เอนโทรปีและข้อมูลในระบบสิ่งมีชีวิต เอนโทรปีของระบบชีวภาพ เอนโทรปี ทุกระบบทางชีววิทยาไม่มีเอนโทรปี

การวัดความไม่แน่นอนในการกระจายสถานะของระบบทางชีววิทยา ซึ่งกำหนดเป็น

โดยที่ II คือเอนโทรปี ความน่าจะเป็นที่ระบบจะยอมรับสถานะจากขอบเขต x คือจำนวนสถานะของระบบ อี.ส. สามารถกำหนดโดยสัมพันธ์กับการกระจายตัวตามตัวบ่งชี้เชิงโครงสร้างหรือการทำงานใดๆ อี.ส. ใช้ในการคำนวณระบบชีวภาพขององค์กร ลักษณะสำคัญของระบบสิ่งมีชีวิตคือเอนโทรปีแบบมีเงื่อนไข ซึ่งแสดงลักษณะความไม่แน่นอนของการกระจายสถานะของระบบทางชีววิทยาที่สัมพันธ์กับการกระจายที่ทราบ

โดยที่ความน่าจะเป็นของระบบจะยอมรับสถานะจากขอบเขต x โดยมีเงื่อนไขว่าระบบอ้างอิงซึ่งสัมพันธ์กับการวัดความไม่แน่นอนจะยอมรับสถานะจากขอบเขต y คือจำนวนสถานะของระบบอ้างอิง พารามิเตอร์ของระบบอ้างอิงสำหรับระบบชีวภาพสามารถเป็นปัจจัยได้หลากหลาย และประการแรกคือระบบของตัวแปรสภาพแวดล้อม (วัสดุ พลังงาน หรือสภาวะขององค์กร) การวัดเอนโทรปีแบบมีเงื่อนไข เช่นเดียวกับการวัดการจัดระบบชีวภาพ สามารถใช้เพื่อประเมินวิวัฒนาการของระบบสิ่งมีชีวิตเมื่อเวลาผ่านไป ในกรณีนี้ การแจกแจงอ้างอิงคือการกระจายความน่าจะเป็นของระบบที่ยอมรับสถานะในช่วงเวลาก่อนหน้าบางช่วง และถ้าจำนวนสถานะของระบบยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เอนโทรปีแบบมีเงื่อนไขของการแจกแจงปัจจุบันสัมพันธ์กับการแจกแจงอ้างอิงจะถูกกำหนดเป็น

อีจ. pp. เช่นเดียวกับเอนโทรปีของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับสถานะพลังงานขององค์ประกอบต่างๆ ในกรณีของระบบชีวภาพ ความเชื่อมโยงนี้เป็นแบบพหุภาคีและยากต่อการกำหนด โดยทั่วไป การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีเกิดขึ้นกับกระบวนการชีวิตทั้งหมดและทำหน้าที่เป็นคุณลักษณะอย่างหนึ่งในการวิเคราะห์รูปแบบทางชีววิทยา

Yu. G. Antomovov, P. I. Belobrov

กฎสำคัญประการหนึ่งของอุณหพลศาสตร์คือกฎแห่งเอนโทรปี

แนวคิดเรื่องเอนโทรปีแสดงลักษณะเฉพาะของพลังงานทั้งหมดของระบบที่ไม่สามารถใช้ในการผลิตงานได้ ดังนั้นต่างจากพลังงานฟรีตรงที่สลายตัวเป็นพลังงานสิ้นเปลือง หากเราแสดงพลังงานอิสระด้วย F และเอนโทรปีด้วย S แล้วพลังงานทั้งหมดของระบบ E จะเท่ากับ E = F+ BT โดยที่ T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ในหน่วยเคลวิน

ตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ เอนโทรปีในระบบปิดจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและมีแนวโน้มที่จะมีค่าสูงสุดในที่สุด ด้วยเหตุนี้ เมื่อระดับของเอนโทรปีเพิ่มขึ้น เราสามารถตัดสินวิวัฒนาการของระบบปิด และด้วยเหตุนี้จึงถึงเวลาของการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นจึงเป็นครั้งแรกที่มีการนำแนวคิดเรื่องเวลาและวิวัฒนาการที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของระบบมาสู่วิทยาศาสตร์กายภาพ แต่แนวคิดเรื่องวิวัฒนาการในอุณหพลศาสตร์คลาสสิกนั้นแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากความหมายที่ยอมรับกันโดยทั่วไป สิ่งนี้ค่อนข้างชัดเจนหลังจากที่นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน แอล. บายัตซ์มันน์ (ค.ศ. 1844–1906) เริ่มตีความเอนโทรปีว่าเป็นการวัดความผิดปกติ (ความสับสนวุ่นวาย) ในระบบ

ดังนั้น กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์จึงสามารถกำหนดได้ดังนี้: ระบบปิดที่ปล่อยทิ้งไว้กับตัวมันเอง มีแนวโน้มที่จะบรรลุสภาวะที่เป็นไปได้มากที่สุด ซึ่งประกอบด้วยความระส่ำระสายสูงสุด แม้ว่าอย่างเป็นทางการอย่างแท้จริง ความระส่ำระสายถือได้ว่าเป็นการจัดการตนเองที่มีสัญญาณเชิงลบหรือความไม่เป็นระเบียบในตนเอง อย่างไรก็ตาม มุมมองดังกล่าวไม่มีอะไรที่เหมือนกันกับการตีความที่มีความหมายของการจัดระเบียบตนเองว่าเป็นกระบวนการของการกลายเป็นคุณภาพใหม่ในระดับที่สูงกว่า ของการพัฒนาระบบ แต่ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องละทิ้งนามธรรมที่กว้างขวางเช่นระบบที่โดดเดี่ยวและสภาวะสมดุล

ในขณะเดียวกัน อุณหพลศาสตร์แบบดั้งเดิมอาศัยระบบเหล่านี้อย่างแม่นยำ ดังนั้น ตัวอย่างเช่น ระบบเปิดบางส่วนหรือระบบที่อยู่ใกล้จุดสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ถือเป็นกรณีที่เสื่อมถอยของระบบสมดุลที่แยกเดี่ยว

แนวคิดพื้นฐานที่สุดเหล่านี้ ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น คือแนวคิดของระบบเปิดที่สามารถแลกเปลี่ยนสสาร พลังงาน และข้อมูลกับสิ่งแวดล้อมได้ เนื่องจากมีความสัมพันธ์ระหว่างสสารและพลังงาน เราสามารถพูดได้ว่าในระหว่างการวิวัฒนาการของระบบนั้นก่อให้เกิดเอนโทรปีซึ่งอย่างไรก็ตามไม่ได้สะสมอยู่ในนั้น แต่ถูกกำจัดออกและกระจายไปในสิ่งแวดล้อม แต่พลังงานสดมาจากสิ่งแวดล้อม และเป็นผลจากการแลกเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องนี้ เอนโทรปีของระบบอาจไม่เพิ่มขึ้น แต่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหรือลดลงด้วยซ้ำ จากจุดนี้ จะเห็นได้ชัดว่าระบบเปิดไม่สามารถอยู่ในสมดุลได้ เนื่องจากการทำงานของระบบต้องใช้พลังงานและสสารอย่างต่อเนื่องจากสภาพแวดล้อมภายนอก ซึ่งส่งผลให้ความไม่สมดุลในระบบเพิ่มขึ้น ในที่สุดโครงสร้างเก่าก็พังทลายลง ความสัมพันธ์ที่สอดคล้องหรือประสานงานใหม่เกิดขึ้นระหว่างองค์ประกอบของระบบ ซึ่งนำไปสู่กระบวนการความร่วมมือ ดังนั้น กระบวนการจัดระเบียบตนเองในระบบเปิด ซึ่งสัมพันธ์กับการกระจายตัวหรือการกระจายตัวของเอนโทรปีสู่สิ่งแวดล้อมจึงสามารถอธิบายได้เป็นแผนผัง

คุณลักษณะบางประการของอุณหพลศาสตร์ของระบบสิ่งมีชีวิตกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สร้างความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างเอนโทรปีและข้อมูล ข้อมูล (I) เป็นปัจจัยสำคัญในการวิวัฒนาการของระบบชีวภาพ - เป็นตัววัดการจัดระบบซึ่งก็คือความเป็นระเบียบของการจัดเรียงและการเคลื่อนที่ของอนุภาค ข้อมูลจะแสดงเป็นบิต และข้อมูล 1 บิตมีค่าเท่ากับ 10 -23 J/K (ค่าที่น้อยมาก) แต่ในทุกระบบจะใช้กฎหมายอนุรักษ์: ฉัน + ส = ค่าคงที่

ในระบบทางชีววิทยา ปฏิกริยาเคมีดำเนินต่อไปด้วยปริมาตรและความดันคงที่ จึงแสดงว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานรวมของระบบเป็น D อีความสามารถของระบบในการทำงานที่เป็นประโยชน์สามารถแสดงได้ด้วยสมการ:

สมการนี้สามารถเขียนได้ในรูปแบบอื่น:

หมายความว่าพลังงานสำรองทั้งหมดในระบบถูกใช้ไปกับการทำงานที่เป็นประโยชน์และกระจายไปในรูปของความร้อน .

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในระบบชีวภาพ การเปลี่ยนแปลงพลังงานทั้งหมดของระบบเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีและพลังงานอิสระ ในระบบที่อุณหภูมิและความดันคงที่ เฉพาะกระบวนการดังกล่าวเท่านั้นที่สามารถเกิดขึ้นเองได้ซึ่งเป็นผลมาจากการที่ พลังงานกิ๊บส์ลดลง กระบวนการที่เกิดขึ้นเองจะนำไปสู่สภาวะสมดุลซึ่ง ดี ก = 0 ระบบไม่สามารถออกจากสถานะนี้ได้หากไม่มีอิทธิพลจากภายนอก สำหรับสิ่งมีชีวิต สภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์หมายถึงการตายของมัน ดังนั้นสำหรับการทำงานระบบเปิด แนวคิดของ รัฐนิ่ง ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยความคงที่ของพารามิเตอร์ของระบบ ค่าคงที่ตลอดเวลาของอัตราการไหลเข้าและการกำจัดสารและพลังงาน ในเวลาเดียวกัน ระบบเปิดในช่วงเวลาใดก็ตามไม่เป็นไปตามเงื่อนไขของสถานะคงที่เฉพาะเมื่อพิจารณา ค่าเฉลี่ยของพารามิเตอร์ของระบบเปิดในช่วงเวลาที่ค่อนข้างใหญ่ ซึ่งเป็นค่าคงที่สัมพัทธ์ ดังนั้น ระบบเปิดในสถานะคงที่จึงคล้ายกับระบบในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ในหลาย ๆ ด้าน คุณสมบัติของระบบยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป (ตารางที่ 5)

ค่าต่ำสุดของพลังงานอิสระสอดคล้องกับสถานะสมดุล - สถานะคงที่.

