط باختفاء بعض عناصر التناظر المميز للبلورات في الحالات التي تكون فيها غائبة في وسط تكوين المعادن. في ظل هذه الظروف ، يكون التناظر الخارجي للبلورة عبارة عن مجموعة فرعية من تناظرها المميز ، وفي الوقت نفسه ، يكون مجموعة فرعية من تناظر الوسط.
أبرم بريجوجين وزملاؤه مبدأ التناظر ("التأثيرات الخارجية ... لا يمكن أن يكون لها تناظر أعلى من التأثير الذي تولده") ، واستبدلت بالمحتوى الكامل لأفكار بي كوري. على النحو التالي مما سبق ، فإن مثل هذه القراءة لمبدأ كوري غير صحيحة بشكل عام وتعكس فقط أحد الشروط المحتملة لحدوث العمليات (وفقًا لشافرانوفسكي - خاص ، محدد) ، والتي ، في رأينا ، تتحقق في نقيتها. تشكل عند نقطة التشعب إذا اختار النظام تطوير مسار كارثي. وبالتالي ، فإن الاستنتاج حول عدم قابلية تطبيق مبدأ كوري على نظرية التنظيم الذاتي من خلال ظهور البنى المشتتة في ظل ظروف عدم التوازن لا يمكن اعتباره مبررًا.
يغير هذا الاستنتاج بشكل جذري فهم جوهر الظواهر التي تحدث عند نقاط التشعب. يتم فرض قيود صارمة على الفكرة التي تمت صياغتها في نظرية بريغوجين عن الطبيعة العشوائية للهياكل الجديدة الناشئة في هذه النقاط ، والتي تجعل من الممكن الحكم على المدى الذي يصبح فيه النظام أكثر تعقيدًا أثناء تكوين الهياكل التبديدية.
بإيجاز ما ورد أعلاه ، فإننا نتوصل إلى الاستنتاجات التالية:
1. كما هو مطبق على الهياكل التبديدية ، عندما تولد الفوضى ، في ظل ظروف معينة بعيدة عن التوازن ، عدم تجانس دوري مكاني و / أو زمني يقلل بشكل عام من تماثل الوسط ، صياغة مبدأ كوري ، الموصوفة أعلاه كمبدأ عدم التناسق ، له أهمية رائدة.
2. وفقًا لمبدأ كوري ، ينبغي افتراض أن تناسق الهياكل المشتتة التي تنشأ في عملية عدم التوازن ليس عرضيًا: لا يمكن أن يكون أقل من الذي يحدده العناصر المشتركةتناسق الوسط والعملية كأسباب تؤدي إلى ظهور الظاهرة في شكل عناصر هيكلية جديدة. يبدو هذا الاستنتاج مهمًا من وجهة نظر أنه يحد "من أسفل" درجة ترتيب الهياكل المبددة الناشئة وبالتالي يملأ بالمحتوى الحقيقي مفهوم التطور كسلسلة من التحولات في التسلسل الهرمي للبنى ذات التعقيد المتزايد ، و في كل فعل تطور محدد ، يتم تخفيض التناظر (ترتيب متزايد). في ضوء ما سبق ، يمكن المجادلة بأن الهياكل ذات التعقيد الكبير بشكل تعسفي لا يمكن أن تنشأ في عملية عدم التوازن (وهو ما تسمح به فكرة بريغوجين بشكل أساسي عن عدم القدرة على التنبؤ بسلوك النظام عند نقاط التشعب). مستوى تعقيد الهيكل محدود بشكل فريد "من الأسفل" بمبدأ كوري.
3. إذا اختار النظام مسارًا كارثيًا عند نقطة التشعب ، فإن بنية الفوضى الناشئة حديثًا لا تتميز بشكل تعسفي كبير ، ولكن بزيادة محددة بدقة في التناظر (انخفاض في الترتيب ، زيادة في الانتروبيا). يتم تحديد هذه الزيادة من خلال مبدأ التناظر كأحد جوانب مبدأ التناظر وعدم التناسق العالمي كوري. إن الالتفاف في هذه الحالة ليس مطلقًا ؛ يتم تحديد درجة التدهور الهيكلي للنظام تمامًا من خلال مجموع عناصر التناظر في الوسط والعملية التي أدت إلى ظهور هذه الظاهرة. هنا يحد مبدأ كوري "من فوق" درجة التبسيط الهيكلي للنظام.
في هذا الطريق، توصلنا إلى استنتاج مفاده أنه في الطبيعة توجد آلية تتحكم في مورفولوجيا الهياكل المشتتة التي تنشأ في ظل ظروف عدم التوازن ، أي درجة ترتيب كائنات التطور. يتم لعب دور هذه الآلية من قبل العالمي مبدأ التناظر - عدم تناسق كوري . هذا المبدأ يجعل من الممكن التنبؤ ، في الحالة العامة ، بالخصائص المورفولوجية لمنتجات التطور في الطبيعة غير الحية ، وكذلك في النظم البيولوجية والاجتماعية ، بناءً على وصف كامل لخصائص التناظر في البيئة والعمليات التي تحدث فيه.هذا لا يعني أكثر من القدرة على التنبؤ بمسارات التطور. يجب أيضًا التأكيد على أن مبدأ تناظر كوري يجعل من الممكن فهم آلية الوراثة من خلال النظام بعد اجتيازه نقطة التشعب للعناصر الرئيسية لحالته السابقة. الوراثة ، واستمرارية السمات الرئيسية في سلسلة من التغييرات التطورية في النظام هي واحدة من الأنماط التي يتم ملاحظتها باستمرار ولا يشكك فيها أحد. التطور وفقًا لـ I. Prigogine ، تفسر على أنها إن ظهور بنى تبديدية جديدة في ظروف غير متوازنة بشكل حاد ، في الحالة العامة ، لا يستبعد فقط التنبؤ بالحالة المستقبلية ، ولكن أيضًا إمكانية الحكم على الحالة التي تسبق التشعب.
إن وجهة النظر المعلنة هذه تزيل كل المشاكل المرتبطة بدراسة التطور. في الوقت نفسه ، هناك سبب للاعتقاد بأن المسار المشار إليه للبحث يمكن أن يكون مثمرًا في تطوير الأسس النظرية للتطور وفي حل مشكلات معينة تتعلق بتوضيح آلية تكوين الهياكل الجديدة.
1. ملاحظات المحاضرة.
2. Gubanov N.I. الفيزياء الحيوية الطبية. م: الطب ، 1978 ، ص 39 - 66.
3 - فلاديميروف يو أ. الفيزياء الحيوية. م: الطب ، 1983 ، ص 8 - 29.
4. Remizov A.N. دورة فيزياء. م: بوستارد ، 2004 ، ص 201 - 222.
5. Remizov A.N. الفيزياء الطبية والبيولوجية. م: المدرسة الثانوية، 1987 ، ص 216 - 238.
الإدخال والطاقة في النظم البيولوجية. آليات بيولوجية لأنشطة "الطاقة" في ميريديان
كوروتكوف ك.جي 1 ، ويليامز ب 2 ، ويسنسكي إل إيه. 3
بريد الالكتروني: [بريد إلكتروني محمي]
1 - سببتويتمو ، روسيا ؛ 2 - كلية الدراسات العليا بجامعة هولوس ، فيرفيو ، ميزوري ؛ الولايات المتحدة الأمريكية ، المركز الطبي لجامعة جورج واشنطن ، الولايات المتحدة الأمريكية.
عمل
يمكن تقسيم طرق دراسة الحالة الوظيفية للشخص عن طريق تسجيل المعلمات الكهروضوئية للجلد إلى مجموعتين شرطيتين وفقًا لطبيعة العمليات الفيزيائية الحيوية المعنية. تشتمل المجموعة الأولى على طرق "بطيئة" ، حيث يكون وقت القياس أكثر من ثانية واحدة. في هذه الحالة ، تحت تأثير الإمكانات المطبقة ، يتم تحفيز تيارات إزالة الاستقطاب الأيوني في الأنسجة ، ويساهم المكون الأيوني بشكل رئيسي في الإشارة المقاسة (تيلر ، 1988). تعتمد الطرق "السريعة" ، التي يكون فيها وقت القياس أقل من 100 مللي ثانية ، على تسجيل العمليات الفيزيائية التي يحفزها المكون الإلكتروني لموصلية الأنسجة. يتم وصف هذه العمليات بشكل أساسي من خلال النماذج الميكانيكية الكمومية ، لذلك يمكن تصنيفها على أنها طرق للفيزياء الحيوية الكمومية. يتضمن الأخير طرقًا لتسجيل التلألؤ الجوهري والمحفَّز ، بالإضافة إلى طريقة انبعاث الإلكترون المُحفَّز مع التضخيم في تفريغ الغاز (طريقة تصور تفريغ الغاز). دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في الآليات الفيزيائية الحيوية والإنتروبيا لتنفيذ طرق الفيزياء الحيوية الكمية.
الدائرة الإلكترونية للحياة
"أنا مقتنع تمامًا بأننا لن نكون قادرين على فهم جوهر الحياة إذا اقتصرنا على المستوى الجزيئي ... الدقة المذهلة للتفاعلات البيولوجية ترجع إلى تنقل الإلكترونات ولا يمكن تفسيرها إلا من وجهة نظر ميكانيكا الكم."
