Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
it
ЗТиз
г2
-*орг
-5>
dsNk dt '
(3.104)
Более точный баланс обмена энтропии должен учитывать различные типы излучения. Пусть g„cn — энергия излучения, испускаемая живым организмом, дЛОГЛ — энергия излучения, поглощаемая живым организмом из окружающей среды; ГорГ и Tq, — соответствующее температуры излучения. Некоторые трудности возникают в связи с энергией излучения дфщ, поглощаемой при фотосинтезе. В силу селективного характера поглощения излучения при фотосинтезе предположение о существовании эффективной температуры излучения представляет лишь грубое приближение. Однако описание можно улучшить, предположив существование различных тепловых компонент с температурами излучения Т^(* = 1,2,...). Суммируя все вклады, получаем для экспорта энтропий в единицу времени выражение
d^S
dt
— 9орг
V Те,, Тор, /
+
4<?исл 4<7п
3 Т0
орг
ЗГС1
?
4д<*)
^Уфот
зт^
иэл
Е^исп
•к
Nk
dt
(3.105)
Необходимым условием функционирования живого организма является положительный баланс экспорта энтропии (см. формулу (3.23)):
Г (I__________1 \ 4^исп
l9oprVTcp ТоргУ згорг
Производство энтроп
(3.107)
Условие (3.106) можно было бы назвать четвертым началом термодинамики живого. Можно утверждать, что по крайней мере на определенных стадиях индивидуального развития живого организма, например, при эмбриогенезе, в детстве, при залечивании ран и регенерации организмов должно выполняться более строгое условие структурообразования
Сравним различные структурообразующие системы с живыми организмами. Существенное различие между системой Бенара, лазерной системой и Землей, с одной стороны, и живым организмом — с фугой, состоит в том, что порядок в живом организме поддерживается не внешним насосом, а некоторым внутренним механизмом. Движущая сила экспорта энтропии через организм исходит изнутри самой системы. С термодинамической точки зрения организм подобен автомашине. В двигателе автомашины поступающий бензин сгорает и с помощью хитроумного механизма превращается в полезную работу, тепло, двуокись углерода и водяной пар. В стационарном состоянии (на холостом ходу) или при езде с постоянной скоростью поступающий в двигатель бензин расходуется только на поддержание внутреннего динамического порядка, т. е. с точки зрения термодинамики на компенсацию энтропии, производимой внутри двигателя и за счет трения о покрытие шоссе. При более интенсивном поступлении бензина (если водитель «поддаст газу») двигатель производит больше полезной работы, которую можно затратить на ускорение системы или грузов.
. Решающее различие между термодинамическими системами автомашины и живого организма состоит, как нетрудно видеть, в том, что в первом случае принцип функционирования придуман человеком, а во втором — является результатом естественного процесса эволюции. Общее с точки зрения термодинамики между автомашиной и организмом состоит в том, что обеспечивающие экспорт энтропии насосы «вмонтированы» внутрь системы. Для поддержания своего функционирования энтропийные насосы нуждаются в расходовании свободной энергии или свободной энтальпии, подводимых к системе в форме высокоценного горючего или пищи. Если двигатель Отто нуждается в непрерывном подводе бензина, то живому организму для поддержания своего существования требуются углеводороды, белки, жиры, витамины и микроэлементы. В смысле того, о чем говорилось в разд. 3.3, автомашины, как и живые организмы, можно было бы отнести к активным структурообразующим системам. И тем, и другим для функционирования требуется подвод из окружающей среды веществ с высоким содержанием энергии и низким содержанием энтропии, а также подвод тепла.
Для нас особый интерес представляет развитие рыб, земноводных, пресмыкающихся и птиц из яйца. Как известно, начальная стадия развития птиц до вылупления проходит внутри замкнутой известковой оболочки — скорлупы, содержащей яйцо. Птенец имеет полный запас питательных веществ (белков, жиров, витаминов) в желтке, а также в белке яйца и в воде белкового отстоя. Ядро оплодотворенной клетки образует зародышевый диск, который располагается в верхней части желтка. Если
(3.108)
устанавливаются условия, благоприятные для выведения птенцов, т. е. определенная температура (38-39° С для домашних кур) и влажность (60-65% для домашних кур), то начинается процесс дробления клетки: Развитие зародыша начинается в 1-й день выведения с образования так называемой первичной борозды с зачатком будущей хорды и с образования основной формы тела с головой и задней частью, а также перикарда во 2-й день. На Зтй и 4-й день образуется кровообращение и аллантоис — мешок, в котором собираются продукты обмена веществ. В последующие дни происходит дифференциация концов крыльев и ног, а также формирование системы органов, связанных с использованием желтка. Затем происходит процесс проникновения птенца в окружающую среду — птенец разрушает известковую оболочку. На протяжении всего процесса выведения птенца происходит обмен яйца с окружающей средой теплом, кислородом, двуокисью углерода и водяным паром. Следовательно, с термодинамической точки зрения яйцо представляет открытую систему (рис. 3.8).