ตารางที่ 5

สมบัติของระบบสมดุลทางอุณหพลศาสตร์และระบบที่อยู่นิ่ง

โดยที่การเปลี่ยนแปลงทั้งหมดในเอนโทรปีของระบบในช่วงเวลาหนึ่งคือ – การผลิตเอนโทรปีภายในระบบเนื่องจากการเกิดขึ้นของกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในระบบ (เช่นการทำลายโมเลกุลที่ซับซ้อนของสารอาหารและการก่อตัวของโมเลกุลที่เรียบง่ายกว่าจำนวนมาก) – การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีอันเนื่องมาจากปฏิสัมพันธ์ของระบบเปิดกับสิ่งแวดล้อม

การเปลี่ยนแปลงพลังงานกิ๊บส์อยู่ที่ไหน ตรงข้ามกับการเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปี – การเปลี่ยนแปลงพลังงานกิ๊บส์ภายในระบบ – ความแตกต่างระหว่างการเปลี่ยนแปลงพลังงานกิ๊บส์ภายในระบบและสภาพแวดล้อมภายนอก ในสภาวะคงที่ การกระจายพลังงานของกิ๊บส์โดยระบบเปิดจะมีน้อยมากสิ่งมีชีวิตซึ่งเป็นตัวแทนของระบบเปิดถูกวางไว้โดยธรรมชาติในสภาพที่เอื้ออำนวยจากมุมมองของการจัดหาพลังงาน: รักษาความคงตัวของสภาพแวดล้อมภายใน เรียกว่าในทางชีววิทยา สภาวะสมดุล ต้องการการใช้พลังงาน Gibbs น้อยที่สุด.

ดังนั้น, สิ่งมีชีวิตเป็นระบบเปิดการแลกเปลี่ยนพลังงาน สสาร และข้อมูลกับสิ่งแวดล้อม กิจกรรมที่สำคัญของวัตถุทางชีวภาพแสดงให้เห็นว่าพวกเขา "ไม่ต้องการ" ที่จะปฏิบัติตามกฎของอุณหพลศาสตร์เชิงเส้น ระบบแยกซึ่งทำให้มีความมั่นคง สภาวะสมดุลด้วยพลังงานอิสระขั้นต่ำและเอนโทรปีสูงสุด

ระบบต่างๆ ของธรรมชาติที่ไม่มีชีวิตและโดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องมีแนวทางที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน - อย่างไร ไปจนถึงวัตถุที่จัดระเบียบตนเองที่ซับซ้อนที่พวกเขาไป กระบวนการไม่เชิงเส้นที่ไม่สมดุลซึ่งมีลักษณะสอดคล้องกัน- ฟิสิกส์ของสิ่งมีชีวิตถือได้ว่าเป็นปรากฏการณ์ของฟิสิกส์หลังไม่ใช่คลาสสิก ด้วยการเกิดขึ้นของพื้นฐานทางทฤษฎีของชีววิทยาการพัฒนาอณูชีววิทยาและพันธุศาสตร์ก็เป็นไปได้ อธิบายกลไกขององค์กรมีชีวิตอยู่, การถ่ายทอดรหัสพันธุกรรม การสังเคราะห์ DNA กรดอะมิโน โปรตีน และสารประกอบโมเลกุลอื่นๆ ที่สำคัญต่อชีวิต เหตุผลทางกายภาพและเคมี.

ส่งผลงานดีๆ ของคุณในฐานความรู้ได้ง่ายๆ ใช้แบบฟอร์มด้านล่าง

นักศึกษา นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา นักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์ ที่ใช้ฐานความรู้ในการศึกษาและการทำงาน จะรู้สึกขอบคุณเป็นอย่างยิ่ง

โพสต์เมื่อ http://allbest.ru

กระทรวงศึกษาธิการและวิทยาศาสตร์ สพท

สหพันธรัฐปกครองตนเอง สถาบันการศึกษา การศึกษาวิชาชีพชั้นสูง

"มหาวิทยาลัยเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กรัฐวิศวกรรมเครื่องมือการบินและอวกาศ"

กรมความมั่นคงทางเศรษฐกิจ

เอนโทรปีในระบบสิ่งมีชีวิต

ในสาขาวิชา: แนวคิดของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติสมัยใหม่

เสร็จสิ้นโดย: นักเรียน

หัวหน้างาน:

เศรษฐศาสตร์ดุษฎีบัณฑิต วิทยาศาสตร์,

ศาสตราจารย์ A.V. Samoilov

เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก 2014

วงจรอิเล็กทรอนิกส์แห่งชีวิต

เอนโทรปีของชีวิต

เทคโนโลยีการวินิจฉัยบนพื้นฐานของความสำเร็จของชีวฟิสิกส์ควอนตัม

บทสรุป

บรรณานุกรม

การบำรุงรักษา

วิธีการศึกษาสถานะการทำงานของบุคคลโดยการบันทึกพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าแสงของผิวหนังสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มตามเงื่อนไขตามลักษณะของกระบวนการทางชีวฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้อง กลุ่มแรกประกอบด้วยวิธีการ "ช้า" ซึ่งใช้เวลาในการวัดมากกว่า 1 วินาที

ในกรณีนี้ ภายใต้อิทธิพลของศักย์ไฟฟ้าที่ใช้ กระแสไอออน-ดีโพลาไรเซชันจะถูกกระตุ้นในเนื้อเยื่อ และส่วนประกอบหลักที่เป็นไอออนจะทำให้เกิดสัญญาณที่วัดได้ วิธีการ "เร็ว" ซึ่งใช้เวลาในการวัดน้อยกว่า 100 มิลลิวินาที จะขึ้นอยู่กับการบันทึกกระบวนการทางกายภาพที่ถูกกระตุ้นโดยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ของการนำเนื้อเยื่อ

กระบวนการดังกล่าวอธิบายโดยใช้แบบจำลองกลศาสตร์ควอนตัมเป็นหลัก จึงสามารถกำหนดให้เป็นวิธีการทางชีวฟิสิกส์ควอนตัมได้

วิธีหลังรวมถึงวิธีการบันทึกการเรืองแสงที่ถูกกระตุ้นและจากภายใน เช่นเดียวกับวิธีการปล่อยอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยการขยายในการปล่อยก๊าซ (วิธีการถ่ายภาพการปล่อยก๊าซ) ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกทางชีวฟิสิกส์และเอนโทรปีสำหรับการใช้วิธีการชีวฟิสิกส์ควอนตัม

วงจรอิเล็กทรอนิกส์แห่งชีวิต

“ฉันเชื่อมั่นอย่างลึกซึ้งว่าเราจะไม่มีวันเข้าใจแก่นแท้ของชีวิตได้หากเราจำกัดตัวเองให้อยู่แค่ระดับโมเลกุล... ความละเอียดอ่อนที่น่าทึ่งของปฏิกิริยาทางชีวภาพนั้นเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และสามารถอธิบายได้จากมุมมองของ กลศาสตร์ควอนตัม” อ. เซนท์-กยอร์ยี, 1971

วงจรชีวิตอิเล็กทรอนิกส์ - วงจรและการเปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบชีวภาพ โฟตอน แสงแดดถูกดูดซับโดยโมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่เข้มข้นในเยื่อหุ้มคลอโรพลาสต์ของออร์แกเนลล์พืชสีเขียว

โดยการดูดซับแสง คลอโรฟิลล์อิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานเพิ่มเติมและเคลื่อนจากสถานะพื้นดินไปสู่สภาวะตื่นเต้น ต้องขอบคุณองค์กรที่ได้รับคำสั่งของคอมเพล็กซ์โปรตีน - คลอโรฟิลล์ซึ่งเรียกว่าระบบภาพถ่าย (PS) อิเล็กตรอนที่ตื่นเต้นไม่เปลืองพลังงานในการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนของโมเลกุล แต่ได้รับความสามารถในการเอาชนะแรงผลักของไฟฟ้าสถิตแม้ว่าสารจะอยู่ข้างๆก็ตาม มีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าคลอโรฟิลล์ เป็นผลให้อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นไปที่สารนี้

หลังจากสูญเสียอิเล็กตรอนไป คลอโรฟิลล์ก็มีตำแหน่งว่างของอิเล็กตรอนอิสระ และต้องใช้อิเล็กตรอนจากโมเลกุลที่อยู่รอบๆ และผู้บริจาคอาจเป็นสสารที่อิเล็กตรอนมีพลังงานต่ำกว่าอิเล็กตรอนของคลอโรฟิลล์ สารนี้คือน้ำ

เมื่อนำอิเล็กตรอนจากน้ำ ระบบภาพถ่ายจะออกซิไดซ์ให้เป็นออกซิเจนโมเลกุล ดังนั้นชั้นบรรยากาศของโลกจึงอุดมไปด้วยออกซิเจนอย่างต่อเนื่อง

เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ถูกถ่ายโอนไปตามสายโซ่ของโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เชื่อมต่อกันด้วยโครงสร้าง อิเล็กตรอนจะใช้พลังงานกับกระบวนการอะนาโบลิกและแคทาบอลิซึมในพืช และในสัตว์ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ตามแนวคิดสมัยใหม่ การถ่ายโอนระหว่างโมเลกุลของอิเล็กตรอนที่ถูกตื่นเต้นเกิดขึ้นผ่านกลไกของเอฟเฟกต์อุโมงค์ในสนามไฟฟ้ากำลังแรง

คลอโรฟิลล์ทำหน้าที่เป็นขั้นตอนกลางในหลุมศักย์ระหว่างผู้ให้อิเล็กตรอนและผู้รับ พวกเขารับอิเล็กตรอนจากผู้บริจาคที่มีระดับพลังงานต่ำ และใช้พลังงานของดวงอาทิตย์กระตุ้นพวกมันมากจนสามารถถ่ายโอนไปยังสารที่มีศักยภาพของอิเล็กตรอนสูงกว่าผู้บริจาคได้

นี่เป็นเพียงปฏิกิริยาแสงเดียวที่แม้จะมีหลายขั้นตอนในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ทางชีวภาพแบบออโตโทรฟิกเพิ่มเติมไม่ต้องการแสง เกิดขึ้นในพืชสีเขียวเนื่องจากพลังงานที่มีอยู่ในอิเล็กตรอนที่เป็นของ NADPH และ ATP เนื่องจากการหลั่งไหลของอิเล็กตรอนจำนวนมหาศาลจากคาร์บอนไดออกไซด์, น้ำ, ไนเตรต, ซัลเฟตและสารที่ค่อนข้างง่ายอื่น ๆ ทำให้เกิดสารประกอบโมเลกุลสูง: คาร์โบไฮเดรต, โปรตีน, ไขมัน, กรดนิวคลีอิก

สารเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นสารอาหารหลักสำหรับเฮเทอโรโทรฟ ในระหว่างกระบวนการแคแทบอลิซึมซึ่งจัดทำโดยระบบขนส่งอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาในปริมาณประมาณเดียวกันกับที่ถูกจับโดยสารอินทรีย์ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง

อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแคแทบอลิซึมจะถูกถ่ายโอนไปยังโมเลกุลออกซิเจนโดยระบบทางเดินหายใจแบบไมโตคอนเดรีย ในที่นี้ออกซิเดชันเกี่ยวข้องกับฟอสโฟรีเลชั่น - การสังเคราะห์ ATP ผ่านการเติมกรดฟอสฟอริกที่ตกค้างให้กับ ADP (นั่นคือ ฟอสโฟรีเลชั่นของ ADP) สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ถึงการจัดหาพลังงานสำหรับกระบวนการชีวิตของสัตว์และมนุษย์ทั้งหมด

เมื่ออยู่ในเซลล์ สารชีวโมเลกุลจะ "มีชีวิต" แลกเปลี่ยนพลังงานและประจุ และข้อมูล ต้องขอบคุณระบบ p-อิเล็กตรอนที่แยกส่วนที่พัฒนาขึ้น การแยกส่วนหมายความว่า p-อิเล็กตรอนกลุ่มเมฆกลุ่มเดียวถูกกระจายไปในลักษณะใดลักษณะหนึ่งทั่วทั้งโครงสร้างโมเลกุลเชิงซ้อนทั้งหมด สิ่งนี้ช่วยให้พวกมันสามารถโยกย้ายได้ไม่เพียงแต่ภายในโมเลกุลเท่านั้น แต่ยังย้ายจากโมเลกุลหนึ่งไปอีกโมเลกุลด้วยหากพวกมันถูกรวมเข้าด้วยกันในเชิงโครงสร้างเป็นชุด ปรากฏการณ์การถ่ายโอนระหว่างโมเลกุลถูกค้นพบโดย J. Weiss ในปี 1942 และแบบจำลองทางกลควอนตัมของกระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาในปี 1952-1964 โดย R.S. มัลลิเคน.

ในเวลาเดียวกันภารกิจที่สำคัญที่สุดของ p-อิเล็กตรอนในกระบวนการทางชีววิทยาไม่เพียงเกี่ยวข้องกับการแยกส่วนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงลักษณะเฉพาะของสถานะพลังงานด้วย: ความแตกต่างระหว่างพลังงานของพื้นดินและสถานะที่ตื่นเต้นสำหรับพวกมันนั้นน้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัด มากกว่าของพีอิเล็กตรอน และมีค่าประมาณเท่ากับพลังงานโฟตอน hn

ด้วยเหตุนี้จึงเป็น p-อิเล็กตรอนที่สามารถสะสมและแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ได้เนื่องจากมีการเชื่อมต่อแหล่งพลังงานทั้งหมดของระบบชีวภาพเข้าด้วยกัน ดังนั้น p-อิเล็กตรอนจึงมักถูกเรียกว่า "อิเล็กตรอนแห่งชีวิต"

ด้วยการเปรียบเทียบระดับศักยภาพในการลดของส่วนประกอบของระบบสังเคราะห์แสงและระบบลูกโซ่ทางเดินหายใจ จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะตรวจสอบได้ว่าพลังงานแสงอาทิตย์ที่แปลงด้วยพีอิเล็กตรอนในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นถูกใช้ไปกับการหายใจของเซลล์เป็นหลัก (การสังเคราะห์ ATP) ดังนั้น เนื่องจากการดูดซับโฟตอนสองตัวในคลอโรพลาสต์ p-อิเล็กตรอนจึงถูกถ่ายโอนจาก P680 ไปยังเฟอร์ดอกซิน ทำให้พลังงานของพวกมันเพิ่มขึ้นประมาณ 241 กิโลจูล/โมล ส่วนเล็กๆ ถูกใช้ไประหว่างการถ่ายโอน p-อิเล็กตรอนจากเฟอร์ดอกซินไปยัง NADP เป็นผลให้สารถูกสังเคราะห์ซึ่งต่อมากลายเป็นอาหารของเฮเทอโรโทรฟและถูกเปลี่ยนเป็นสารตั้งต้นสำหรับการหายใจของเซลล์ ที่จุดเริ่มต้นของห่วงโซ่การหายใจ พลังงานสำรองอิสระของ p-อิเล็กตรอนคือ 220 kJ/mol ซึ่งหมายความว่าก่อนหน้านี้ พลังงานของ p-อิเล็กตรอนลดลงเพียง 20 kJ/mol ด้วยเหตุนี้ พลังงานแสงอาทิตย์มากกว่า 90% ที่เก็บไว้โดยพีอิเล็กตรอนในพืชสีเขียวจึงถูกพาไปยังระบบทางเดินหายใจของไมโตคอนเดรียในสัตว์และมนุษย์

ผลลัพธ์สุดท้ายของปฏิกิริยารีดอกซ์ในห่วงโซ่ระบบทางเดินหายใจของไมโตคอนเดรียคือน้ำ มีพลังงานอิสระน้อยที่สุดในบรรดาโมเลกุลที่สำคัญทางชีวภาพทั้งหมด ว่ากันว่าด้วยน้ำร่างกายจะปล่อยอิเล็กตรอนที่ขาดพลังงานในกระบวนการสำคัญออกมา ในความเป็นจริง พลังงานสำรองในน้ำไม่ได้เป็นศูนย์ แต่พลังงานทั้งหมดอยู่ในพันธะ y และไม่สามารถใช้สำหรับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในร่างกายที่อุณหภูมิร่างกายและพารามิเตอร์ทางเคมีกายภาพอื่นๆ ของร่างกายของสัตว์และมนุษย์ ในแง่นี้ แอคทิวิตีทางเคมีของน้ำถือเป็นจุดอ้างอิง (ระดับศูนย์) ในระดับแอคติวิตีทางเคมี

ในบรรดาสารที่มีความสำคัญทางชีวภาพทั้งหมด น้ำมีศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออนสูงที่สุด - 12.56 eV โมเลกุลทั้งหมดในชีวมณฑลมีศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออนต่ำกว่าค่านี้ ช่วงของค่าจะอยู่ที่ประมาณ 1 eV (จาก 11.3 ถึง 12.56 eV)

หากเราใช้ศักยภาพไอออไนเซชันของน้ำเป็นจุดอ้างอิงสำหรับปฏิกิริยาของชีวมณฑล เราก็สามารถสร้างระดับของศักยภาพทางชีวภาพได้ ศักยภาพทางชีวภาพของทุกคน อินทรียฺวัตถุมีความหมายเฉพาะเจาะจงมาก - มันสอดคล้องกับพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการออกซิเดชันของสารประกอบที่กำหนดกับน้ำ

มิติ BP คือมิติของพลังงานอิสระของสารที่เกี่ยวข้อง (เป็น kcal) และแม้ว่า 1 eV = 1.6 · 10 -19 J เมื่อย้ายจากระดับศักยภาพไอออไนเซชันไปเป็นระดับศักยภาพทางชีวภาพ เราต้องคำนึงถึงเลขฟาราเดย์และความแตกต่างของศักยภาพในการลดมาตรฐานระหว่างคู่รีดอกซ์ของสารที่กำหนดกับ O 2 /H 2 O คู่รีดอกซ์

ด้วยการดูดกลืนโฟตอน อิเล็กตรอนจึงมีศักยภาพทางชีวภาพสูงสุดในระบบภาพถ่ายของพืช จากระดับพลังงานที่สูงนี้ พวกมันจะลงสู่ระดับพลังงานต่ำสุดในชีวมณฑลอย่างไม่ระมัดระวัง (ทีละขั้นตอน) นั่นคือระดับน้ำ พลังงานที่อิเล็กตรอนปล่อยออกมาในแต่ละขั้นของบันไดนี้จะถูกแปลงเป็นพลังงานของพันธะเคมี และขับเคลื่อนชีวิตของสัตว์และพืช อิเล็กตรอนของน้ำถูกพันธะโดยพืช และการหายใจของเซลล์ก็สร้างน้ำขึ้นมาอีกครั้ง กระบวนการนี้ก่อให้เกิดวัฏจักรอิเล็กตรอนในชีวมณฑลซึ่งมีแหล่งกำเนิดคือดวงอาทิตย์

กระบวนการอีกประเภทหนึ่งที่เป็นแหล่งและแหล่งกักเก็บพลังงานอิสระในร่างกายคือกระบวนการออกซิเดชั่นที่เกิดขึ้นในร่างกายโดยมีส่วนร่วมของสายพันธุ์ออกซิเจนปฏิกิริยา (ROS) ROS เป็นอนุภาคทางเคมีที่ทำปฏิกิริยาสูง ซึ่งรวมถึงอนุมูลอิสระที่มีออกซิเจน (O 2 3 / 4 ·, HO 2 ·, HO·, NO·, ROO) เช่นเดียวกับโมเลกุลที่สามารถผลิตอนุมูลอิสระได้ง่าย (ออกซิเจนเดี่ยว , O 3 , ONOOH, HOCl, H 2 O 2 , ROOH, ROOR) สิ่งพิมพ์ส่วนใหญ่ที่อุทิศให้กับ ROS หารือเกี่ยวกับประเด็นที่เกี่ยวข้องกับผลกระทบที่ทำให้เกิดโรคเนื่องจากเชื่อกันมานานแล้วว่า ROS ปรากฏในร่างกายเมื่อการเผาผลาญปกติถูกรบกวนและในระหว่างปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เกิดจากอนุมูลอิสระส่วนประกอบโมเลกุลของเซลล์จะไม่เฉพาะเจาะจง ได้รับความเสียหาย.