A. Szent-Györgyi ، 1971
المخطط الإلكتروني للحياة - دوران وتحويل الطاقة في الأنظمة البيولوجية ، يمكن تمثيله بالشكل التالي (Samoilov ، 1986 ، 2001) (الشكل 1). يتم امتصاص فوتونات ضوء الشمس بواسطة جزيئات الكلوروفيل المركزة في أغشية البلاستيدات الخضراء لعضيات النبات الأخضر. من خلال امتصاص الضوء ، تكتسب إلكترونات الكلوروفيل طاقة إضافية وتنتقل من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة. نظرًا للتنظيم المنظم لمركب البروتين الكلوروفيل ، والذي يُسمى بالنظام الضوئي (PS) ، فإن الإلكترون المُثار لا ينفق الطاقة على التحولات الحرارية للجزيئات ، ولكنه يكتسب القدرة على التغلب على التنافر الكهروستاتيكي ، على الرغم من وجود المادة بجواره لديه إمكانات إلكترونية أعلى من الكلوروفيل. نتيجة لذلك ، يمر الإلكترون المثير إلى هذه المادة.
بعد أن فقد إلكترون الكلوروفيل لديه شاغر إلكترون حر. ويأخذ إلكترونًا من الجزيئات المحيطة ، والمواد التي تمتلك إلكتروناتها طاقة أقل من إلكترونات الكلوروفيل يمكن أن تعمل كمتبرع. هذه المادة هي الماء (الشكل 2).
يأخذ النظام الضوئي الإلكترونات من الماء ، ويؤكسدها إلى الأكسجين الجزيئي. لذلك يتم إثراء الغلاف الجوي للأرض باستمرار بالأكسجين.
عندما يتم نقل إلكترون متنقل على طول سلسلة من الجزيئات الكبيرة المترابطة هيكليًا ، فإنه ينفق طاقته على عمليات الابتنائية والتقويضية في النباتات ، وفي ظل الظروف المناسبة ، في الحيوانات. وفقًا للمفاهيم الحديثة (Samoilov ، 2001 ؛ Rubin ، 1999) ، يحدث النقل بين الجزيئات لإلكترون متحمس وفقًا لآلية تأثير النفق بشكل قوي. الحقل الكهربائي.
تعمل الكلوروفيل كخطوة وسيطة في البئر المحتمل بين المتبرع بالإلكترون والمستقبل. يقبلون الإلكترونات من متبرع بمستوى طاقة منخفض ، وبسبب طاقة الشمس ، تثيرهم كثيرًا بحيث يمكنهم الانتقال إلى مادة ذات إمكانات إلكترونية أعلى من المتبرع. هذا هو التفاعل الضوئي الوحيد ، وإن كان متعدد المراحل ، في عملية التمثيل الضوئي. لا تتطلب تفاعلات التخليق الحيوي ذاتية التغذية مزيدًا من الضوء. تحدث في النباتات الخضراء بسبب الطاقة الموجودة في الإلكترونات التي تنتمي إلى NADPH و ATP. بسبب التدفق الهائل للإلكترونات من ثاني أكسيد الكربون والماء والنترات والكبريتات وغيرها نسبيًا مواد بسيطةيتم إنشاء مركبات جزيئية عالية: الكربوهيدرات والبروتينات والدهون والأحماض النووية.
تعمل هذه المواد كمغذيات رئيسية للكائنات غيرية التغذية. في سياق العمليات التقويضية ، التي توفرها أيضًا أنظمة نقل الإلكترون ، يتم إطلاق الإلكترونات تقريبًا بنفس المقدار الذي تم التقاطه بواسطة المواد العضوية أثناء عملية التمثيل الضوئي. يتم نقل الإلكترونات التي يتم إطلاقها أثناء عملية الهدم إلى الأكسجين الجزيئي عن طريق السلسلة التنفسية للميتوكوندريا (انظر الشكل 1). هنا ، ترتبط الأكسدة مع الفسفرة - تخليق ATP عن طريق ربط بقايا حمض الفوسفوريك بـ ADP (أي ، فسفرة ADP). هذا يضمن إمداد الطاقة لجميع العمليات الحياتية للحيوانات والبشر.
كونها في خلية ، الجزيئات الحيوية "حية" ، تتبادل الطاقة والشحنات ، وبالتالي المعلومات ، وذلك بفضل نظام متطور من الإلكترونات π غير الموضعية. يعني عدم التمركز أن سحابة واحدة من الإلكترونات يتم توزيعها بطريقة معينة على الهيكل الكامل للمجمع الجزيئي. هذا يسمح لهم بالانتقال ليس فقط داخل جزيئاتهم ، ولكن أيضًا للانتقال من جزيء إلى جزيء إذا تم دمجهم هيكليًا في مجموعات. تم اكتشاف ظاهرة النقل بين الجزيئات بواسطة J. Weiss في عام 1942 ، وتم تطوير النموذج الميكانيكي الكمومي لهذه العملية في 1952-1964 بواسطة R. موليكن.
في الوقت نفسه ، فإن المهمة الأكثر أهمية للإلكترونات π في العمليات البيولوجية لا ترتبط فقط بإلغاء تحديد موقعها ، ولكن أيضًا بخصائص حالة طاقتها: الفرق بين طاقات الأرض والحالات المُثارة بالنسبة لها أقل بكثير من إلكترونات π ويساوي تقريبًا طاقة الفوتون hν.
نتيجة لذلك ، فإن الإلكترونات π هي القادرة على تجميع الطاقة الشمسية وتحويلها ، ويرجع ذلك إلى ارتباط كل إمدادات الطاقة للأنظمة البيولوجية بها. لذلك ، عادةً ما تسمى إلكترونات بيتا "إلكترونات الحياة" (Samoilov ، 2001).
بمقارنة مقاييس إمكانات الاختزال لمكونات أنظمة التمثيل الضوئي وسلسلة الجهاز التنفسي ، من السهل التحقق من أن الطاقة الشمسية المحولة بواسطة الإلكترونات أثناء عملية التمثيل الضوئي تنفق بشكل أساسي على التنفس الخلوي (تخليق ATP). وهكذا ، نظرًا لامتصاص فوتونين في البلاستيدات الخضراء ، يتم نقل الإلكترونات π من P680 إلى ferroxin (الشكل 2) ، مما يزيد من طاقتها بنحو 241 kJ / mol. يُستهلك جزء صغير منه أثناء نقل الإلكترونات π من الفيروكسين إلى NADP. نتيجة لذلك ، يتم تصنيع المواد ، والتي تصبح بعد ذلك غذاءًا للكائنات غيرية التغذية وتتحول إلى ركائز للتنفس الخلوي. في بداية السلسلة التنفسية ، الطاقة الحرة للإلكترونات π هي 220 كيلو جول / مول. هذا يعني أنه قبل ذلك ، انخفضت طاقة الإلكترونات بمقدار 20 كيلو جول / مول. وبالتالي ، فإن أكثر من 90٪ من الطاقة الشمسية المخزنة بواسطة إلكترونات بيتا في النباتات الخضراء يتم نقلها بواسطتها إلى السلسلة التنفسية للميتوكوندريا الحيوانية والبشرية.
المنتج النهائي لتفاعلات الأكسدة والاختزال في السلسلة التنفسية للميتوكوندريا هو الماء. لديها أقل طاقة مجانية لجميع الجزيئات المهمة بيولوجيا. يقال أنه مع الماء يصدر الجسم إلكترونات محرومة من الطاقة في عمليات النشاط الحيوي. في الواقع ، إن إمداد الطاقة في الماء ليس صفراً بأي حال من الأحوال ، ولكن كل الطاقة موجودة في روابط ولا يمكن استخدامها للتحولات الكيميائية في الجسم عند درجة حرارة الجسم وغيرها من المعايير الفيزيائية والكيميائية لجسم الحيوانات والبشر. بهذا المعنى ، يُؤخذ النشاط الكيميائي للماء كنقطة مرجعية (مستوى الصفر) على مقياس النشاط الكيميائي.
من بين جميع المواد المهمة بيولوجيًا ، يتمتع الماء بأعلى قدرة تأين - 12.56 فولت. تحتوي جميع جزيئات المحيط الحيوي على إمكانات تأين أقل من هذه القيمة ، ويكون نطاق القيم تقريبًا في حدود 1 فولت (من 11.3 إلى 12.56 فولتًا).
إذا أخذنا إمكانات تأين الماء كنقطة مرجعية لتفاعل المحيط الحيوي ، فيمكننا بناء مقياس للطاقات الحيوية (الشكل 3). إن القدرة الحيوية لكل مادة عضوية لها معنى محدد للغاية - فهي تتوافق مع الطاقة التي يتم إطلاقها عندما يتأكسد المركب المعين في الماء.
أبعاد BP في الشكل 3 هي أبعاد الطاقة الحرة للمواد المقابلة (بالكيلو كالوري). وعلى الرغم من أن 1 eV = 1.6 10 -19 J ، عند الانتقال من مقياس إمكانات التأين إلى مقياس الإمكانات الحيوية ، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار رقم فاراداي والفرق في إمكانات التخفيض القياسية بين زوج الأكسدة والاختزال لمادة معينة و زوج O 2 / H 2 O الأكسدة والاختزال.
من خلال امتصاص الفوتونات ، تصل الإلكترونات إلى أعلى قدرة حيوية في النظم الضوئية للنبات. من هذا المستوى العالي للطاقة ، ينزلون بشكل منفصل (خطوة بخطوة) إلى أدنى مستوى للطاقة في المحيط الحيوي - مستوى الماء. يتم تحويل الطاقة المنبعثة من الإلكترونات على كل درجة من هذا السلم إلى طاقة الروابط الكيميائية ، وبالتالي تقود حياة الحيوانات والنباتات. ترتبط إلكترونات الماء بالنباتات ، والتنفس الخلوي يعيد تكوين الماء. تشكل هذه العملية دائرة إلكترونية في المحيط الحيوي ، مصدرها الشمس.
