Дәріс №5. Биологиядағы термодинамиканың бірінші бастамасы. Биологиядағы термодинамиканың екінші бастамасы

Термодинамика заңдары тек өлі табағатқа ғана жарамды деп ойлау ағаттық болар еді. Термодинамика заңдарын тірі табиғатқа да пайдалануға болады. Ол үшін термодинамикалық жүйе деп нені айтатынымызды келісіп алайық. Классикалық физиканың термодинамикасындағы ғылыми көзқарас бойынша жабық системадағы (жүйеде) қайтымсыз процестер энергияның минимум (азаятын), ал энтропияның максимум (өсетін) бағытында жүреді. Сөйтіп, система тепе-теңдік күйге ұмтылады.

Ал, биологиялық система ашық жүйе. Ол тепе-теңдік күйде болмайды. Осындай системадағы қайтымсыз процестерге классикалық термодинамиканың заңдарын қолдануда қажетті теорияға кейбір толықтырулар енгізілген. Нәтижесінде қайтымсыз процестердің термодинамикалық теориясы жасалынып, дамып келеді. Оны «Ашық системаның қайтымсыз процестерінің термодинамикасы» деп атайды.

Системаның стационар күйінде қайтымсыз процестер жүріп тұру үшін оны сипаттайтын термодинамикалық шамалардың сан мәндері ұзақ уақыт өзгермеуі шарт. Мысалы, тірі организм өзін қоршаған ортамен зат және энергиямен алмасады. Демек, ауадан оттегін, қоршаған ортадан коректік заттарды және бірнеше энергия түрлерін қабылдайды да, сол ортаға метаболизм нәтижелерімен қоса жылу бөліп шығарып, жұмыс та атқарады. Сонда организмнің жеке органдары мен тканьдарының температурасы және оның (ішкі құрылымындағы) тыныштық биопотенциалдары, осмос қысымдары, биологиялық сұйықтардың тұз құрамдары, қышқылдығы ұзақ уақыт өзгеріссіз сақталады. Сөйтіп, биологиялық системаның физикалық және химиялық қасиеттерінің ұзақ уақытта өзгеріссіз сақталатын күйін оның «стационар күйі» дейді. Стационар күйде системадағы физикалық және химиялық процестердің жүру жылдамдықтары тұрақты болады. Стационар күйде жүретін процестер термодинамикалық тепе-теңдік күйге жақын немесе одан алыс та болуы мүмкін. Организмге келіп түскен тамақтан пайда болатын энергияның мөлшері организм жұмыс істегенде кететін энергияның мөлшеріне тең. Шамамен алғанда берілген энергия 7857 кДж денеден бөлінген энергияға 7771 кДж тең екен. Олай болса организм энергияның жаңа көзі болып табылмайды. Осыдан, термодинамиканың бірінші бастамасы биологиялық жүйелерге де жарайды деген қорытындыға келеміз. Термодинамиканың екінші заңы өмірде болатын процестердің бағыты жөнінде мағлұмат береді. Бұл заңның негізін салушы Карно. Оны сипаттайтын бірнеше анықтама бар:

Клуазиус анықтамаасы: Жылу ешқашан да суық денеден ыстық денеге берілмейді.

Планк анықтамасы: Қыздырғышты суыту арқасында алынған жылу мөлшерін түгелімен жұмысқа айналдыру мүмкін емес.

Температурасы жоғары денеден температурасы төмен денеге жылу беріледі. Яғни жылу берілу бір бағытта жүреді. Мысалы ыстық дене алып оны суық денемен түйістерсек, онгда осы екі дененің температурасы теңеседі. Сонда энергия ыстық денеден суық денеге беріледі. Кері процесс жүруі мүмкін емес. Ендеше бұл қайтымсыз процесс.

Жан-жануарлардың организмінен бөлініп шыққан энергия оны қоршаған ортаға таралып кетеді. Осы энергияны өлшеу үшін биологиялық калориметр деген қолданылады. Биологиялық калориметр қабырғалары жылу өткізбейтін камерадан тұрады. Камераға оттегі беріліп отырады, одан яғни камерадан ауа желдеткіш арқылы далаға шығарылады. Су түтіктер арқылы камераға еніп, одан сыртқа шығып жатады. Осы биологиялық камераға мал қамап қойса, онда оның денесінен бөлініп шыққан энергия түтіктен суға беріледі де, судың температурасы көтеріледі. Судың камераға кірердегі және камерадан шығардағы температурасын өлшеп, мал денесінен бөлініп шыққан энергияны табуға болады.

Тағамдар тотыққанда бөлініп шығатын энергияны қалай анықтауға болады? Бұл сұраққа 1836 жылы ашылған Гесс заңы жауап береді: