Je to nerovnovážná (nelineární a nevratná) termodynamika, ve které je místo rovnovážného tzv. stacionární stav.
Stacionární stav (neboli průběžná rovnováha) je stav otevřeného systému, tedy i živého systému (člověk), při kterém je tok látek i energie do systému a z něj sladěný tak, že se zachovává charakter a struktura systému. Tento stav odpovídá např. rovnováze na zcela propustné membráně.
Živé
systémy jsou vysoce organizované otevřené systémy, tudíž jsou velice vzdálené
od stavu termodynamické rovnováhy (ta se vyznačuje maximální entropií a
maximální neuspořádaností systému).
Stavové funkce - dělíme do dvou skupin:
A, Dobře definovatelné i pro stavy, které nejsou v rovnováze: objem, látkové množství, hmotnost, vnitřní energie.
B, Ty, které nejsou definovatelné pro nevratné procesy: tlak a teplota. Abychom je mohli definovat, zavádíme postulát lokální rovnováhy.
Znamená to, že TD systém rozdělíme na mnoho malých buněk. Každou budeme izolovat v čase t, kdy v čase t+Δt v systému nastane rovnováha, ve které jsou tyto veličiny (tlak, teplota…) již definovány.
Postulát lokální rovnováhy říká, že každému bodu původní nerovnovážné soustavy lze přiřadit právě takové hodnoty p a T, které odpovídají stavu, ve kterém se buňka nachází po ustanovení rovnováhy.
Při nevratných dějích (nenechte se zmást, stále bereme živé systémy, kde probíhají nevratné děje. Jen to slovo znovu zopakuju, abyste vy (a taky já :D) zůstali v obraze) dochází k růstu entropie. Tento růst entropie může mít dvě příčiny.
Když systém přijímá teplo, tak entropie „teče“ do systému z okolí => toková složka entropie.
U ireverzibilních procesů existuje také „vnitřní zdroj entropie“ => produkční složka entropie.
Produkce entropie δE - množství entropie vyprodukované v jednotkovém objemu za jednotku času.
Prigoginův princip = Při konstantních podmínkách otevřený systém spontánně spěje do stavu s nejmenší produkcí entropie. Tento stav nazýváme stacionární stav. V biologii je ekvivalentem tohoto stavu homeostáza.
Fluktuace jsou malé náhodné odchylky od rovnovážného stacionárního stavu vzniklé tepelným pohybem částic. Setkáváme se s nimi často: Brownův pohyb (neustálý a chaoticky pohyb částic ), šum elektronických zesilovačů, poruchy krystalových mříží apod...
Le Chatelierův princip
V blízkosti stacionárního stavu otevřeného systému vyvolávají fluktuace (i poruchové síly) toky takového směru, že se jimi stacionární stav obnovuje. Jinými slovy... Vychýlený systém je schopen návratu do původního stavu.
Kritický (bifurkační) bod je hranicí platnosti Le Chatelierova principu. Po jeho překročení může systém dospět do jiných stacionárních stavů.
Příklad nerovnovážných TD dějů:
Difúze - samovolný proces pronikání částic jedné látky mezi částice látky druhé. To vše se snahou o dosažení rovnovážného stavu, v němž je rovnoměrné rozdělení koncentrací.
Nelineární termodynamika
A, Disipativní struktury: nerovnovážné struktury, které vznikají jako důsledek fluktuace a jsou stabilizovány výměnou energie s okolím. Mohou vzniknout jen v podmínkách, které jsou vzdáleny od rovnováhy a při dostatečném toku energie a látky.
B, Autokatalytická reakce: nA + X ßà 2X + (n-1)A
V této rovnici vzniká z nějaké látky A za přítomnosti látky X opět
látka X. Látka X zde působí jako katalyzátor při svém vzniku. Autokatalytickou
reakcí je např. replikace DNA. Může
existovat jen při chemických oscilacích okolo stacionárního stavu.
Zdroje energie v živých systémech
Podle využívaného zdroje dělíme organismy na fototrofní a chemotrofní.
Fototrofní organismy získávají energii ze světla.
Chemotrofní organismy jsou
schopny využívat energii získanou oxidací nebo redukcí různých organických
látek.
Podle zdroje uhlíku je dělíme na autotrofní a heterotrofní.
Autotrofní organismy si samy syntetizují organické látky z oxidu uhličitého a vody - ty jsou většinou fototrofní. Typickými autotrofy jsou zelené rostliny, které jsou schopné fotosyntézy.
Heterotrofní organismy získávají organické látky z autotrofních organismů.
Protonmotivní síla
Elektrochemický potenciál, který vzniká nerovnoměrným rozdělením vodíkových iontů na membráně - protonový gradient. Strukturami, které tvoří ATP, jsou u zelených rostlin chloroplasty. U živočichů to jsou mitochondrie. Je to konečná fáze fotosyntézy i dýchacího řetězce.
Energie elektrochemického potenciálu je ukládána do formy ATP, ve které je dodávána tam, kde je potřeba pro energeticky nevýhodný chemický proces. Štěpení ATP je exergonní reakce a je energeticky spřažena s dalšími reakcemi.
Spotřeba energie v živých systémech
Buňky spotřebovávají energii na rozmnožování, růst, práci (mechanickou, elektrickou, osmotickou…) a mnoho dalších dějů. Energii ovšem využívají i buňky, které jen „přežívají“ v živém roztoku.
Každá buňka bez energie hyne a přestává existovat jako
funkční celek. Živé organismy vyžadují neustálý přísun a tok energie. Přinejmenším k tomu, aby nedošlo k poklesu vysoké uspořádanosti.
Barbora Horniaková
Chci si udělat kvíz - TADY
Žádné komentáře:
Okomentovat