فئة أخرى من العمليات التي هي مصدر وخزان للطاقة الحرة في الجسم هي عمليات الأكسدة التي تحدث في الجسم بمشاركة أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). أنواع الأكسجين التفاعلية هي أنواع كيميائية شديدة التفاعل ، والتي تشمل الجذور الحرة المحتوية على الأكسجين (O 2¾، HО 2، NO، NO، ROO ) ، وكذلك الجزيئات القادرة على إنتاج الجذور الحرة بسهولة (الأكسجين المفرد ، O 3 ، ONOOH ، HOCl ، H 2 O 2 ، ROOH ، ROOR). في معظم المنشورات المخصصة لـ ROS ، تتم مناقشة القضايا المتعلقة بعملها المُمْرِض ، حيث كان يُعتقد لفترة طويلة أن أنواع الأكسجين التفاعلية تظهر في الجسم عند اضطراب التمثيل الغذائي الطبيعي ، وتتلف المكونات الجزيئية للخلية بشكل غير محدد أثناء التفاعلات المتسلسلة التي بدأها الشوارد الحرة.
ومع ذلك ، فقد أصبح من الواضح الآن أن الإنزيمات المولدة للأكسدة الفائقة موجودة في جميع الخلايا تقريبًا وأن العديد من الاستجابات الفسيولوجية الطبيعية للخلايا ترتبط بزيادة إنتاج ROS. تتولد أنواع الأكسجين التفاعلية أيضًا في سياق التفاعلات غير الأنزيمية التي تحدث باستمرار في الجسم. وفقًا للحد الأدنى من التقديرات ، يذهب ما يصل إلى 10-15٪ من الأكسجين لإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية أثناء تنفس البشر والحيوانات ، ومع زيادة النشاط ، تزداد هذه النسبة بشكل كبير [Lukyanova et al.، 1982؛ Vlessis ، وآخرون ، 1995]. في الوقت نفسه ، عادةً ما يكون المستوى الثابت لـ ROS في الأعضاء والأنسجة منخفضًا جدًا بسبب انتشار الأنظمة الأنزيمية وغير الأنزيمية القوية التي تقضي عليها. لم تتم مناقشة السؤال عن سبب إنتاج الجسم لـ ROS بشكل مكثف للتخلص منها على الفور في الأدبيات.
لقد ثبت أن استجابات الخلايا الكافية للهرمونات والناقلات العصبية والسيتوكينات والعوامل الفيزيائية (الضوء ودرجة الحرارة والتأثيرات الميكانيكية) تتطلب قدرًا معينًا من أنواع الأكسجين التفاعلية في الوسط. يمكن لـ ROS نفسها أن تحفز في الخلايا نفس التفاعلات التي تتطور تحت تأثير جزيئات التنظيم الحيوي - من التنشيط أو التثبيط القابل للعكس للأنظمة الأنزيمية إلى تنظيم نشاط الجينوم. يرجع النشاط البيولوجي لما يسمى بأيونات الهواء ، والتي لها تأثير علاجي واضح على مجموعة واسعة من الأمراض المعدية وغير المعدية [تشيزيفسكي ، 1999] ، إلى حقيقة أنها جذور حرة (O 2 ¾ · ). يتوسع أيضًا استخدام أنواع أخرى من أنواع الأكسجين التفاعلية للأغراض العلاجية - الأوزون وبيروكسيد الهيدروجين.
تم الحصول على نتائج مهمة في السنوات الأخيرة من قبل أستاذ جامعة موسكو الحكومية ف. فويكوف. استنادًا إلى كمية كبيرة من البيانات التجريبية حول دراسة التألق شديد الضعف لدم الإنسان الكامل غير المخفف ، وجد أن التفاعلات التي تنطوي على ROS تحدث بشكل مستمر في الدم ، والتي يتم خلالها إنشاء الحالات المثارة إلكترونيًا (EES). يمكن بدء عمليات مماثلة في أنظمة المياه النموذجية التي تحتوي على أحماض أمينية ومكونات تعزز الأكسدة البطيئة للأحماض الأمينية في ظل ظروف قريبة من الفسيولوجية. يمكن أن تنتقل طاقة الإثارة الإلكترونية إشعاعيًا وغير إشعاعي في أنظمة نماذج المياه وفي الدم ، وتستخدم كطاقة تنشيط لتكثيف العمليات التي تولد وحدة التحكم الإلكترونية ، على وجه الخصوص ، بسبب تحريض تفرع السلسلة المتدهورة.
تظهر العمليات التي تتضمن أنواع الأكسجين التفاعلية التي تحدث في الدم وفي أنظمة المياه علامات على التنظيم الذاتي ، معبرًا عنها في طبيعتها المتذبذبة ، ومقاومة تأثير العوامل الخارجية الشديدة مع الحفاظ على حساسية عالية لتأثير العوامل ذات الكثافة المنخفضة والمنخفضة للغاية. يضع هذا الموقف الأساس لشرح العديد من التأثيرات المستخدمة في العلاج الحديث منخفض الكثافة.
استقبله V.L. Voeikov ، تظهر النتائج آلية أخرى لتوليد واستخدام EMU في الجسم ، هذه المرة في الوسائط السائلة. إن تطوير الأفكار الموضحة في هذا الفصل سيجعل من الممكن إثبات الآليات الفيزيائية الحيوية لتوليد الطاقة ونقلها في النظم البيولوجية.
إنتروبيا الحياة
فيما يتعلق بالديناميكا الحرارية ، تمر الأنظمة المفتوحة (البيولوجية) في عملية التشغيل عبر سلسلة من حالات عدم التوازن ، والتي بدورها تكون مصحوبة بتغيير في المتغيرات الديناميكية الحرارية.
لا يمكن الحفاظ على حالات عدم التوازن في الأنظمة المفتوحة إلا من خلال إنشاء تدفقات من المادة والطاقة فيها ، مما يشير إلى الحاجة إلى النظر في معلمات هذه الأنظمة كوظائف زمنية.
يمكن أن يحدث التغيير في إنتروبيا النظام المفتوح بسبب التبادل مع البيئة الخارجية (d e S) وبسبب نمو الانتروبيا في النظام نفسه بسبب العمليات الداخلية التي لا رجعة فيها (d i S> 0). قدم إي شرودنغر مفهوم أن التغيير الكلي في إنتروبيا النظام المفتوح يتكون من جزأين:
دس = د ه S + د أنا س.
عند التفريق بين هذا التعبير ، نحصل على:
dS / dt = d e S / dt + d i S / dt.
يعني التعبير الناتج أن معدل التغيير في إنتروبيا النظام dS / dt يساوي معدل التبادل الانتروبيا بين النظام والبيئة بالإضافة إلى معدل توليد الانتروبيا داخل النظام.
يمكن أن يكون المصطلح d e S / dt ، الذي يأخذ في الاعتبار عمليات تبادل الطاقة مع البيئة ، موجبًا وسالبًا ، بحيث يمكن أن يزيد إجمالي إنتروبيا النظام أو ينقص في d i S> 0.
سلبي d e S / dt< 0 соответствует тому, что отток положительной энтропии от системы во внешнюю среду превышает приток положительной энтропии извне, так что в результате общая величина баланса обмена энтропией между системой и средой является отрицательной. Очевидно, что скорость изменения общей энтропии системы может быть отрицательной при условии:
دس / د< 0 if d e S/dt < 0 and |d e S/dt| >د i S / dt.
وبالتالي ، فإن إنتروبيا النظام المفتوح تتناقص بسبب حقيقة أنه في أجزاء أخرى من البيئة الخارجية توجد عمليات مترافقة مع تكوين إنتروبيا إيجابية.
بالنسبة للكائنات الأرضية ، يمكن تبسيط التبادل الكلي للطاقة من خلال تكوين جزيئات كربوهيدرات معقدة من ثاني أكسيد الكربون و H 2 O أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يليها تدهور نواتج التمثيل الضوئي في عمليات التنفس. إن تبادل الطاقة هذا هو الذي يضمن وجود الكائنات الحية وتطورها - روابط في دورة الطاقة. هكذا هي الحياة على الأرض بشكل عام. من وجهة النظر هذه ، فإن الانخفاض في إنتروبيا الأنظمة الحية أثناء نشاط حياتها يرجع في النهاية إلى امتصاص كمات الضوء من قبل الكائنات الحية الضوئية ، والتي ، مع ذلك ، يتم تعويضها أكثر من خلال تكوين الانتروبيا الإيجابية في باطن الشمس. ينطبق هذا المبدأ أيضًا على الكائنات الحية الفردية ، حيث يرتبط تناول المغذيات من الخارج ، والتي تحمل تدفقًا من الانتروبيا "السلبية" ، دائمًا بإنتاج الانتروبيا الإيجابية عندما تتشكل في أجزاء أخرى من البيئة ، بحيث التغيير في الانتروبيا في الكائن الحي + نظام البيئة يكون دائمًا إيجابيًا.
في ظل ظروف خارجية ثابتة في نظام مفتوح متوازن جزئيًا في حالة ثابتة قريبة من التوازن الديناميكي الحراري ، يصل معدل نمو الانتروبيا بسبب العمليات الداخلية غير القابلة للانعكاس إلى قيمة موجبة دنيا غير صفرية ثابتة.
د i S / dt => A min> 0
مبدأ الحد الأدنى من نمو الانتروبيا ، أو نظرية بريغوجين ، هو معيار كمي لتحديد الاتجاه العام للتغيرات العفوية في نظام مفتوح بالقرب من التوازن.