อย่างไรก็ตาม ขณะนี้เป็นที่ชัดเจนว่าเอนไซม์ที่สร้างซูเปอร์ออกไซด์มีอยู่ในแทบทุกเซลล์ และการตอบสนองของเซลล์ทางสรีรวิทยาปกติจำนวนมากมีความสัมพันธ์กับการผลิต ROS ที่เพิ่มขึ้น ROS ยังถูกสร้างขึ้นในระหว่างปฏิกิริยาที่ไม่ใช่เอนไซม์ซึ่งเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในร่างกาย ตามการประมาณการขั้นต่ำ ในระหว่างการหายใจของมนุษย์และสัตว์ มีการใช้ออกซิเจนมากถึง 10-15% เพื่อผลิต ROS และด้วยกิจกรรมที่เพิ่มขึ้น สัดส่วนนี้จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในเวลาเดียวกัน ระดับคงที่ของ ROS ในอวัยวะและเนื้อเยื่อโดยปกติจะต่ำมาก เนื่องจากการแพร่หลายของระบบเอนไซม์และไม่ใช่เอนไซม์ที่ทรงพลังซึ่งกำจัดพวกมันออกไป คำถามที่ว่าทำไมร่างกายจึงสร้าง ROS อย่างเข้มข้นเพื่อกำจัดพวกมันในทันทียังไม่ได้มีการพูดคุยกันในวรรณคดี

มีการพิสูจน์แล้วว่าการตอบสนองของเซลล์ต่อฮอร์โมน สารสื่อประสาท ไซโตไคน์ และปัจจัยทางกายภาพอย่างเพียงพอ (แสง อุณหภูมิ ความเครียดทางกล) จำเป็นต้องมีเนื้อหา ROS บางอย่างในสิ่งแวดล้อม ROS เองสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาเดียวกันกับเซลล์ที่เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของโมเลกุลควบคุมทางชีวภาพตั้งแต่การกระตุ้นหรือการยับยั้งระบบเอนไซม์แบบย้อนกลับไปจนถึงการควบคุมกิจกรรมของจีโนม กิจกรรมทางชีวภาพของสิ่งที่เรียกว่าไอออนในอากาศซึ่งมีผลการรักษาที่เด่นชัดต่อโรคติดเชื้อและไม่ติดเชื้อหลายชนิดนั้นเกิดจากการที่พวกมันเป็นอนุมูลอิสระ (O 2 3/4 ·) การใช้ ROS อื่นๆ ได้แก่ โอโซนและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ เพื่อวัตถุประสงค์ในการรักษาโรคก็กำลังขยายตัวเช่นกัน

ได้รับผลลัพธ์ที่สำคัญใน ปีที่ผ่านมาศาสตราจารย์ที่มอสโก มหาวิทยาลัยของรัฐวี.แอล. โวเอคอฟ จากข้อมูลการทดลองจำนวนมากเกี่ยวกับการศึกษาการเรืองแสงที่อ่อนแอเป็นพิเศษของเลือดมนุษย์ที่ไม่เจือปนทั้งหมด พบว่าปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับ ROS เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในเลือด ในระหว่างนั้นสภาวะตื่นเต้นทางอิเล็กทรอนิกส์ (EES) จะถูกสร้างขึ้น

กระบวนการที่คล้ายกันสามารถเริ่มต้นได้ในระบบน้ำจำลองที่มีกรดอะมิโนและส่วนประกอบที่ส่งเสริมการเกิดออกซิเดชันอย่างช้าๆ ของกรดอะมิโนภายใต้สภาวะที่ใกล้เคียงกับทางสรีรวิทยา พลังงานของการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์สามารถเคลื่อนย้ายแบบแผ่รังสีและไม่แผ่รังสีในระบบแบบจำลองน้ำและในเลือด และใช้เป็นพลังงานกระตุ้นเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการที่สร้าง EMU โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เนื่องจากการเหนี่ยวนำให้เกิดการแตกแขนงของสายโซ่ที่เสื่อมลง

กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับ ROS ที่เกิดขึ้นในเลือดและในระบบน้ำแสดงสัญญาณของการจัดระเบียบตนเองซึ่งแสดงออกในลักษณะการสั่นไหวความต้านทานต่อการกระทำที่รุนแรง ปัจจัยภายนอกในขณะที่ยังคงความไวสูงต่อการกระทำของปัจจัยความเข้มต่ำและต่ำมาก ตำแหน่งนี้เป็นการวางรากฐานสำหรับการอธิบายผลกระทบหลายประการที่ใช้ในการบำบัดด้วยความเข้มข้นต่ำสมัยใหม่

รับโดย V.L. ผลลัพธ์ของ Voeikov แสดงให้เห็นถึงกลไกอีกประการหนึ่งในการสร้างและใช้งาน EVS ในร่างกาย คราวนี้อยู่ในสื่อของเหลว การพัฒนาแนวคิดที่นำเสนอในบทนี้จะทำให้สามารถยืนยันกลไกทางชีวฟิสิกส์ของการผลิตและการขนส่งพลังงานในระบบชีวภาพได้

เอนโทรปีของชีวิต

ในแง่อุณหพลศาสตร์ ระบบเปิด (ชีวภาพ) ในกระบวนการทำงานจะผ่านสถานะที่ไม่สมดุลจำนวนหนึ่ง ซึ่งในทางกลับกันจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์

การรักษาสถานะที่ไม่สมดุลในระบบเปิดนั้นเป็นไปได้โดยการสร้างการไหลของสสารและพลังงานในตัวเท่านั้น ซึ่งบ่งชี้ถึงความจำเป็นในการพิจารณาพารามิเตอร์ของระบบดังกล่าวเป็นฟังก์ชันของเวลา

การเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปีของระบบเปิดสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากการแลกเปลี่ยนกับสภาพแวดล้อมภายนอก (d e S) และเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีในระบบเองเนื่องจากกระบวนการภายในที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ (d i S > 0) อี. ชโรดิงเงอร์แนะนำแนวคิดที่ว่าการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดในเอนโทรปีของระบบเปิดประกอบด้วยสองส่วน:

dS = d อี S + d ฉัน S.

เพื่อสร้างความแตกต่างให้กับนิพจน์นี้ เราได้รับ:

dS/dt = d e S/dt + d i S/dt

ผลลัพธ์ที่ได้หมายความว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบ dS/dt เท่ากับอัตราการแลกเปลี่ยนเอนโทรปีระหว่างระบบและสภาพแวดล้อม บวกกับอัตราการสร้างเอนโทรปีภายในระบบ

คำว่า d e S/dt ซึ่งคำนึงถึงกระบวนการแลกเปลี่ยนพลังงานกับสิ่งแวดล้อม อาจเป็นได้ทั้งเชิงบวกและเชิงลบ ดังนั้นเมื่อ d i S > 0 เอนโทรปีทั้งหมดของระบบสามารถเพิ่มหรือลดได้

ค่าลบ d e S/dt< 0 соответствует тому, что отток положительной энтропии от системы во внешнюю среду превышает приток положительной энтропии извне, так что в результате общая величина баланса обмена энтропией между системой и средой является отрицательной. Очевидно, что скорость изменения общей энтропии системы может быть отрицательной при условии:

ดีเอส/ดีที< 0 if d e S/dt < 0 and |d e S/dt| >ฉัน S/dt

ดังนั้นเอนโทรปีของระบบเปิดจึงลดลงเนื่องจากกระบวนการคอนจูเกตเกิดขึ้นในส่วนอื่น ๆ ของสภาพแวดล้อมภายนอกพร้อมกับการก่อตัวของเอนโทรปีเชิงบวก

สำหรับสิ่งมีชีวิตบนบก การแลกเปลี่ยนพลังงานโดยทั่วไปสามารถทำให้ง่ายขึ้นได้ โดยการก่อตัวของโมเลกุลคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อนจาก CO 2 และ H 2 O ในการสังเคราะห์ด้วยแสง ตามมาด้วยการย่อยสลายผลิตภัณฑ์สังเคราะห์ด้วยแสงในกระบวนการหายใจ การแลกเปลี่ยนพลังงานเป็นสิ่งที่รับประกันการดำรงอยู่และการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด - การเชื่อมโยงในวัฏจักรพลังงาน สิ่งมีชีวิตบนโลกโดยทั่วไปก็เช่นกัน

จากมุมมองนี้ การลดลงของเอนโทรปีของระบบสิ่งมีชีวิตในกระบวนการกิจกรรมของชีวิตในท้ายที่สุดนั้นเกิดจากการดูดกลืนควอนตัมแสงโดยสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสง ซึ่งอย่างไรก็ตาม ได้รับการชดเชยมากกว่าการก่อตัวของเอนโทรปีเชิงบวกใน ความลึกของดวงอาทิตย์ หลักการนี้ยังใช้กับสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดด้วย ซึ่งการจ่ายสารอาหารจากภายนอกซึ่งมีการไหลเข้าของเอนโทรปี "เชิงลบ" นั้นสัมพันธ์กับการผลิตเอนโทรปีเชิงบวกเสมอในระหว่างการก่อตัวในส่วนอื่น ๆ ของสภาพแวดล้อมภายนอก ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงโดยรวมของเอนโทรปีในสิ่งมีชีวิตของระบบ + สภาพแวดล้อมภายนอกจะเป็นค่าบวกเสมอ

