Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
Даже классическая равновесная термодинамика имеет дело не только с полностью равновесными состояниями, но и с состояниями частичного или ограниченного равновесия, такого, как доннановское..равновесие, в котором достижению полного равновесия препятствует барьер проницаемости для определенных компонентов системы. Другой пример частичного равновесия— смесь химических реагентов при неравновесных концентрациях, взаимодействие между которыми затруднено из-за отсутствия катализатора. Наоборот, стационарное состояние в неравновесной термодинамике поддерживается исключительно за счет прироста энтропии. Расчет скорости прироста энтропии— основа метода, обеспечивающего фактически естественную базу для выбора соответствующих комбинаций потоков и сил при феноменологическом описании системы. Это опи-
сание вводит кинетические параметры в форме феноменологических коэффициентов. Для данной комбинации коэффициентов функционирование системы и ее эффективность полностью определяются в широком диапазоне действующих условий, и легко рассчитать ее максимальный к. п. д. Чтобы получить аналогичную информацию с помощью классической термодинамики в сочетании с кинетическими моделями, потребовался бы очень трудоемкий процесс, применимый только в простейших случаях.
Главное достоинство термодинамического метода заключается в его способности предсказывать взаимосвязь между наблюдениями в отсутствие детальных сведений о структуре системы: он устанавливает рамки, в пределах которых могут быть построены и испытаны на самосогласованность модели поведения систем. В этом отношении неравновесная термодинамика расширяет и дополняет классический метод. Хотя ее кинетические параметры не вытекают из специфических моделей, на них накладываются определенные ограничения, из которых следуют их наиболее вероятные величины. Мы увидим, что лучше всего прогнозируются те процессы, которые протекают в «стационарном состоянии». Однако в стационарных условиях параметры состояния системы не дают информации
о протекающих в ней процессах. Для изучения этих процессов необходимо рассматривать их влияние на окружение, и это действительно оказывается весьма эффективным подходом. Результирующий анализ непосредственно дает очень ценную информацию: число и природу степеней свободы системы. Экспериментатору это показывает, сколько (и каких) ограничений потребуется для определения стационарного состояния системы, и позволяет предсказать взаимосвязь между такими состояниями. Зачастую эта информация будет побуждать к новым экспериментам. Теоретики получают информацию для выбора тех моделей, которые удовлетворяют соответствующим термодинамическим ограничениям.
В большинстве рассматриваемых случаев мы будем предполагать, что силы и потоки, характеризующие данное стационарное состояние системы, связаны друг с другом линейной матрицей откликов. Хотя это не может быть справедливо всегда, мы полагаем, что во многих системах, которые будут обсуждаться, отклонения от линейности часто будут слишком малы, чтобы их следовало учитывать. Это может быть обусловлено регуляторными механизмами, возможно включающими обратную связь, что в настоящее время не полностью выяснено. В других случаях мы можем изучать системы в линейном диапазоне вблизи равновесия. Даже системы, которые на первый взгляд кажутся сильно нелинейными, могут в действительности оказаться линейными, когда рассматриваются соответствующие
степени свободы. Дальнейшее упрощающее обстоятельство состоит в том, что, согласно соотношению взаимности Онзагера, матрица откликов должна быть симметричной. Это уменьшает число феноменологических коэффициентов, характеризующих систему.
Если мы примем этот подход, полностью зная его ограничения, то увидим бросающуюся в глаза особенность, вытекающую из множества исследований, — замечательную способность неравновесной термодинамики унифицировать различные явления. Поэтому не так существенно, являются ли системы истинно линейными во всем диапазоне, представляющем интерес для биологии; гораздо важнее выбрать единую четкую логическую структуру системы. Подобно этому, не обязательно, чтобы наблюдаемая линейность отражала простое линейное поведение фундаментальных кинетических параметров. Если учесть возможность сложной регуляции, то линейность вполне может быть следствием сложного взаимодействия нелинейных параметров. В противоположность громоздкому конгломерату кинетических параметров, которые часто вытекают из построения модели, феноменологические уравнения впечатляюще просты. Хотя эти уравнения не могут описывать молекулярные механизмы (если только они не интерпретируются через молекулярные параметры), они дают ограничивающие условия, которые должны выполняться в любой рассматриваемой модели, и это всегда вносит ясность в вопросы энергетики.
В следующих главах мы рассмотрим ряд общепринятых точек зрения на биологические системы. Некоторые из них основаны на моделях, другие — на классических термодинамических представлениях, которые мы считаем либо ограниченно применимыми, либо просто ошибочными. Представляя неравновесный термодинамический метод, мы сосредоточим внимание на рассмотрении вопросов, относящихся к широкому разнообразию транспортных и других энергопреобразующих систем. Для удобства мы будем неоднократно обращаться к наиболее изученным системам, которые могут быть охарактеризованы с точки зрения неравновесной термодинамики. Так, из эпителиальных тканей мы рассмотрим кожу лягушки и мочевой пузырь жабы; в качестве' симметричных систем будут обсуждаться главным образом митохондрии, хлоропласта и мышцы. Мышце, по праву, будет уделено большое внимание как механохи-мическому преобразователю.