يمكن تقديم هذا الشرط بطريقة أخرى:
d / dt (d i S / dt)< 0
هذا التفاوت يشهد على استقرار الحالة الثابتة. في الواقع ، إذا كان النظام في حالة ثابتة ، فلا يمكنه تركه تلقائيًا بسبب التغييرات الداخلية التي لا رجعة فيها. عند الانحراف عن حالة ثابتة ، يجب أن تحدث العمليات الداخلية في النظام ، وإعادتها إلى حالة ثابتة ، والتي تتوافق مع مبدأ Le Chatelier - استقرار حالات التوازن. بمعنى آخر ، فإن أي انحراف عن الحالة المستقرة سيؤدي إلى زيادة معدل إنتاج الانتروبيا.
بشكل عام ، يحدث الانخفاض في إنتروبيا الأنظمة الحية بسبب الطاقة الحرة المنبعثة أثناء تحلل العناصر الغذائية الممتصة من الخارج أو بسبب طاقة الشمس. في نفس الوقت ، يؤدي هذا إلى زيادة طاقتهم الحرة. وبالتالي ، فإن تدفق الانتروبيا السلبية ضروري للتعويض عن العمليات التدميرية الداخلية وفقدان الطاقة الحرة بسبب التفاعلات الأيضية التلقائية. في جوهرها ، نحن نتحدث عن تداول وتحويل الطاقة الحرة ، والتي بسببها يتم الحفاظ على عمل الأنظمة الحية.
تقنيات التشخيص المبنية على إنجازات الفيزياء الحيوية الكمية
بناءً على المفاهيم التي تمت مناقشتها أعلاه ، تم تطوير عدد من الأساليب التي تجعل من الممكن دراسة نشاط عمر الأنظمة البيولوجية. بادئ ذي بدء ، هذه طرق طيفية ، من بينها أنه من الضروري ملاحظة طريقة القياس المتزامن للتألق الجوهري لـ NADH والبروتينات الفلافوبروتينات المؤكسدة (FP) ، التي طورها فريق من المؤلفين بقيادة V.O. سامويلوفا. تعتمد هذه التقنية على استخدام المخطط البصري الأصلي الذي طوره E.M. Brumberg ، مما يجعل من الممكن قياس مضان NADH في وقت واحد بطول موجة قدره λ = 460 نانومتر (الضوء الأزرق) وفلور FP بطول موجة λ = 520-530 نانومتر (الضوء الأصفر والأخضر) تحت الإثارة فوق البنفسجية ( λ = 365 نانومتر). في هذا الزوج المتبرع بالمتبرع ، يتألق المتبرع بالإلكترون π في الشكل المختزل (NADH) ، بينما يتألق المتلقي في الشكل المؤكسد (FP). بطبيعة الحال ، تسود الأشكال المختزلة في حالة السكون ، بينما تسود الأشكال المؤكسدة عند تكثيف العمليات المؤكسدة.
تم إدخال هذه التقنية إلى المستوى العملي من خلال أجهزة التنظير الداخلي المريحة ، والتي أتاحت تطوير التشخيص المبكر للأمراض الخبيثة في الجهاز الهضمي والعقد الليمفاوية أثناء العمليات الجراحية والجلد. اتضح أنه من المهم بشكل أساسي تقييم درجة صلاحية الأنسجة في سياق العمليات الجراحية للاستئصال الاقتصادي. يوفر قياس التدفق داخل الحجاج ، بالإضافة إلى المؤشرات الثابتة ، الخصائص الديناميكية للأنظمة البيولوجية ، لأنه يسمح بإجراء الاختبارات الوظيفية ودراسة الاعتماد على الجرعة والتأثير. يوفر هذا تشخيصات وظيفية موثوقة في العيادة ويعمل كأداة للدراسة التجريبية للآليات الحميمة لإمراض الأمراض.
يمكن أيضًا أن تُعزى طريقة تصور تصريف الغاز (GDV) إلى اتجاه الفيزياء الحيوية الكمية. يحدث تحفيز انبعاث الإلكترونات والفوتونات من سطح الجلد بسبب نبضات المجال الكهرومغناطيسي القصيرة (10 ميكروثانية). كما أظهرت القياسات مع الذبذبات النبضية مع الذاكرة ، أثناء عمل نبضة EMF ، تتطور سلسلة من النبضات الحالية (والتوهج) لمدة 10 نانوثانية تقريبًا كل منها (الشكل 4). يرجع تطور النبضة إلى تأين جزيئات الوسط الغازي بسبب الإلكترونات والفوتونات المنبعثة ، ويرتبط انهيار النبضة بعمليات شحن السطح العازل وظهور تدرج EMF موجه مقابل الحقل الأولي (كوروتكوف ، 2001). عند تطبيق سلسلة من النبضات الكهرومغناطيسية المحفزة بمعدل تكرار يبلغ 1000 هرتز ، تتطور عمليات الانبعاث خلال مدة كل نبضة. تشير المراقبة التلفزيونية للديناميات الزمنية للتألق لمنطقة من الجلد بقطر عدة مليمترات ومقارنة إطار بإطار لأنماط التلألؤ في كل نبضة جهد إلى ظهور مراكز الانبعاث عمليًا في نفس النقاط من الجلد.
في مثل هذا الوقت القصير - 10 نانوثانية - عمليات إزالة الأيونات في الأنسجة ليس لديها وقت للتطور ، لذلك قد يكون التيار بسبب نقل الإلكترونات عبر المجمعات الهيكلية للجلد أو الأنسجة البيولوجية الأخرى قيد الدراسة المدرجة في دارة النبض التيار الكهربائي. تنقسم الأنسجة البيولوجية عادة إلى موصلات (سوائل موصلة بيولوجية في المقام الأول) وعوازل كهربائية. لشرح آثار انبعاث الإلكترون المحفز ، من الضروري النظر في آليات نقل الإلكترون من خلال الهياكل غير الموصلة. تم التعبير عن الأفكار بشكل متكرر لتطبيق نموذج موصلية أشباه الموصلات على الأنسجة البيولوجية. إن نموذج أشباه الموصلات الخاص بهجرة الإلكترون عبر مسافات كبيرة بين الجزيئات على طول نطاق التوصيل في شبكة بلورية معروف جيدًا ويستخدم بنشاط في الفيزياء والتكنولوجيا. وفقا لل الأفكار الحديثة(روبن ، 1999) ، لم يتم التحقق من صحة مفهوم أشباه الموصلات للأنظمة البيولوجية. في الوقت الحاضر ، يجذب مفهوم نقل الإلكترون النفقي بين جزيئات البروتين الفردية الحاملة المفصولة عن بعضها البعض بواسطة حواجز الطاقة أكبر قدر من الاهتمام في هذا المجال.
تمت دراسة عمليات النقل النفقي للإلكترونات جيدًا بشكل تجريبي ونمذجة باستخدام مثال نقل الإلكترون على طول سلسلة البروتين. توفر آلية النفق فعلًا أوليًا لنقل الإلكترون بين مجموعات متلقي المانح في البروتين ، وتقع على مسافة حوالي 0.5 - 1.0 نانومتر عن بعضها البعض. ومع ذلك ، هناك العديد من الأمثلة حيث يتم نقل الإلكترون في بروتين عبر مسافات أطول بكثير. من الضروري في هذه الحالة ألا يحدث النقل داخل جزيء بروتين واحد فحسب ، بل قد يشمل تفاعل جزيئات بروتين مختلفة. وهكذا ، في تفاعل نقل الإلكترون بين السيتوكروم ج و السيتوكروم أوكسيديز و السيتوكروم ب 5 ، اتضح أن المسافة بين الأحجار الكريمة للبروتينات المتفاعلة تزيد عن 2.5 نانومتر (روبين ، 1999). الوقت المميز لنقل الإلكترون هو 10 -11-10 -6 ثوانٍ ، وهو ما يتوافق مع وقت تطوير حدث انبعاث فردي في طريقة GDV.
يمكن أن تكون موصلية البروتينات ذات طبيعة شائبة. وفقًا للبيانات التجريبية ، كانت قيمة التنقل u [م 2 / (V سم)] في مجال كهربائي متناوب ~ 1 * 10-4 للسيتوكروم ، ~ 2 * 10-4 للهيموجلوبين. بشكل عام ، اتضح أنه بالنسبة لمعظم البروتينات ، يحدث التوصيل نتيجة لقفز الإلكترون بين الدول المانحة والمقبلة الموضعية التي تفصل بينها مسافات عشرات النانومترات. المرحلة المحددة في عملية النقل ليست حركة الشحنة عبر الحالات الحالية ، ولكن عمليات الاسترخاء في المتبرع والمقبول.
في السنوات الأخيرة ، كان من الممكن حساب التكوينات الحقيقية لمثل هذه "المسارات الإلكترونية" في بروتينات معينة. في هذه النماذج ، ينقسم وسيط البروتين بين المتبرع والمستقبل إلى كتل منفصلة ، مترابطة بواسطة روابط تساهمية وهيدروجينية ، بالإضافة إلى تفاعلات غير التكافؤ على مسافة من نصف قطر فان دير فال. لذلك ، يتم تمثيل مسار الإلكترون من خلال مجموعة من مدارات الإلكترون الذرية التي تقدم أكبر مساهمة في قيمة عنصر المصفوفة لتفاعل وظائف الموجة للمكونات.
في الوقت نفسه ، من المسلم به عمومًا أن الطرق المحددة لنقل الإلكترون ليست ثابتة بشكل صارم. إنها تعتمد على الحالة التوافقية لكريات البروتين ويمكن أن تتغير وفقًا لظروف مختلفة. في أعمال ماركوس ، تم تطوير نهج لا يأخذ في الاعتبار مسار النقل الأمثل في البروتين ، بل مجموعة منها. عند حساب ثابت النقل ، أخذنا في الاعتبار مدارات عدد من الذرات المتفاعلة مع الإلكترون لبقايا الأحماض الأمينية البروتينية بين مجموعات المتبرع والمقبول ، والتي تقدم أكبر مساهمة في تفاعل التبادل الفائق. اتضح أنه بالنسبة للبروتينات الفردية ، يتم الحصول على علاقات خطية أكثر دقة مما عند أخذ مسار واحد في الاعتبار.
