Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Итак, кроме начал классической термодинамики, аксиоматическое построение линейной неравновесной термодинамики дополнительно включает линейные соотношения между потоками и термодинамическими силами, соотношение взаимности Онсагера, принцип локального равновесия и принцип минимума производства энтропии Пригожина. Дополнительные постулаты не являются столь общими как начала термодинамики, и имеют для макроскопических систем не абсолютный (в статистическом смысле), а приближенный характер.
44^
Однако, как и начала, они применимы (при соблюдении соответствующих условий) к анализу любых макроскопических систем без конкретизации молекулярного строения микроскопических составляющих. Ограниченность линейной неравновесной термодинамики заключается в том, что она, хотя и допускает возможность понижения энтропии открытых систем, но, как и термодинамика равновесных состояний и равновесных процессов, не может обосновать спонтанное образование новых упорядоченных структур и предположить для этого соответствующий механизм. Линейная область вследствие своей устойчивости представляет собой экстраполяцию равновесного режима и предполагает монотонное приближение к единственному стационарному состоянию вблизи положения равновесия.
15.3. НЕЛИНЕЙНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ
Линейная термодинамика неравновесных процессов не объяснила способность открытых систем к самоорганизации и не решила принципиальный вопрос о совместимости второго начала термодинамики с процессами структурирования и, следовательно, не устранила противоречивость физической и биологической формулировок эволюционных идей. Таким образом, не удалась попытка создать общую теорию неравновесных процессов путем минимальной коррекции основ равновесной термодинамики, без внесения в термодинамическое рассмотрение качественно новых элементов. Тем не менее проделанная работа сыграла важную роль в последующем .развитии термодинамического подхода. Она явилась началом движения в правильном направлении, а именно в направлении изучения свойств стационарных процессов открытых систем при удалении от положения равновесия. Линейная неравновесная термодинамика показала (и в этом ее принципиальное достижение), что непременными условиями структурирования открытых систем являются, во-первых, наличие взаимообусловленности между свойствами макроскопической системы и ее микроскопических составляющих и, во-вторых, взаимодействие с привносящей негэнт-ропию окружающей средой. Дальнейшие исследования вскоре привели к широким обобщениям и формулировке ряда характерных особенностей термодинамических моделей самопроизвольной пространственной и временной структурной организации и, таким образом, к становлению нелинейной неравновесной термодинамики.
Перед обсуждением теоретических основ этой новой, важной для биологии и, в частности, проблемы белка, области знаний рассмотрим несколько примеров стационарных неравновесных физических, химических и биологических процессов, протекание которых приводит к формированию структур вдали от положения равновесия. Основные черты структурной самоорганизации открытой системы в условиях стационарного режима наглядно проявляются в образовании в тонком слое жидкости стоячих сравнительно стабильных структур (рис. 111.31).
448
1X0X00
П7ШГ
Рис. Ш.31. Образование ячеек Бенара в слое жидкости, нагреваемой снизу (Т]>Т2) Рис. Ш.32. Поток тепла Q в жидкости в зависимости от градиента температур
При небольшой разности температур нижней Т] и верхней Т2 поверхностей слоя тепло в такой системе передается за счет теплопроводности. При повышении температуры Tj и достижении температурным градиентом своего критического значения АТкр (рис. 111.32) покоящаяся теплопроводящая жидкость перестает справляться с переносом большого количества тепла, и устанавливается более благоприятный для процесса конвекционный режим перемещения жидкости с нижней нагретой поверхности в сторону холодной верхней поверхности слоя и обратно. Конвекционный поток циркулярного кооперативного движения молекул жидкости прибретает высокоорганизованную пространственную структуру в виде многочисленных цилиндрических или шестиугольных ячеек (ячеек Бенара), напоминающих пчелиные соты. Таким образом, из совершенно однородного состояния спонтанно возникает динамическая хорошо упорядоченная структура. Поскольку система при этом обменивается со средой только теплом (q) и получает, находясь в стационарном режиме, столько же тепла, сколько отдает, полный поток энтропии через нижнюю и верхнюю поверхности жидкости определяется выражением
dcS' _ JL _ JL _ T2~Tj dt “ Т, T2 " 4 T,T2 '
Так как по определению Т) > Т2, выражение имеет отрицательный знак и система, действительно, отдает энтропию, причем в стационарных условиях ровно столько, сколько производит. Потеря системой энтропии означает возникновение более высокой организации. Если следовать статистической термодинамике Больцмана, то упорядоченная конвекция Бенара должна иметь практически нулевую вероятность. В действительности же она оказалась самой предпочтительной. Поскольку высокоорганизованное когерентное состояние системы возникло далеко от положения равновесия, остается сделать вывод о неприменимости лежащей в основе больцмановской статистики теории вероятностей для описания неравновесных процессов открытых систем вдали от равновесия. Причина неприменимости, как будет показано далее, связана с флуктуациями, которые неустойчивы и размываются только в положении равновесия и в близкой к нему области. Вдали от него некоторые из флуктуаций или их определенные сочетания могут
