Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотренные до сих пор примеры самоорганизации открытых систем были заимствованы из неорганического мира. В то время как таким системам часто присуще нечто необычное, в органическом- мире самоорганизация и эволюция относятся к числу основных явлений. Проблеме термодинамической интерпретации самоорганизации и эволюции живых систем были посвящены основополагающие работы Оствальда (Ostwald, 1931), Берталанффи (Bertalanffy, 1942, 1956), Бауэра (Бауэр, 1935),
N
S
Рис. 3.6. Крупномасштабные магматические конвективные течения как возможная причина континентального дрейфа
dJJ _ <щ = 0,
dt dt
dkS _ diS < 0.
dt ~~dt
Шрёдингера (Шрёдингер, 1962), а также Пригожина и Виаме (Prigogine, Wiame, 1946), заложившие основы современных исследований (Зотин, 1974; Blumenfeld, 1977; Glaser, 1986; Николис, Пригожин, 1979; Волькенштейн, 1978; Morowitz, 1978).
Рассмотрим сначала живой организм в стационарном состоянии (Penziin, 1976). В стационарном состоянии производная энергии и энтропии по времени равна нулю, т. е. выполняются соотношения
dU d,U | dgU__Q
dt dt dt ’ ш. ш. И ini’*
е 't-с
It “ ~dt+~dt~ ~ ’
Как правило, термодинамические процессы в живом организме протекают изотермически и изобарически, т. е. при постоянной температурю и постоянном давлении. Из соотношения (3.26) следует, что при этом
deG d,S
1Г=Г-> 0, (3.102)
т. е. для поддержания стационарного состояния живой организм должен постоянно получать определенное количество свободной энтальпии в единицу времени. Поскольку живой организм на 70% состоит из несжимаемых жидкостей, свободную энтальпию можно приближенно считать равной свободной энергии.
Живые организмы представляют собой открытые системы, структура и функционирование которых поддерживается путем постоянного обмена веществом и энергией (подвода свободной энтальпии) с окружающей средой. Э. С. Бауэр (Бауэр, 1935) так сформулировал общий закон биологии: «Живые системы никогда не находятся в равновесии и функционируют за счет своей свободной энергии, постоянно совершая работу против навязываемого внешними условиями равновесия». При этом происходит производство энтропии — выполняется неравенство ^ > 0, т. е. имеет место текущее равновесие. Функция обмена веществ в живом организме с точки зрения термодинамики состоит в том, чтобы путем обмена веществом и теплом с окружающей средой обеспечить по крайней Мере такое количество энтропии, какое продуцируется в единицу времени внутри системы. Для поддержания стационарности должен сохраняться и баланс энергии, т. е. система должна поглощать ровно столько энергии, сколько она расходует: ^ = 0. Если обозначить через d'Q тепло, подводимое к системе в течение элементарного интервала времени dt, а через d<.Nk — количество к-й компоненты, измеренное в молях или в числе молекул, подводимое за время dt, то доля обмениваемой энтропии по формуле (3.22) составляет
dtS = ^ + 223*d'Nk. (3.103)
Здесь Т — температура системы, з* — парциальная энтропия к-й компоненты.
Необходимый экспорт энтропии (-deS) > dtS > 0 обеспечивается тремя процессами:
1) теплоотдачей;
2) обменом веществом с окружающей средой;
3) превращением веществ внутри системы.
Особенно важную роль играет теплопередача. Это понятие мы будем использовать в полном объеме, понимая под теплопередачей и теплопроводность, и тепловое излучение (рис. 3.7). Все живые организмы, как правило, постоянно отдают тепло
Термическая эмиссия
Продукты обмена веществ
Выполняемая в окружающей среде работа
Солнечный
свет
3&&
Рис. 3.7. Обмен энергией и веществом открытой системы «живого существа»
окружающей среде и тем самым экспортируют энтропию. Для этого между живым организмом и окружающей средой должна поддерживаться определенная разность температур АТ > 0. Температура многих живых организмов (растений, пой кил о-термных ( = холоднокровных) животных) Торг следует за температурой окружающей среды Гер, т. е.
Торг = Гер + АГ, ДТ « const.
Другие организмы (гомойтермные (^теплокровные) животные) поддерживают постоянство своей температуры Горг и const с помощью механизмов терморегуляции. В единицу времени такой организм может отдавать в окружающую среду посредством теплопроводности количество тепла qopr. Кроме того, в единицу времени в организм может поступать энергия излучения q„M. Если падающее на организм излучение приближенно рассматривать как излучение черного тела с температурой Гил, то приходящее излучение соответствует поступлению энтропии 4дизл/3гизл. Коэффициент 4/3 учитывает особенности транспорта энтропии посредством излучения (планковский формфактор). Если учесть и обмен веществ, то экспорт энтропии приближенно можно записать в виде