ภายใต้สภาวะภายนอกคงที่ในระบบเปิดที่สมดุลบางส่วนในสถานะนิ่งใกล้กับสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ อัตราเอนโทรปีเพิ่มขึ้นเนื่องจากกระบวนการภายในที่ไม่สามารถย้อนกลับได้จะไปถึงค่าบวกขั้นต่ำคงที่ที่ไม่เป็นศูนย์

di S/dt => A นาที > 0

หลักการของการเพิ่มเอนโทรปีขั้นต่ำหรือทฤษฎีบทของพริโกจีนนี้เป็นเกณฑ์เชิงปริมาณในการกำหนดทิศทางทั่วไปของการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองในระบบเปิดที่ใกล้สมดุล

เงื่อนไขนี้สามารถแสดงได้แตกต่างออกไป:

d/dt (d ฉัน S/dt)< 0

ความไม่เท่าเทียมกันนี้บ่งบอกถึงความมั่นคงของสภาวะคงที่ แท้จริงแล้ว หากระบบอยู่ในสถานะหยุดนิ่ง ระบบจะไม่สามารถออกจากระบบได้เองเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงภายในที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ เมื่อระบบเบี่ยงเบนไปจากสภาวะคงที่ กระบวนการภายในกลับสู่สภาวะคงที่ซึ่งสอดคล้องกับหลักการของเลอชาเตอลิเยร์ - เสถียรภาพของสภาวะสมดุล กล่าวอีกนัยหนึ่ง การเบี่ยงเบนไปจากสภาวะคงตัวจะทำให้อัตราการผลิตเอนโทรปีเพิ่มขึ้น

โดยทั่วไป เอนโทรปีของระบบสิ่งมีชีวิตที่ลดลงเกิดขึ้นเนื่องจากพลังงานอิสระที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสลายสารอาหารที่ดูดซึมจากภายนอกหรือเนื่องจากพลังงานของดวงอาทิตย์ ในเวลาเดียวกันสิ่งนี้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของพลังงานอิสระ

ดังนั้นการไหลของเอนโทรปีเชิงลบจึงจำเป็นเพื่อชดเชยกระบวนการทำลายล้างภายในและการสูญเสียพลังงานอิสระเนื่องจากปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมที่เกิดขึ้นเอง โดยพื้นฐานแล้วเรากำลังพูดถึงการไหลเวียนและการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระซึ่งสนับสนุนการทำงานของระบบสิ่งมีชีวิต

เทคโนโลยีการวินิจฉัยบนพื้นฐานของความสำเร็จของชีวฟิสิกส์ควอนตัม

จากแนวคิดที่กล่าวถึงข้างต้น มีการพัฒนาแนวทางหลายประการที่ทำให้สามารถศึกษากิจกรรมทางหลอดเลือดดำของระบบทางชีววิทยาได้

วิธีเหล่านี้เป็นวิธีการทางสเปกตรัมเป็นหลักซึ่งจำเป็นต้องสังเกตเทคนิคการวัดค่าเรืองแสงภายในของ NADH และฟลาโวโปรตีนที่ถูกออกซิไดซ์ (FP) พร้อมกันซึ่งพัฒนาโดยทีมผู้เขียนภายใต้การนำของ V.O. ซาโมอิโลวา.

เทคนิคนี้มีพื้นฐานมาจากการใช้การออกแบบด้านการมองเห็นแบบดั้งเดิมที่พัฒนาโดย E.M. Brumberg ซึ่งทำให้สามารถวัดการเรืองแสง NADH ที่ความยาวคลื่น l = 460 nm (แสงสีฟ้า) ได้พร้อมกัน และ FP fluorescence ที่ความยาวคลื่น l = 520-530 nm (แสงสีเหลือง-เขียว) เมื่อตื่นเต้นด้วยแสงอัลตราไวโอเลต (l = 365 nm ).

ในคู่ผู้บริจาค-ผู้รับนี้ ผู้บริจาค p-อิเล็กตรอนจะเรืองแสงในรูปแบบรีดิวซ์ (NADH) และตัวรับจะเรืองแสงในรูปแบบออกซิไดซ์ (OP) โดยธรรมชาติแล้ว รูปแบบรีดิวซ์จะมีอิทธิพลเหนือกว่าในช่วงที่เหลือ และเมื่อกระบวนการออกซิเดชั่นเพิ่มขึ้น รูปแบบออกซิไดซ์จะมีอิทธิพลเหนือกว่า

เทคนิคนี้ถูกนำมาสู่ระดับการปฏิบัติของอุปกรณ์ส่องกล้องที่สะดวกสบายซึ่งทำให้สามารถพัฒนาการวินิจฉัยโรคมะเร็งของระบบทางเดินอาหาร, ต่อมน้ำเหลืองในระหว่างการผ่าตัดและผิวหนังได้ตั้งแต่เนิ่นๆ การประเมินระดับความมีชีวิตของเนื้อเยื่อระหว่างการผ่าตัดเพื่อการผ่าตัดแบบประหยัดถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

การวัดการไหลในหลอดเลือดดำยังให้คุณลักษณะแบบไดนามิกของระบบทางชีววิทยา นอกเหนือจากตัวบ่งชี้คงที่ เนื่องจากช่วยให้สามารถทดสอบการทำงานและตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่างขนาดยาและผลกระทบของยาได้ ซึ่งให้การวินิจฉัยการทำงานที่เชื่อถือได้ในคลินิก และทำหน้าที่เป็นเครื่องมือสำหรับการศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับกลไกที่ใกล้ชิดของการเกิดโรค

วิธีการแสดงภาพการปล่อยก๊าซ (GDV) สามารถนำมาประกอบกับทิศทางของชีวฟิสิกส์ควอนตัมได้เช่นกัน การกระตุ้นการปล่อยอิเล็กตรอนและโฟตอนจากพื้นผิวเกิดขึ้นเนื่องจากพัลส์สั้น (10 μs) ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EMF) ตามที่แสดงการวัดโดยใช้ออสซิลโลสโคปแบบพัลส์พร้อมหน่วยความจำ ในระหว่างการทำงานของพัลส์ EMF ชุดของพัลส์กระแส (และเรืองแสง) ที่มีระยะเวลาประมาณ 10 ns แต่ละชุดจะพัฒนาขึ้น

การพัฒนาของพัลส์เกิดจากการแตกตัวของโมเลกุลของตัวกลางที่เป็นก๊าซเนื่องจากอิเล็กตรอนและโฟตอนที่ปล่อยออกมาการสลายของพัลส์นั้นสัมพันธ์กับกระบวนการชาร์จพื้นผิวอิเล็กทริกและลักษณะของการไล่ระดับ EMF ที่ตรงข้ามกับต้นฉบับ สนาม. เมื่อชุดของพัลส์ EMF กระตุ้นถูกป้อนด้วยอัตราการทำซ้ำที่ 1,000 เฮิรตซ์ กระบวนการปล่อยก๊าซจะพัฒนาในช่วงระยะเวลาของแต่ละพัลส์

การสังเกตทางโทรทัศน์เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวของการเรืองแสงของพื้นที่ของผิวหนังเส้นผ่านศูนย์กลางหลายมิลลิเมตรและการเปรียบเทียบรูปแบบการเรืองแสงในแต่ละพัลส์แรงดันไฟฟ้าแบบเฟรมต่อเฟรมบ่งบอกถึงการเกิดขึ้นของศูนย์การปล่อยที่จุดเดียวกันของผิวหนัง . เอนโทรปีทางชีวภาพโปรตีน

ในช่วงเวลาสั้น ๆ - 10 ns - กระบวนการกำจัดไอออนในเนื้อเยื่อไม่มีเวลาในการพัฒนาดังนั้นกระแสอาจเกิดจากการขนส่งอิเล็กตรอนผ่านคอมเพล็กซ์โครงสร้างของผิวหนังหรือเนื้อเยื่อชีวภาพอื่น ๆ ที่กำลังศึกษาซึ่งรวมอยู่ในการศึกษา วงจรการไหลของพัลส์ กระแสไฟฟ้า- เนื้อเยื่อชีวภาพมักจะแบ่งออกเป็นตัวนำ (ของเหลวที่นำไฟฟ้าเป็นหลัก) และไดอิเล็กทริก

เพื่ออธิบายผลกระทบของการปล่อยอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้น จำเป็นต้องพิจารณากลไกการขนส่งอิเล็กตรอนผ่านโครงสร้างที่ไม่นำไฟฟ้า มีการแสดงแนวคิดหลายครั้งเพื่อใช้แบบจำลองการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์กับเนื้อเยื่อชีวภาพ แบบจำลองเซมิคอนดักเตอร์ของการอพยพของอิเล็กตรอนในระยะทางระหว่างโมเลกุลขนาดใหญ่ตามแนวการนำไฟฟ้าเข้า ตาข่ายคริสตัลเป็นที่รู้จักและใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านฟิสิกส์และเทคโนโลยี

ตามแนวคิดสมัยใหม่ แนวคิดเซมิคอนดักเตอร์ยังไม่ได้รับการยืนยันสำหรับระบบทางชีววิทยา ในปัจจุบัน แนวคิดของการขนส่งอิเล็กตรอนแบบอุโมงค์ระหว่างโมเลกุลของตัวพาโปรตีนแต่ละตัวที่แยกออกจากกันด้วยอุปสรรคด้านพลังงานกำลังดึงดูดความสนใจมากที่สุดในสาขานี้

กระบวนการขนส่งอิเล็กตรอนในอุโมงค์ได้รับการศึกษาอย่างดีจากการทดลองและสร้างแบบจำลองโดยใช้ตัวอย่างการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปตามสายโซ่โปรตีน กลไกอุโมงค์ทำให้เกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเบื้องต้นระหว่างกลุ่มผู้บริจาคและผู้รับในโปรตีนที่อยู่ห่างจากกันประมาณ 0.5 - 1.0 นาโนเมตร อย่างไรก็ตาม มีตัวอย่างมากมายที่อิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนไปยังโปรตีนในระยะทางที่ไกลกว่ามาก