لا يرتبط تحويل الطاقة الإلكترونية في الهياكل الحيوية بنقل الإلكترونات فحسب ، بل يرتبط أيضًا بهجرة طاقة الإثارة الإلكترونية ، والتي لا يصاحبها فصل إلكترون عن الجزيء المانح. الأكثر أهمية للأنظمة البيولوجية ، وفقًا للمفاهيم الحديثة ، هي آليات الرنين الاستقرائي والرنين التبادلي والإكسيتون لنقل الإثارة الإلكترونية. تبين أن هذه العمليات مهمة عند النظر في عمليات نقل الطاقة من خلال المجمعات الجزيئية ، والتي ، كقاعدة عامة ، لا تكون مصحوبة بنقل الشحنة.
خاتمة
توضح المفاهيم المذكورة أعلاه أن الخزان الرئيسي للطاقة الحرة في الأنظمة البيولوجية هو الحالات المثارة إلكترونيًا للمجمعات الجزيئية المعقدة. يتم الحفاظ على هذه الحالات باستمرار بسبب دوران الإلكترونات في المحيط الحيوي ، مصدره الطاقة الشمسية ، و "مادة العمل" الرئيسية هي الماء. يتم إنفاق بعض الحالات لتوفير مصدر الطاقة الحالي للجسم ، ويمكن تخزين بعضها في المستقبل ، تمامًا كما يحدث في الليزر بعد امتصاص نبضات المضخة.
يمكن توفير تدفق التيار الكهربائي النبضي في الأنسجة البيولوجية غير الموصلة عن طريق النقل بين الجزيئات للإلكترونات المثارة بواسطة آلية تأثير النفق مع قفز الإلكترون المنشط في منطقة التلامس بين الجزيئات الكبيرة. وبالتالي ، يمكن الافتراض أن تكوين معقدات بروتينية هيكلية محددة في سماكة البشرة والأدمة للجلد يوفر تكوين قنوات لزيادة التوصيل الإلكتروني ، يتم قياسها تجريبياً على سطح البشرة كنقاط الوخز بالإبر الكهربائية. نظريًا ، يمكن للمرء أن يفترض وجود مثل هذه القنوات في سمك النسيج الضام ، والتي يمكن أن ترتبط بخطوط الطول "الطاقة". بعبارة أخرى ، يمكن أن يرتبط مفهوم نقل "الطاقة" ، وهو نموذجي لأفكار الطب الشرقي ويقطع أذن شخص حاصل على تعليم أوروبي ، بنقل الحالات المثارة إلكترونيًا من خلال مجمعات البروتين الجزيئية. إذا كان من الضروري القيام بعمل بدني أو عقلي في نظام معين من الجسم ، يتم نقل الإلكترونات الموزعة في هياكل البروتين إلى مكان معين وتوفير عملية الفسفرة المؤكسدة ، أي دعم الطاقة لعمل النظام المحلي. وهكذا ، يشكل الجسم "مستودعًا للطاقة" إلكترونيًا يدعم الأداء الحالي وهو الأساس لأداء العمل الذي يتطلب تحقيقًا فوريًا لموارد طاقة ضخمة أو يستمر في ظل ظروف الأحمال الثقيلة للغاية ، النموذجية ، على سبيل المثال ، للرياضات الاحترافية.
يتطور الانبعاث النبضي المحفز أيضًا بشكل أساسي بسبب نقل إلكترونات غير الموضعية ، والتي تتحقق في نسيج غير موصل كهربائيًا عن طريق آلية نفق لنقل الإلكترون. يشير هذا إلى أن طريقة GDV تجعل من الممكن الحكم بشكل غير مباشر على مستوى احتياطيات الطاقة على المستوى الجزيئي لعمل المجمعات البروتينية الهيكلية.
المؤلفات
- غولدشتاين ، NI ، Goldstein RH ، Merzlyak M.N. 1992. أيونات الهواء السالبة كمصدر للأكسيد الفائق. كثافة العمليات J. Biometeorol.، V. 36.، pp. 118-122.
- خان ، أو. وويلسون ت.أنواع الأكسجين التفاعلي كرسل ثانٍ. علم. بيول. 1995. 2: 437-445.
- Koldunov V.V. ، Kononov DS ، Voeikov V.L. استمرار تذبذبات التلألؤ الكيميائي أثناء تفاعل ميلارد في المحاليل المائية للأحماض الأمينية والسكريات الأحادية. في: Chemilumunescence عند مطلع الألفية. ستيفن ألبريشت ، توماس زيمرمان وهربرت براندل (محرران) SCHWEDA-WEBERDRUCK GmbH، Druckerei & Verlag، Dresden، 2001، pp. 59-64.
- مولاركي سي جيه ، إدلشتاين دي ، براونلي إم توليد الجذور الحرة بواسطة منتجات الجلايكيشن المبكرة: آلية لتصلب الشرايين المتسارع في مرض السكري. Biochem Biophys Res Commun 1990 ديسمبر 31173: 3932-9
- نوفيكوف سي إن ، فويكوف في إل ، أسفاراموف آر آر ، فيلنسكايا إن دي دراسة مقارنة لخصائص اللمعان الكيميائي في دم الإنسان غير المخفف والعدلات المعزولة. في: Chemilumunescence عند مطلع الألفية. ستيفن ألبريشت ، توماس زيمرمان وهربرت براندل (محرران) SCHWEDA-WEBERDRUCK GmbH، Druckerei & Verlag، Dresden، 2001، pp. 130-135.
- Sauer H. ، Wartenberg M ، Hescheler J. (2001) أنواع الأكسجين التفاعلية كرسل داخل الخلايا أثناء نمو الخلايا وتمايزها. خلية فيسيول بيوشيم ؛ 11: 173-186.
- تيلر دبليو حول تطور أدوات التشخيص الكهربائية الجلدية. J من التقدم في الطب. 1.1 ، (1988) ، ص. 41-72.
- Vlessis AA ؛ بارتوس د ؛ مولر ف ؛ Trunkey DD دور O2 التفاعلي في فرط التمثيل الغذائي الناجم عن البلعمة وإصابة الرئة. J Appl Physiol ، 1995 يناير 78: 1 ، 112
- Voeikov V. أنواع الأكسجين التفاعلي والماء والفوتونات والحياة. // Rivista di Biology / Biology Forum 94 (2001) ، ص. 193-214
- Voeikov V.L. دور مفيد لأنواع الأكسجين التفاعلية. // "المجلة الروسية لأمراض الجهاز الهضمي والكبد وأمراض القولون والمستقيم" 2001 ، المجلد الحادي عشر ، العدد 4 ، ص 128-135.
- Voeikov V.L. الوظائف التنظيمية لأنواع الأكسجين التفاعلية في الدم وأنظمة النماذج المائية. أطروحة ملخصة لدرجة دكتوراه في العلوم البيولوجية. إم MGU. 2003
- Korotkov KG أساسيات التصوير الكهربائي الحيوي GDV. فن. بطرسبورغ. SPbGITMO. 2001.
- لوكيانوفا إل دي ، بالموخانوف بي إس ، أوجوليف إيه تي. العمليات المعتمدة على الأكسجين في الخلية وحالتها الوظيفية. موسكو: نوكا ، 1982
- روبين أ. الفيزياء الحيوية. م.دار الكتاب "الجامعة". 1999.
- Samoilov V.O. مخطط الحياة الإلكتروني. فن. بطرسبورغ ، معهد علم وظائف الأعضاء التابع للأكاديمية الروسية للعلوم. 2001. Samoilov V.O. الفيزياء الحيوية الطبية. لينينغراد. VMA. 1986.
- Szent-Gyorgyi A. الإلكترونيات الحيوية. م. مير. 1971.
- تشيزيفسكي أ. Aeroions والحياة. M. الفكر. 1999
وفقًا لمعادلة Boltzmann ، يتم تعريف الانتروبيا على أنها لوغاريتم عدد الحالات الدقيقة الممكنة في نظام مجهري معين
أين A في \ u003d 1.38-10 16 درجة أو 3.31؟ 10 24 وحدة إنتروبيا (1 e.u. = 1 cal deg 1 = 4.1 J / K) ، أو 1.38 10 "23 J / K. - ثابت بولتزمان. دبليو- عدد الدول الصغيرة (على سبيل المثال ، عدد الطرق التي يمكن بها وضع جزيئات الغاز في وعاء).
وبهذا المعنى ، فإن الإنتروبيا هي مقياس لاضطراب وتعويض النظام. في الأنظمة الحقيقية ، توجد درجات ثابتة وغير مستقرة من الحرية (على سبيل المثال ، الجدران الصلبة للوعاء وجزيئات الغاز الموجودة فيه).
يرتبط مفهوم الانتروبيا على وجه التحديد بالدرجات غير المستقرة ، والتي بموجبها يمكن أن يكون النظام متشابكًا ، وعدد الدول الصغرى المحتملة أكبر بكثير من واحد. في الأنظمة المستقرة تمامًا ، يتم تحقيق حل واحد فقط ، أي أن عدد الطرق التي يتم بها تنفيذ هذه الحالة الكلية الفردية للنظام يساوي واحدًا (الرابع = 1) ، والنتروبيا هي صفر. في علم الأحياء ، لا يمكن استخدام مفهوم الانتروبيا ، وكذلك المفاهيم الديناميكية الحرارية ، إلا فيما يتعلق بعمليات التمثيل الغذائي المحددة ، وليس لوصف السلوك والخصائص البيولوجية العامة للكائنات ككل. تم تأسيس العلاقة بين الانتروبيا والمعلومات في نظرية المعلومات من أجل درجات الحرية الإحصائية.