สิ่งสำคัญคือในกรณีนี้ การถ่ายโอนเกิดขึ้นไม่เพียงแต่ภายในโมเลกุลโปรตีนโมเลกุลเดียวเท่านั้น แต่ยังอาจเกี่ยวข้องกับอันตรกิริยาของโมเลกุลโปรตีนต่างๆ อีกด้วย ดังนั้นในปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างไซโตโครม c และไซโตโครมออกซิเดสและไซโตโครม b5 ปรากฎว่าระยะห่างระหว่างอัญมณีของโปรตีนที่ทำปฏิกิริยากันนั้นมากกว่า 2.5 นาโนเมตร เวลาลักษณะเฉพาะของการถ่ายโอนอิเล็กตรอนคือ 10 -11 - 10 -6 วินาที ซึ่งสอดคล้องกับเวลาการพัฒนาของเหตุการณ์การปล่อยอิเล็กตรอนเดี่ยวในวิธี GDV

ค่าการนำไฟฟ้าของโปรตีนอาจมีลักษณะเป็นสารเจือปน จากข้อมูลการทดลอง ค่าการเคลื่อนที่ u [m 2 /(V cm)] ในสนามไฟฟ้ากระแสสลับคือ ~ 1*10 -4 สำหรับไซโตโครม และ ~ 2*10 -4 สำหรับฮีโมโกลบิน โดยทั่วไปปรากฎว่าสำหรับโปรตีนส่วนใหญ่การนำเกิดขึ้นเนื่องจากการกระโดดของอิเล็กตรอนระหว่างสถานะผู้บริจาคและผู้รับที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นโดยแยกจากกันด้วยระยะทางหลายสิบนาโนเมตร ขั้นตอนการจำกัดในกระบวนการถ่ายโอนไม่ใช่การเคลื่อนที่ของประจุไปตามสถานะปัจจุบัน แต่เป็นกระบวนการผ่อนคลายในตัวผู้บริจาคและผู้รับ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีความเป็นไปได้ที่จะคำนวณโครงร่างที่แท้จริงของ "เส้นทางอิเล็กตรอน" ประเภทนี้ในโปรตีนจำเพาะ ในแบบจำลองเหล่านี้ สภาพแวดล้อมของโปรตีนระหว่างผู้ให้และผู้รับจะถูกแบ่งออกเป็นบล็อกที่แยกจากกัน ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยโควาเลนต์และ พันธะไฮโดรเจนเช่นเดียวกับปฏิสัมพันธ์ที่ไม่มีพันธะที่ระยะทางตามลำดับรัศมีฟานเดอร์วาลส์ ดังนั้นเส้นทางของอิเล็กตรอนจึงดูเหมือนจะเป็นการรวมกันของออร์บิทัลของอะตอมอิเล็กตรอนที่ทำให้เกิดค่าขององค์ประกอบเมทริกซ์ในอันตรกิริยาของฟังก์ชันคลื่นของส่วนประกอบต่างๆ มากที่สุด

ในเวลาเดียวกัน เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าเส้นทางการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่เฉพาะเจาะจงไม่ได้รับการแก้ไขอย่างเคร่งครัด ขึ้นอยู่กับสถานะการยืนยันของโปรตีนโกลบูลและสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามสภาวะที่ต่างกัน

งานของ Marcus ได้พัฒนาแนวทางที่พิจารณาไม่เพียงแต่วิถีการถ่ายโอนที่เหมาะสมที่สุดในโปรตีนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงชุดของวิถีเหล่านั้นด้วย เมื่อคำนวณค่าคงที่การถ่ายโอน วงโคจรของอะตอมที่มีปฏิกิริยาทางอิเล็กทรอนิกส์จำนวนหนึ่งของกรดอะมิโนที่ตกค้างของโปรตีนระหว่างกลุ่มผู้บริจาคและกลุ่มผู้รับ ซึ่งมีส่วนสนับสนุนมากที่สุดต่อปฏิกิริยาระหว่างการแลกเปลี่ยนซุปเปอร์ถูกนำมาพิจารณาด้วย ปรากฎว่าสำหรับโปรตีนแต่ละตัวมีความแม่นยำมากขึ้น การพึ่งพาเชิงเส้นกว่าเมื่อคำนึงถึงวิถีเดียว

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ในโครงสร้างชีวภาพนั้นไม่เพียงสัมพันธ์กับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับการย้ายพลังงานกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์ด้วยซึ่งไม่ได้มาพร้อมกับการกำจัดอิเล็กตรอนออกจากโมเลกุลของผู้บริจาค ตามแนวคิดสมัยใหม่ สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับระบบทางชีววิทยาคือกลไกอุปนัย-เรโซแนนซ์ การแลกเปลี่ยนเรโซแนนซ์ และกลไก excitonic ของการถ่ายโอนการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์ กระบวนการเหล่านี้มีความสำคัญเมื่อพิจารณาถึงกระบวนการถ่ายโอนพลังงานผ่านเชิงซ้อนของโมเลกุลซึ่งตามกฎแล้วจะไม่มาพร้อมกับการถ่ายโอนประจุ

บทสรุป

แนวคิดที่ได้รับการพิจารณาแสดงให้เห็นว่าแหล่งกักเก็บหลักของพลังงานอิสระในระบบชีวภาพคือสภาวะตื่นเต้นทางอิเล็กทรอนิกส์ของสารเชิงซ้อนเชิงโมเลกุลที่ซับซ้อน สถานะเหล่านี้ได้รับการบำรุงรักษาอย่างต่อเนื่องเนื่องจากการหมุนเวียนของอิเล็กตรอนในชีวมณฑลซึ่งแหล่งที่มาคือพลังงานแสงอาทิตย์และ "สารทำงาน" หลักคือน้ำ รัฐบางแห่งถูกใช้เพื่อให้แน่ใจว่าแหล่งพลังงานในปัจจุบันของร่างกาย บางแห่งสามารถเก็บไว้ได้ในอนาคต เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในเลเซอร์หลังจากการดูดซับชีพจรของปั๊ม

การไหลของกระแสไฟฟ้าแบบพัลซิ่งในเนื้อเยื่อชีวภาพที่ไม่นำไฟฟ้าสามารถทำได้โดยการถ่ายโอนระหว่างโมเลกุลของอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นผ่านกลไกเอฟเฟกต์อุโมงค์ที่มีการกระโดดของอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นในบริเวณที่สัมผัสกันระหว่างโมเลกุลขนาดใหญ่

ดังนั้นจึงสันนิษฐานได้ว่าการก่อตัวของคอมเพล็กซ์โครงสร้างโปรตีนจำเพาะในความหนาของหนังกำพร้าและชั้นหนังแท้ของผิวหนังช่วยให้มั่นใจได้ถึงการก่อตัวของช่องทางการนำไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้นโดยวัดการทดลองบนพื้นผิวของหนังกำพร้าเป็นจุดเจาะด้วยไฟฟ้า

ตามสมมุติฐานเราสามารถสันนิษฐานได้ว่ามีช่องดังกล่าวอยู่ในความหนาของเนื้อเยื่อเกี่ยวพันซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับเส้นเมอริเดียน "พลังงาน" กล่าวอีกนัยหนึ่ง แนวคิดเรื่องการถ่ายโอน "พลังงาน" ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของแนวคิดเกี่ยวกับการแพทย์ตะวันออกและการที่กระทบกระเทือนต่อหูของบุคคลที่มีการศึกษาในยุโรป สามารถเชื่อมโยงกับการขนส่งของรัฐที่ตื่นเต้นทางอิเล็กทรอนิกส์ผ่านคอมเพล็กซ์โปรตีนโมเลกุล

หากจำเป็นต้องทำงานทางร่างกายหรือจิตใจในระบบของร่างกายที่กำหนด อิเล็กตรอนที่กระจายในโครงสร้างโปรตีนจะถูกส่งไปยังตำแหน่งที่กำหนดและจัดให้มีกระบวนการออกซิเดชั่นฟอสโฟรีเลชั่น นั่นคือการจัดหาพลังงานสำหรับการทำงานของระบบท้องถิ่น

ดังนั้นร่างกายจึงสร้าง "คลังพลังงาน" อิเล็กทรอนิกส์ที่รองรับการทำงานในปัจจุบันและเป็นพื้นฐานสำหรับการปฏิบัติงานที่ต้องใช้ทรัพยากรพลังงานจำนวนมหาศาลในทันทีหรือเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขของภาระที่สูงมาก เช่น ลักษณะเฉพาะของกีฬาอาชีพ

การปล่อยพัลส์แบบกระตุ้นยังพัฒนาส่วนใหญ่เนื่องมาจากการขนส่งของ p-อิเล็กตรอนที่ถูกแยกส่วน ซึ่งรับรู้ในเนื้อเยื่อที่ไม่นำไฟฟ้าผ่านกลไกการขุดอุโมงค์ของการถ่ายโอนอิเล็กตรอน สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าวิธี GDV ทำให้สามารถตัดสินระดับพลังงานสำรองทางอ้อมในระดับโมเลกุลของการทำงานของโปรตีนเชิงซ้อนที่มีโครงสร้างได้

บรรณานุกรม

1. Goldstein N.I., Goldstein R.H., Merzlyak M.N. 2535. ไอออนอากาศเชิงลบเป็นแหล่งของซูเปอร์ออกไซด์. นานาชาติ เจ. Biometeorol., V. 36., หน้า. 118-122.

2. ข่าน, อ. และ Wilson T. Reactive Oxygen Species เป็นผู้ส่งสารคนที่สอง เคมี. ไบโอล 1995.2:437-445.

3. โคลดูนอฟ วี.วี., โคโนนอฟ ดี.เอส., โวเอคอฟ วี.แอล. การแกว่งของเคมีเรืองแสงอย่างต่อเนื่องในระหว่างปฏิกิริยา Maillard ในสารละลายน้ำของกรดอะมิโนและโมโนแซ็กคาไรด์ ใน: เคมีเรืองแสงในช่วงเปลี่ยนผ่านของสหัสวรรษ. Stephen Albrecht, Tomas Zimmerman และ Herbert Brandl (บรรณาธิการ) SCHWEDA-WEBERDRUCK GmbH, Druckerei & Verlag, Dresden, 2001, หน้า 59-64.

4. Mullarkey CJ, Edelstein D, Brownlee M การสร้างอนุมูลอิสระโดยผลิตภัณฑ์ glycation ช่วงแรก: กลไกในการเร่งการสร้างหลอดเลือดในโรคเบาหวาน Biochem Biophys Res ชุมชน 1990 31 ธ.ค. 173:3 932-9

5. Novikov C.N., Voeikov V.L., Asfaramov R.R., Vilenskaya N.D. การศึกษาเปรียบเทียบลักษณะเฉพาะของฉากเคมีในเลือดมนุษย์ที่ไม่เจือจางและนิวโทรฟิลที่แยกเดี่ยว ใน: เคมีเรืองแสงในช่วงเปลี่ยนผ่านของสหัสวรรษ. Stephen Albrecht, Tomas Zimmerman และ Herbert Brandl (บรรณาธิการ) SCHWEDA-WEBERDRUCK GmbH, Druckerei & Verlag, Dresden, 2001, หน้า 130-135.

6. Sauer H., Wartenberg M, Hescheler J. (2001) สายพันธุ์ออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาในฐานะผู้ส่งสารในเซลล์ระหว่างการเจริญเติบโตและการสร้างความแตกต่างของเซลล์ เซลล์ฟิสิออลไบโอเคม;11:173-186.

7. Tiller W. เกี่ยวกับวิวัฒนาการของเครื่องมือวินิจฉัยด้วยไฟฟ้า เจแห่งความก้าวหน้าด้านการแพทย์ 1.1, (1988), หน้า. 41-72.

8. วเลสซิส เอเอ; บาร์ตอส ดี; มุลเลอร์พี; Trunkey DD บทบาทของ O2 ปฏิกิริยาในภาวะเมแทบอลิซึมที่เกิดจาก phagocyte และการบาดเจ็บที่ปอด เจ Appl Physiol 1995 78:1, 112

9. Voeikov V. สายพันธุ์ออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยา น้ำ โฟตอน และชีวิต // Rivista di Biologia/ฟอรัมชีววิทยา 94 (2001), หน้า. 193-214

10. โวเอคอฟ วี.แอล. บทบาทที่เป็นประโยชน์ของสายพันธุ์ออกซิเจนที่เกิดปฏิกิริยา // "Russian Journal of Gastroenterology, Hepatology, Coloproctology" 2544, เล่ม XI, หมายเลข 4, หน้า 128-135

11. โวเอคอฟ วี.แอล. หน้าที่ควบคุมของสายพันธุ์ออกซิเจนที่เกิดปฏิกิริยาในเลือดและในระบบแบบจำลองทางน้ำ วิทยานิพนธ์บทคัดย่อเพื่อการแข่งขัน ระดับวิทยาศาสตร์วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต ม.ม. 2546

12. Korotkov K. G. ความรู้พื้นฐานของไฟฟ้าชีวภาพ GDV ศิลปะ. เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก SPbGITMO. 2544.

13. Lukyanova L.D., Balmukhanov B.S., Ugolev A.T. กระบวนการที่อาศัยออกซิเจนในเซลล์และสถานะการทำงานของเซลล์ อ.: เนากา, 2525

14. รูบิน เอ.บี. ชีวฟิสิกส์ ม. บ้านหนังสือ "มหาวิทยาลัย". 1999.

15. Samoilov V.O. วงจรอิเล็กทรอนิกส์แห่งชีวิต ศิลปะ. เซนต์ปีเตอร์สเบิร์กสถาบันสรีรวิทยา RAS 2544.

16. Samoilov V.O. ชีวฟิสิกส์การแพทย์ เลนินกราด วีเอ็มเอ. 1986.

18. ชิเจฟสกี้ เอ.แอล. แอโรออนและชีวิต เอ็ม คิด. 1999

โพสต์บน Allbest.ru

เอกสารที่คล้ายกัน

ความหมายทางกายภาพของการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี ลักษณะการจัดองค์กรตนเองในโครงสร้างกระจาย ลักษณะเด่นของวิวัฒนาการในระบบสังคมและมนุษยธรรม สาระสำคัญของกระบวนการสลับพลังงานประเภทต่างๆ สมดุลทางอุณหพลศาสตร์

ทดสอบเพิ่มเมื่อ 19/04/2558


แนวคิดและคุณสมบัติของผลตอบรับ ความแพร่หลาย และความสำคัญของสัตว์ป่า เทคโนโลยี และสังคม สาระสำคัญของทฤษฎีการเชื่อมต่อแบบคู่เป็นส่วนสำคัญของการควบคุมในระบบสิ่งมีชีวิต คุณสมบัติที่โดดเด่นของการเชื่อมต่อเชิงบวกและเชิงลบ

บทคัดย่อเพิ่มเมื่อ 27/06/2010


แนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างการจัดองค์กรของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนของไมโตคอนเดรียและตัวแปลงโมเลกุลในเซลล์ บทบาทของความผิดปกติของพลังงานในการพัฒนาพยาธิวิทยา กลไกระดับโมเลกุลพื้นฐานของการใช้พลังงานโดยเซลล์ที่มีชีวิต

ทดสอบเพิ่มเมื่อ 23/02/2014


เอนโทรปีเป็นการวัดความไม่แน่นอน การวัดความโกลาหล และความหมายทางกายภาพ เอนโทรปีในอุณหพลศาสตร์เป็นการวัดการกระจายพลังงานที่ไม่สามารถย้อนกลับได้และเป็นหน้าที่ของสถานะของระบบอุณหพลศาสตร์ เอนโทรปีของจักรวาล เอนโทรปีและข้อมูล แนวคิดเรื่องเนเจนโทรปี

บทคัดย่อ เพิ่มเมื่อ 24/03/2010


ความร้อนและเอนโทรปี เข้าใจยาก ความหมายทางกายภาพเอนโทรปี เอนโทรปีของจักรวาล ทฤษฎีการตายด้วยความร้อน ขอบเขตของการประยุกต์กฎอุณหพลศาสตร์ เอนโทรปีเป็นฟังก์ชันของสถานะของระบบอุณหพลศาสตร์เพื่ออธิบายวิวัฒนาการของระบบจริง

บทคัดย่อ เพิ่มเมื่อ 11/18/2552


แก่นแท้ของแนวคิดเรื่อง "พลังงานชีวภาพ" คุณสมบัติที่สำคัญมีชีวิตอยู่. การเผาผลาญและพลังงานภายนอกและระดับกลาง เมแทบอลิซึม: แนวคิด, หน้าที่ การเปลี่ยนแปลงทาง catabolic สามขั้นตอนของสารอาหารพื้นฐานในเซลล์ ความแตกต่างระหว่างแคแทบอลิซึมและแอแนบอลิซึม

การนำเสนอเพิ่มเมื่อ 01/05/2014


การออกแบบและสร้างระบบชีวภาพใหม่ๆ ที่ไม่พบในธรรมชาติ วิธีการสังเคราะห์เทียม โมเลกุลอินทรีย์มีบทบาทบางอย่างในระบบสิ่งมีชีวิต การดัดแปลงพันธุกรรมของแบคทีเรียโดยใช้เทคโนโลยีรีคอมบิแนนท์ดีเอ็นเอ

การนำเสนอเพิ่มเมื่อ 11/14/2016


ลักษณะทั่วไปของลูกโซ่ทางเดินหายใจในฐานะระบบของโปรตีนเมมเบรนและตัวพาอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างและเชิงหน้าที่ การจัดระเบียบของห่วงโซ่การหายใจในไมโตคอนเดรีย บทบาทของห่วงโซ่การหายใจในการดักจับพลังงาน วัตถุประสงค์และเป้าหมายของสารยับยั้ง

บทคัดย่อเพิ่มเมื่อ 29/06/2014


แนวคิดเรื่องเอนโทรปีเป็นเครื่องวัดความโกลาหล หลักการ และสถานที่ในประวัติศาสตร์ของการพัฒนาฟิสิกส์คลาสสิก ลักษณะทั่วไปของการก่อตัวของโครงสร้างที่มีความซับซ้อนเพิ่มขึ้น การวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างนิเวศวิทยาและวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ การประเมินสถานการณ์สิ่งแวดล้อมในโนโวซีบีสค์

บทคัดย่อ เพิ่มเมื่อ 21/10/2010


ขั้นตอนของการกำเนิดสิ่งมีชีวิตบนโลกการปรากฏตัวของสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตและยูคาริโอตตัวแรก กระบวนการวิวัฒนาการของยูคาริโอตจากโครงสร้างร่างกายเซลล์เดียวไปสู่หลายเซลล์ คุณสมบัติพื้นฐานและการสำแดงของชีวิต รูปแบบของการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี

สูตรกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในฟิสิกส์ที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไประบุว่าใน ระบบปิดพลังงานมีแนวโน้มที่จะกระจายเท่าๆ กัน เช่น ระบบมีแนวโน้มที่จะมีสภาวะเอนโทรปีสูงสุด

คุณลักษณะที่โดดเด่นของร่างกายสิ่งมีชีวิต ระบบนิเวศ และชีวมณฑลโดยรวมคือความสามารถในการสร้างและรักษาระเบียบภายในระดับสูง เช่น รัฐที่มีเอนโทรปีต่ำ แนวคิด เอนโทรปีแสดงถึงลักษณะของพลังงานรวมของระบบที่ไม่สามารถนำไปใช้ผลิตงานได้ ต่างจากพลังงานฟรีที่สลายตัวเป็นพลังงานสิ้นเปลือง ถ้าเราแทนพลังงานอิสระด้วย เอฟและเอนโทรปีผ่าน สแล้วพลังงานทั้งหมดของระบบ อีจะเท่ากับ:

E=F+สท;