لنفترض أننا تلقينا معلومات حول كيفية تنفيذ الحالة الكلية للنظام. من الواضح أن كمية المعلومات التي يتم الحصول عليها في هذه الحالة ستكون أكبر ، وكلما زاد عدم اليقين الأولي أو الانتروبيا
وفقًا لنظرية المعلومات ، في هذه الحالة البسيطة ، سيكون مقدار المعلومات حول الحالة الحقيقية الوحيدة للنظام مساويًا
وحدة مقدار المعلومات (بت) هي المعلومات الواردة في رسالة موثوقة ، عندما يكون عدد الحالات الأولية الممكنة مساويًا لها W = 2:
على سبيل المثال ، تحتوي رسالة حول الجانب الذي سقطت عليه عملة معدنية عند إلقاؤها في الهواء على قدر من المعلومات يبلغ 1 بت. بمقارنة الصيغ (7.1) و (7.2) ، يمكننا إيجاد العلاقة بين الانتروبيا (في وحدات الانتروبيا) والمعلومات (بالبتات)
الآن دعونا نحاول تقدير كمية المعلومات الموجودة في جسم الإنسان بشكل رسمي ، حيث يوجد 10 13 خلية. باستخدام الصيغة (7.2) نحصل على الكمية
يجب الحصول على مثل هذا القدر من المعلومات في البداية من أجل تنفيذ الترتيب الصحيح الوحيد للخلايا في الجسم. هذا يعادل انخفاضًا طفيفًا جدًا في إنتروبيا النظام بمقدار
إذا اعتبرنا أن الطبيعة الفريدة لترتيب بقايا الأحماض الأمينية في البروتينات وبقايا النيوكليوتيدات في الحمض النووي يتم تنفيذها أيضًا في الجسم ، فإن الكمية الإجمالية للمعلومات الموجودة في مادة هلامية بشرية ستكون
وهو ما يعادل انخفاضًا طفيفًا في الانتروبيا بمقدار AS ~~ 300 إس = 1200 جول / ك.
في عمليات التمثيل الغذائي لـ GS ، يتم تعويض هذا النقص في الانتروبيا بسهولة عن طريق زيادة الانتروبيا أثناء أكسدة 900 جم من الجلوكوز. وهكذا ، فإن مقارنة الصيغتين (7.1) و (7.2) تظهر أن الأنظمة البيولوجية ليس لديها أي قدرة معلوماتية متزايدة مقارنة بالأنظمة غير الحية الأخرى التي تتكون من نفس العدد من العناصر الهيكلية. هذا الاستنتاج للوهلة الأولى يتناقض مع دور وأهمية عمليات المعلومات في علم الأحياء.
ومع ذلك ، فإن العلاقة بين / و سفي (7.4) صالحة فقط فيما يتعلق بالمعلومات حول أي من الجميع دبليوالدول الصغيرة المنفذة في الوقت الحالي. هذه المعلومات الدقيقة ، المتعلقة بترتيب جميع الذرات في النظام ، لا يمكن تذكرها وتخزينها في الواقع ، لأن أيًا من هذه الحالات الدقيقة ستتغير بسرعة إلى حالة أخرى بسبب التقلبات الحرارية. ولا يتم تحديد قيمة المعلومات البيولوجية بالكمية ، ولكن في المقام الأول من خلال إمكانية حفظها وتخزينها ومعالجتها ونقلها لاستخدامها في حياة الكائن الحي.
الشرط الرئيسي لإدراك المعلومات وحفظها هو قدرة نظام المستقبل ، نتيجة للمعلومات الواردة ، على الانتقال إلى إحدى الحالات المستقرة المحددة مسبقًا بحكم تنظيمها. لذلك ، ترتبط عمليات المعلومات في الأنظمة المنظمة بدرجات معينة من الحرية فقط. يجب أن تكون عملية تخزين المعلومات مصحوبة ببعض فقدان الطاقة في نظام المستقبلات بحيث يمكن تخزينها فيه لفترة كافية ولا تضيع بسبب التقلبات الحرارية. هنا يتم تحويل المعلومات الدقيقة ، التي لا يستطيع النظام تذكرها ، إلى معلومات كلية ، يتذكرها النظام ، ويخزنها ، ثم يمكن نقلها إلى أنظمة متلقية أخرى. كما يقولون ، الإنتروبيا هي مقياس لمجموعة الدول الصغيرة التي لا يتذكرها النظام ، والمعلومات الكلية هي مقياس لمجموعة حالاتهم ، الوجود الذي يجب أن يتذكره النظام.
على سبيل المثال ، يتم تحديد سعة المعلومات في الحمض النووي فقط من خلال عدد بعض النيوكليوتيدات ، وليس من خلال العدد الإجمالي للحالات الدقيقة ، بما في ذلك اهتزازات جميع ذرات سلسلة الحمض النووي. عملية تخزين المعلومات في الحمض النووي هي تثبيت ترتيب معين من النيوكليوتيدات ، وهو مستقر بسبب تكوين روابط كيميائية في السلسلة. يتم إجراء مزيد من نقل المعلومات الوراثية نتيجة للعمليات الكيميائية الحيوية ، حيث يضمن تبديد الطاقة وتشكيل الهياكل الكيميائية المستقرة المناسبة كفاءة المعالجة البيولوجية للمعلومات.
بشكل عام ، عمليات المعلومات منتشرة على نطاق واسع في علم الأحياء. على المستوى الجزيئي ، تحدث ليس فقط أثناء حفظ ومعالجة المعلومات الجينية ، ولكن أيضًا أثناء التعرف المتبادل للجزيئات الكبيرة ، وتوفر الخصوصية والطبيعة الموجهة للتفاعلات الأنزيمية ، وهي مهمة في تفاعل أغشية الخلايا وأسطحها.
تعتمد عمليات المستقبلات الفسيولوجية ، التي تلعب دورًا إعلاميًا مستقلًا في حياة الكائن الحي ، أيضًا على تفاعلات الجزيئات الكبيرة. في جميع الحالات ، تظهر المعلومات الكلية مبدئيًا في شكل تغييرات توافقية أثناء تشتت جزء من الطاقة على درجات معينة من الحرية في تفاعل الجزيئات الكبيرة. نتيجة لذلك ، يتم تسجيل المعلومات الكلية كمجموعة من المحطات الفرعية المطابقة العميقة بما فيه الكفاية ، مما يجعل من الممكن تخزين هذه المعلومات للوقت اللازم لمزيد من المعالجة. تم بالفعل إدراك المعنى البيولوجي لهذه المعلومات الكلية وفقًا لخصائص تنظيم النظام البيولوجي والهياكل الخلوية المحددة ، والتي يتم إجراء المزيد من العمليات عليها ، مما يؤدي في النهاية إلى التأثيرات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية المقابلة.
يمكن القول أن الأنظمة الحية تتحكم بشكل مباشر في التفاعلات الكيميائية الحيوية على مستوى الجزيئات الكبيرة المفردة.
مجموعها الذي يحدد في نهاية المطاف الخصائص العيانية للأنظمة البيولوجية.
حتى أكثر الأجهزة التكنولوجية تقدمًا لا تمتلك مثل هذه الخصائص ، على سبيل المثال ، معالجات الكمبيوتر دون الميكرون ، حيث يحدث التحكم في تدفق الإلكترون مع فقدان طاقة لا مفر منه. علاوة على ذلك ، سيظهر أنه في الأغشية الحيوية يتم تنظيم تدفقات الإلكترون فيما يتعلق بنقل كل إلكترون فردي على طول سلسلة ناقلات الجزيئات الكبيرة.
بالإضافة إلى ذلك ، سيظهر أن تحول الطاقة في العمليات البيولوجية يحدث في "آلات" تحويل الطاقة الجزيئية التي لها أحجام نانوية.
تحدد الأبعاد الصغيرة أيضًا المقادير الصغيرة لتدرجات الطاقة. وبالتالي ، فإنها تجعل تشغيل هذه الآلات أقرب إلى ظروف الانعكاس الديناميكي الحراري. من المعروف أن هذا يزيد من كفاءة الطاقة (COP) لتحويل الطاقة. في مثل هذه الآلات الجزيئية ذات المقياس النانوي ، يتم الجمع بين الحد الأقصى من إنتاجية الطاقة والمستوى المنخفض من تبديد الطاقة ، الذي يقابل معدلًا منخفضًا لإنتاج الانتروبيا في النظام ، على النحو الأمثل.
توضح الاختلافات المنخفضة في إمكانات الأكسدة والاختزال بين الناقلات الفردية في سلاسل التمثيل الضوئي والتنفس هذه الحالة ، مما يوفر ظروفًا قريبة من إمكانية عكس العمليات الفردية لنقل الإلكترون.
تتطلب دراسة تشغيل المحركات الجزيئية الفردية المرتبطة بتحويل الطاقة تطوير الديناميكا الحرارية للأنظمة الصغيرة ، حيث تنخفض الطاقة في المراحل الأولية لدورات العمل يمكن مقارنتها من حيث الحجم بالتقلبات الحرارية. في الواقع ، فإن متوسط قيمة الطاقة الإجمالية لنظام كبير (غاز مثالي) يتكون من نالجسيمات الموزعة عليها وفقًا لقانون جاوس ، هي 2> / 2Nk ب T.حجم التقلبات العشوائية لهذه القيمة لترتيب l / V) V لا يكاد يذكر فيما يتعلق بمتوسط القيمة لنظام يتكون من عدد كبير من الجسيمات. ومع ذلك ، بالنسبة للصغيرة نيقترب حجم التقلبات من متوسط قيمة الطاقة لمثل هذا النظام الصغير ، والذي يمكن أن يكون في حد ذاته بضع وحدات فقط ك ح ت.
على سبيل المثال ، يتحرك جزيء كينيسين أقل من 100 نانومتر على طول الأنابيب الدقيقة ، وينقل عضيات الخلية ويصنع "خطوات" مقدارها 8 نانومتر كل 10-15 مللي ثانية بسبب طاقة التحلل المائي ATP (20 ك و تي).ينتج "محرك Kinesin" العمل في كل خطوة 2 كيلو غرام ، تيبكفاءة = 60٪. في هذا الصدد ، فإن كينيسين هي واحدة من العديد من الآلات الجزيئية التي تستخدم طاقة التحلل المائي لرابطة الفوسفات في عمليات مختلفة ، بما في ذلك النسخ ، والنسخ ، والترجمة ، والإصلاح ، وغيرها. ويمكن أن يساعد الحجم الصغير لهذه الآلات على امتصاص الطاقة الحرارية الكبيرة. تقلبات من الفضاء المحيط. في المتوسط ، بالطبع ، عندما يتحرك محرك جزيئي على طول مساره الديناميكي ، يكون أداء العمل مصحوبًا بإطلاق طاقة حرارية ، ومع ذلك ، فمن الممكن أن الطاقة الممتصة عشوائيًا من التقلبات الحرارية في مراحل معينة من دورة العمل ، بالاشتراك مع الطاقة "الموجهة" للتحلل المائي لروابط الفوسفات ، يساهم في النسبة بين التغيير في الطاقة الحرة والعمل المنجز. في هذه الحالة ، يمكن أن تؤدي التقلبات الحرارية بالفعل إلى انحرافات ملحوظة عن المسارات الديناميكية المتوسطة. وبالتالي ، لا يمكن وصف هذه الأنظمة الصغيرة بشكل كافٍ على أساس الديناميكا الحرارية الكلاسيكية. حاليًا ، يتم تطوير هذه المشكلات بشكل مكثف ، بما في ذلك تطوير تقنيات النانو المرتبطة بإنشاء آلات جزيئية نانوية.
نلاحظ مرة أخرى أن العمليات الكيميائية الحيوية لتحويل الطاقة ، والتي يتم فيها تنفيذ عمل كيميائي مفيد ، هي في حد ذاتها مجرد مورد للعناصر الأولية للتنظيم الذاتي. الهياكل البيولوجيةوبالتالي خلق المعلومات في النظم البيولوجية.
بالنسبة للتفاعلات الكيميائية الحيوية ، تنطبق المبادئ الأساسية للديناميكا الحرارية الكيميائية ، وعلى وجه الخصوص ، المفهوم الأساسي للقدرة الكيميائية كمقياس لاعتماد عدد الدول المجهرية المسموح بها على عدد الجسيمات في النظام.
يعتبر التفاعل الكيميائي نتيجة لإعادة توزيع عدد المولات أو العدد النسبي للجسيمات (الجزيئات) من المواد المتفاعلة والمنتجات أثناء التفاعل ، مع عدم تغيير العدد الإجمالي لذراتها. ترتبط عمليات إعادة التوزيع هذه بانكسار وتشكيل الروابط الكيميائية وبالتالي تكون مصحوبة بتأثيرات حرارية. في مجال الديناميكا الحرارية الخطية يخضع توجههم العام لنظرية بريغوجين. من الناحية المجازية ، يخلق التفاعل الكيميائي الحيوي عناصر أولية ويسلمها إلى مكان التجميع الذاتي لمجمعات الجزيئات الكبيرة "المعلومات" المستقرة ، وناقلات المعلومات. يتم إجراء التجميع الذاتي المباشر تلقائيًا ، وبالطبع يأتي مع انخفاض عام في الطاقة الحرة: أ F =د يو - TAS
في الواقع ، عندما يظهر هيكل منظم مستقر ، طاقة الروابط الهيكلية المشكلة (-AU)في القيمة المطلقة يجب أن تكون أكبر من النقص في مصطلح الانتروبيا ( -TAS)في التعبير عن الطاقة الحرة | DS / | > | 7A ، S | ، لذا د F
تذكر أنه خلال فترة التطور السابق للبيولوجيا ، تشكلت "لبنات" هيكلية ثابتة للأحياء (الأحماض الأمينية ، والنيوكليوتيدات ، والسكريات) بشكل تلقائي ، وغير حيوي ، من مركبات بسيطة غير عضوية ، دون أي مشاركة للأنظمة الحية ، بسبب مصادر الطاقة الخارجية (الضوء ، التفريغ الكهربائي) ضروري للتغلب على حواجز تفعيل تفاعلات التوليف.
على العموم ، فإن الظهور الفوري للمعلومات البيولوجية على مستوى الجزيئات الكبيرة يؤدي في الواقع إلى انخفاض مماثل في الانتروبيا الهيكلية (ظهور الانتروبيا السلبية). يتم تعويض هذا الانخفاض في الانتروبيا من خلال تكوين روابط مستقرة في بنية المعلومات. في الوقت نفسه ، يتم تحديد توازن الانتروبيا "الديناميكية الحرارية" في نظام مفتوح من خلال نسبة القوى الدافعة والسرعات في مجموعة من العمليات الكيميائية التي تخلق ظروفًا لتركيب هياكل المعلومات.
من الواضح أن حساب التوازن الكلي للإنتروبيا الهيكلية والديناميكية الحرارية المتغيرة في نظام حي هو حسابي بحت. يتم تحديده من خلال مجموعتين من العمليات مترابطة ، ولكن مختلفة في الطبيعة ، والتعويض المباشر لتغيير الانتروبيا الذي لا يحدث بينهما.
وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، تستمر جميع العمليات التلقائية بمعدل محدود ، وتزداد الإنتروبيا. في الكائنات الحية ، تحدث عمليات مصحوبة بانخفاض في إنتروبيا النظام. لذلك ، منذ لحظة الإخصاب وتكوين البيضة الملقحة ، يصبح تنظيم النظام الحي أكثر تعقيدًا بشكل مستمر. يتم تصنيع الجزيئات المعقدة فيه ، وتنقسم الخلايا ، وتنمو ، وتتمايز ، وتتشكل الأنسجة والأعضاء. تؤدي جميع عمليات النمو والتطور في التطور الجنيني والتكوين الجنيني إلى زيادة ترتيب النظام ، أي تحدث مع انخفاض في الانتروبيا. كما نرى ، هناك تناقض بين القانون الثاني للديناميكا الحرارية ووجود الأنظمة الحية. لذلك ، حتى وقت قريب كان يعتقد أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا ينطبق على النظم البيولوجية. ومع ذلك ، في أعمال I. Prigogine ، D. Wiam ، D. Onsager ، تم تطوير المفاهيم النظرية التي أزالت هذا التناقض.
وفقًا لأحكام الديناميكا الحرارية ، يمر النظام البيولوجي في عملية الأداء عبر عدد من حالات عدم التوازن ، والتي تصاحبها تغييرات مقابلة في المعلمات الديناميكية الحرارية لهذا النظام. لا يمكن الحفاظ على حالات عدم التوازن في الأنظمة المفتوحة إلا من خلال إنشاء التدفقات المقابلة للمادة والطاقة فيها. وبالتالي ، فإن حالات عدم التوازن متأصلة في الأنظمة الحية ، والتي تعتبر معلماتها دالة للوقت.
على سبيل المثال ، بالنسبة للجهود الديناميكية الحرارية G و F ، فهذا يعني أن G = G (T ، p ، t) ؛ F = F (T، V، t).
ضع في اعتبارك إنتروبيا نظام ديناميكي حراري مفتوح. التغيير الكلي في الانتروبيا في الأنظمة الحية ( دي إس)يتكون من التغيير في الانتروبيا نتيجة لعمليات لا رجعة فيها تحدث في النظام (د ط س)والتغيرات في الانتروبيا بسبب عمليات تبادل النظام مع البيئة الخارجية (د ه س).
دس = د أنا S + د ه س
هذا هو وضع البداية للديناميكا الحرارية للعمليات التي لا رجعة فيها.
تغيير الانتروبيا د ط س، بسبب العمليات التي لا رجعة فيها ، وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، يمكن أن يكون لها قيمة إيجابية فقط ( د i S> 0).قيمة د ه سيمكن أن تأخذ أي قيمة. دعونا ننظر في كل الحالات الممكنة.
1. إذا د e S = 0، ومن بعد dS = d i S> 0. هذا نظام كلاسيكي معزول لا يتبادل المادة أو الطاقة مع البيئة. في هذا النظام ، تحدث العمليات التلقائية فقط ، والتي ستؤدي إلى توازن ديناميكي حراري ، أي حتى موت النظام البيولوجي.
2. إذا د e S> 0، ومن بعد dS = d i S + d e S> 0. في هذه الحالة ، تزداد إنتروبيا نظام ديناميكي حراري مفتوح نتيجة للتفاعل مع البيئة. هذا يعني أنه في النظام الحي ، تستمر عمليات الانحلال ، مما يؤدي إلى انتهاك البنية ، وفي النهاية ، إلى موت كائن حي.
3. إذا د ه س< 0 ، يعتمد التغيير في إنتروبيا النظام المفتوح على نسبة القيم المطلقة د ه سو د ط س.
لكن) ú د ه Sú> ú د i Sú دس = د أنا S + د ه س< 0 . وهذا يعني تعقيد تنظيم النظام ، وتوليف جزيئات معقدة جديدة ، وتكوين الخلايا ، وتطور الأنسجة والأعضاء ونمو الكائن الحي ككل. مثال على هذا النظام الديناميكي الحراري هو كائن حي ينمو.
ب) ش د ه سو< ú d i Sú ، ثم تغير الكون الكلي dS = d i S + d e S> 0. في هذه الحالة ، تسود عمليات الانحلال في الأنظمة الحية على عمليات تخليق المركبات الجديدة. يحدث هذا الوضع في الشيخوخة والخلايا والكائنات المريضة. ستزداد إنتروبيا مثل هذه الأنظمة إلى أقصى قيمة في حالة التوازن ، مما يعني عدم تنظيم وموت الهياكل البيولوجية.
في) ú د ه Sú = ú د i Sú ،ثم لا يتغير إنتروبيا النظام المفتوح دس = د i S + د e S = 0، بمعنى آخر. د i S = - د e S.. هذا هو شرط الحالة المستقرة لنظام ديناميكي حراري مفتوح. في هذه الحالة ، يتم تعويض الزيادة في إنتروبيا النظام بسبب العمليات التي لا رجعة فيها التي تحدث فيه عن طريق تدفق الانتروبيا السلبية أثناء تفاعل النظام مع البيئة الخارجية. وبالتالي ، يمكن أن يكون تدفق الانتروبيا موجبًا أو سالبًا. الانتروبيا الإيجابية هي مقياس لتحويل شكل منظم للحركة إلى شكل غير منظم. يشير تدفق الانتروبيا السلبية إلى حدوث عمليات تركيبية تزيد من مستوى تنظيم النظام الديناميكي الحراري.
في عملية تشغيل الأنظمة المفتوحة (البيولوجية) ، تتغير قيمة الإنتروبيا ضمن حدود معينة. لذلك ، في عملية نمو وتطور الكائن الحي ، يتغير المرض والشيخوخة والمؤشرات الكمية للمعلمات الديناميكية الحرارية ، بما في ذلك. والنتروبيا. المؤشر العالمي الذي يميز حالة النظام المفتوح أثناء تشغيله هو معدل التغيير في إجمالي الانتروبيا. يتم تحديد معدل تغير الانتروبيا في الأنظمة الحية من خلال مجموع معدل زيادة الانتروبيا بسبب حدوث عمليات لا رجعة فيها ومعدل تغير الانتروبيا بسبب تفاعل النظام مع البيئة.
dS / dt = d i S / dt + d e S / dt
هذا التعبير هو صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية للأنظمة الحية. في الحالة الثابتة ، لا يتغير الانتروبيا ، أي dS / dt = 0. ويترتب على ذلك أن حالة الحالة الثابتة تفي بالتعبير التالي: d i S / dt = - d e S / dt. في حالة الثبات ، فإن معدل زيادة الانتروبيا في النظام يساوي معدل تدفق الإنتروبيا من البيئة. وهكذا ، على عكس الديناميكا الحرارية الكلاسيكية ، فإن الديناميكا الحرارية لعمليات عدم التوازن تأخذ في الاعتبار التغيير في الانتروبيا مع مرور الوقت. في الظروف الحقيقية لتطور الكائنات الحية ، يحدث انخفاض في الانتروبيا أو الحفاظ على قيمتها الثابتة بسبب حقيقة أن العمليات المترافقة تحدث في البيئة الخارجية مع تكوين إنتروبيا إيجابية.
يمكن تمثيل استقلاب الطاقة للكائنات الحية على الأرض بشكل تخطيطي على أنه تكوين جزيئات الكربوهيدرات من ثاني أكسيد الكربون والماء أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يليها أكسدة الكربوهيدرات أثناء التنفس. إن مخطط تبادل الطاقة هذا هو الذي يضمن وجود جميع أشكال الحياة في المحيط الحيوي: الكائنات الحية الفردية - الروابط في دورة الطاقة ، والحياة على الأرض ككل. من وجهة النظر هذه ، فإن الانخفاض في إنتروبيا الأنظمة الحية في عملية الحياة يرجع في النهاية إلى امتصاص كمات الضوء بواسطة الكائنات الحية الضوئية. يحدث الانخفاض في الانتروبيا في الغلاف الحيوي بسبب تكوين الانتروبيا الإيجابية أثناء سير التفاعلات النووية على الشمس. بشكل عام ، تتزايد إنتروبيا النظام الشمسي بشكل مستمر. ينطبق هذا المبدأ أيضًا على الكائنات الحية الفردية ، حيث يرتبط دائمًا تناول العناصر الغذائية التي تحمل تدفق الانتروبيا السلبية بإنتاج الانتروبيا الإيجابية في أجزاء أخرى من البيئة. بالطريقة نفسها ، يحدث انخفاض في الانتروبيا في ذلك الجزء من الخلية حيث تحدث العمليات التركيبية بسبب زيادة الانتروبيا في أجزاء أخرى من الخلية أو الكائن الحي. وبالتالي ، فإن التغيير الكلي في الانتروبيا في نظام "الكائن الحي - البيئة" يكون دائمًا إيجابيًا.
الانتروبيا هو مقياس لاحتمال وجود نظام في حالة معينة. اتضح أن الانتروبيا هي إحدى الخصائص الأساسية لأي أنظمة ذات سلوك احتمالي ، مما يوفر مستويات جديدة من الفهم في ترميز المعلومات ، في تحليل النظام ، واللغويات ، وعلم الأحياء ، ومعالجة الصور ، وما إلى ذلك. يمكن أن يكون تأثير المعلومات الخارجية على النظام تم تقييمها من خلال تغيير في أنظمة الانتروبيا الحكومية.
عندما يصل النظام إلى حالة مستقرة ، يمكن اعتبار التغيير الكلي في الإنتروبيا مساويًا تقريبًا للصفر ، والذي يتوافق مع التعويض المتبادل لجميع العمليات المرتبطة بالتدفق الداخلي ، وإزالة وتحويل المادة والطاقة والمعلومات.
صاغ Prigogine الحائز على جائزة نوبل الأول الخاصية الرئيسية للحالة الثابتة للأنظمة المفتوحة ذات المعلمات الخارجية الثابتة ، ومعدل تكاثر الانتروبيا ، بسبب حدوث عمليات لا رجعة فيها ، ثابت في الوقت المناسب وقيمته الدنيا dE / dt → min.
وهكذا ، وفقًا لنظرية I. Prigogine ، تتميز الحالة الثابتة بالحد الأدنى من تشتت الانتروبيا. بالنسبة للأنظمة الحية ، يمكن صياغة هذا الحكم على النحو التالي: تتطلب صيانة التوازن الحد الأدنى من استهلاك الطاقة ، أي يسعى الجسم السليم للعمل في وضع الطاقة الأكثر اقتصادا. أما بالنسبة لأمراض الجسم ، فهي مرتبطة بتكاليف طاقة إضافية للتعويض عن العيوب البيولوجية المكتسبة أو الخلقية وزيادة الإنتروبيا.
في النظام الديناميكي ، قد يكون هناك العديد من الحالات الثابتة التي تختلف في مستوى إنتروبيا التكاثر dЭk / dt. من وجهة النظر هذه ، يمكن وصف حالة الجسم على أنها مجموعة من مستويات الطاقة ، بعضها مستقر (المستويات 1 و 4) ، والبعض الآخر غير مستقر (المستويات 2 ، 3 ، 5). في ظل وجود اضطراب خارجي أو داخلي يعمل باستمرار ، يمكن أن يحدث انتقال مفاجئ من حالة إلى أخرى. يتميز أي تجديد باستهلاك متزايد للطاقة: ترتفع درجة حرارة الجسم ، ويزداد معدل عمليات التمثيل الغذائي. يؤدي الانحراف عن الحالة الثابتة مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة إلى تطوير العمليات الداخلية التي تسعى إلى إعادة النظام إلى المستوى 1. مع العمل المطول للعوامل ، يمكن للنظام الانتقال إلى المستوى 3 ، إلى ما يسمى نقطة التشعب ، والتي من خلالها هناك عدة نتائج ممكنة: العودة إلى المستوى المستقر 1 ، والانتقال إلى حالة توازن مستقرة أخرى 4 ، تتميز بمستوى جديد لمعلومات الطاقة ، أو القفز إلى مستوى أعلى غير مستقر 5.
بالنسبة للجسم ، هذا يتوافق مع عدة مستويات من التكيف فيما يتعلق بالصحة أو المرض المزمن مع مستويات مختلفة من أداء النظام. المرض الحاد يتوافق مع حالة غير ثابتة مع زيادة تكاثر الانتروبيا ، أي نوع غير اقتصادي من أداء الجسم. وفقًا للنظرية الرياضية للكوارث ، في الأمراض الحادة من الضروري نقل الجسم فجأة من حالة مستقرة "سيئة" إلى حالة "جيدة". في هذه الحالة ، يتم استخدام جرعات كبيرة من الأدوية. في مرحلة تلاشي تفاقم الأمراض ، يزداد دور التأثيرات الصغيرة ، على سبيل المثال ، الوخز بالإبر والعلاجات المثلية التي لها تأثير إيجابي.
إن تعدد الأنظمة غير الخطية المعقدة ، مثل جسم الإنسان ، والطبيعة الاحتمالية لتطوره المستمر وتنظيمه الذاتي تؤدي إلى الحاجة إلى البحث عن "عوامل تشكيل النظام" ، والتي تشمل الإنتروبيا.
كما هو مبين في ، الإنتروبيا هي خاصية إعلامية لحالة الجسم ويمكن استخدامها لتقييم حالتها وتحديد اتجاه العلاج للمرضى. تم اقتراح طريقة لحساب إنتروبيا تصور تفريغ الغاز (GDV) للكائنات البيولوجية والبرامج المقابلة.