โดยที่ T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ในหน่วยเคลวิน

ตามคำจำกัดความของนักฟิสิกส์ อี. ชโรดิงเงอร์: “ชีวิตคือพฤติกรรมที่เป็นระเบียบและสม่ำเสมอของสสาร ซึ่งไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับแนวโน้มเดียวที่จะเปลี่ยนจากความเป็นระเบียบไปสู่ความไม่เป็นระเบียบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการดำรงอยู่ของความเป็นระเบียบบางส่วนด้วย ซึ่งคงอยู่ตลอดเวลา .. - ... หมายถึงด้วยความช่วยเหลือที่สิ่งมีชีวิตรักษาตัวเองอย่างต่อเนื่องในระดับที่สูงเพียงพอ (และในระดับเอนโทรปีที่ต่ำเพียงพอ) ในความเป็นจริงประกอบด้วยการดึงลำดับออกจากสิ่งแวดล้อมอย่างต่อเนื่อง”

ในสัตว์ชั้นสูงเราตระหนักดีถึงประเภทของความเป็นระเบียบเรียบร้อยในการให้อาหารของพวกมัน กล่าวคือ สถานะของสสารที่เป็นระเบียบอย่างมากในสารประกอบอินทรีย์ที่ซับซ้อนไม่มากก็น้อยทำหน้าที่เป็นอาหารของมัน หลังการใช้งาน สัตว์จะส่งสารเหล่านี้กลับคืนมาในรูปแบบที่เสื่อมโทรมมาก อย่างไรก็ตาม จะไม่สลายตัวทั้งหมด เนื่องจากสารเหล่านี้ยังสามารถถูกดูดซึมโดยพืชได้

สำหรับพืช แหล่งที่มาอันทรงพลังของ "เอนโทรปีเชิงลบ" คือ negentropy -คือแสงแดด

คุณสมบัติของระบบสิ่งมีชีวิตในการดึงลำดับออกจากสภาพแวดล้อมทำให้นักวิทยาศาสตร์บางคนมีเหตุผลในการสรุปว่าสำหรับระบบเหล่านี้ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ไม่เป็นที่พอใจ อย่างไรก็ตาม กฎข้อที่สองยังมีอีกข้อกำหนดทั่วไปที่มากกว่า ซึ่งใช้ได้กับระบบเปิด รวมถึงระบบที่มีชีวิตด้วย เธอพูดอย่างนั้น ประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นเองจะน้อยกว่าเสมอ 100%. ตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ การรักษาชีวิตบนโลกโดยไม่ต้องใช้พลังงานแสงอาทิตย์เข้ามานั้นเป็นไปไม่ได้

ให้เรากลับมาที่อี. ชโรดิงเงอร์อีกครั้ง: “ทุกสิ่งที่เกิดขึ้นในธรรมชาติหมายถึงการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีในส่วนของจักรวาลที่ซึ่งสิ่งนี้เกิดขึ้น ในทำนองเดียวกัน สิ่งมีชีวิตจะเพิ่มเอนโทรปีของมันอย่างต่อเนื่อง หรือสร้างเอนโทรปีเชิงบวก และเข้าใกล้สภาวะที่เป็นอันตราย - เอนโทรปีสูงสุด ซึ่งแสดงถึงความตาย เขาสามารถหลีกเลี่ยงสภาวะนี้ได้เช่น มีชีวิตอยู่ได้โดยการแยกเอนโทรปีเชิงลบออกจากสิ่งแวดล้อมอย่างต่อเนื่องเท่านั้น”

การถ่ายโอนพลังงานในระบบนิเวศและการสูญเสีย

ดังที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าการถ่ายโอนพลังงานอาหารจากแหล่งกำเนิด - พืช - ผ่านสิ่งมีชีวิตจำนวนหนึ่งซึ่งเกิดจากการกินสิ่งมีชีวิตบางชนิดโดยผู้อื่นนั้นจะต้องผ่านห่วงโซ่อาหาร ในการถ่ายโอนแต่ละครั้ง พลังงานศักย์ส่วนใหญ่ (80-90%) จะสูญเสียไปและกลายเป็นความร้อน การเปลี่ยนไปใช้ลิงก์ถัดไปจะช่วยลดพลังงานที่มีอยู่ประมาณ 10 เท่า พีระมิดพลังงานนิเวศจะแคบลงที่ด้านบนเสมอ เนื่องจากพลังงานจะสูญเสียไปในแต่ละระดับถัดไป (รูปที่ 1)

ประสิทธิภาพของระบบธรรมชาติต่ำกว่าประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องยนต์อื่นๆ มาก ในระบบการดำรงชีวิต "เชื้อเพลิง" จำนวนมากถูกใช้ไปกับ "การซ่อมแซม" ซึ่งไม่ได้นำมาพิจารณาเมื่อคำนวณประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ การเพิ่มประสิทธิภาพของระบบชีวภาพใด ๆ ส่งผลให้มีต้นทุนเพิ่มขึ้นในการดูแลรักษาให้อยู่ในสภาพคงที่ ระบบนิเวศสามารถเปรียบเทียบได้กับเครื่องจักรซึ่งคุณไม่สามารถ "บีบ" มากเกินกว่าที่จะส่งมอบได้ มักจะมีขีดจำกัดอยู่เสมอ หลังจากนั้นกำไรจากประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นจะถูกลบล้างด้วยต้นทุนที่เพิ่มขึ้นและความเสี่ยงที่ระบบล่มสลาย การกำจัดโดยตรงโดยมนุษย์หรือสัตว์ที่มีการเจริญเติบโตของพืชมากกว่า 30-50% ต่อปีสามารถลดความสามารถของระบบนิเวศในการต้านทานความเครียดได้

หนึ่งในข้อจำกัดของชีวมณฑลคือการผลิตการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยรวม และบุคคลจะต้องปรับความต้องการของเขาจนกว่าจะสามารถพิสูจน์ได้ว่าการดูดซับพลังงานผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมากโดยไม่ทำลายความสมดุลของสิ่งอื่นที่สำคัญกว่า ทรัพยากรในวงจรชีวิต ขณะนี้พลังงานรังสีเพียงประมาณครึ่งหนึ่งเท่านั้นที่ถูกดูดซับ (ส่วนใหญ่อยู่ในส่วนที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม) และอย่างน้อยที่สุดประมาณ 5% - ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด พลังงานนั้นจะถูกแปลงเป็นผลจากการสังเคราะห์ด้วยแสง

ข้าว. 1. ปิรามิดแห่งพลังงาน E - พลังงานที่ปล่อยออกมาพร้อมกับสารเมตาบอไลต์ D = การตายตามธรรมชาติ; W—อุจจาระ; R - การหายใจ

ในระบบนิเวศเทียม เพื่อให้ได้รับผลผลิตที่มากขึ้น ผู้คนถูกบังคับให้ใช้พลังงานเพิ่มเติม มันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเกษตรเชิงอุตสาหกรรมเนื่องจากพืชผลที่สร้างขึ้นมาเพื่อมันต้องการโดยเฉพาะ “การเกษตรแบบอุตสาหกรรม (ที่ขับเคลื่อนด้วยฟอสซิล) (ดังที่ปฏิบัติในญี่ปุ่น) สามารถให้ผลผลิตต่อเฮกตาร์สูงกว่าการเกษตรถึง 4 เท่า ซึ่งงานทั้งหมดทำโดยคนและสัตว์เลี้ยง (เช่นในอินเดีย) แต่ต้องใช้รายจ่ายมากกว่า 10 เท่าของ ทรัพยากรและพลังงานประเภทต่างๆ”

การปิดวงจรการผลิตตามพารามิเตอร์เอนโทรปีพลังงานนั้นเป็นไปไม่ได้ในทางทฤษฎีเนื่องจากการไหลของกระบวนการพลังงาน (ตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์) จะมาพร้อมกับการย่อยสลายพลังงานและการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีของสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ การกระทำของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์แสดงออกมาในความจริงที่ว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานดำเนินไปในทิศทางเดียว ตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัฏจักรของสาร

ขณะนี้เรากำลังเห็นว่าระดับองค์กรและความหลากหลายเพิ่มขึ้น ระบบวัฒนธรรมลดเอนโทรปีของมัน แต่เพิ่มเอนโทรปีของสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติโดยรอบ ทำให้เกิดการย่อยสลาย ผลที่ตามมาของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สามารถกำจัดไปได้มากเพียงใด? มีสองวิธี

วิธีแรกคือการลดการสูญเสียพลังงานที่มนุษย์ใช้ระหว่างการเปลี่ยนแปลงต่างๆ เส้นทางนี้มีประสิทธิภาพในระดับที่ไม่ทำให้ความเสถียรของระบบลดลงซึ่งพลังงานไหลผ่าน (ดังที่ทราบกันดีในระบบนิเวศการเพิ่มจำนวนระดับโภชนาการจะช่วยเพิ่มความมั่นคง แต่ ในขณะเดียวกันก็มีส่วนทำให้สูญเสียพลังงานที่ไหลผ่านระบบเพิ่มขึ้น )

วิธีที่สองประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงจากการเพิ่มความเป็นระเบียบเรียบร้อยของระบบวัฒนธรรมไปสู่การเพิ่มความเป็นระเบียบเรียบร้อยของชีวมณฑลทั้งหมด สังคมในกรณีนี้จะเพิ่มการจัดระเบียบของสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติโดยลดการจัดระเบียบของส่วนหนึ่งของธรรมชาติที่อยู่นอกชีวมณฑลของโลก

การเปลี่ยนแปลงของสารและพลังงานในชีวมณฑลเป็นระบบเปิด

ความสำคัญพื้นฐานสำหรับการทำความเข้าใจพลวัตของกระบวนการชีวมณฑลและการแก้ปัญหาเชิงสร้างสรรค์เฉพาะเจาะจง ปัญหาสิ่งแวดล้อมมีทฤษฎีและวิธีการของระบบเปิดซึ่งเป็นหนึ่งในความสำเร็จที่สำคัญที่สุดของศตวรรษที่ 20

ตามทฤษฎีคลาสสิกของอุณหพลศาสตร์ ระบบทางกายภาพและระบบอื่นๆ ของธรรมชาติที่ไม่มีชีวิตวิวัฒนาการไปในทิศทางที่เพิ่มความผิดปกติ การทำลายล้าง และความระส่ำระสาย ในเวลาเดียวกัน การวัดพลังงานของความระส่ำระสายซึ่งแสดงโดยเอนโทรปี มีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง คำถามเกิดขึ้น: ธรรมชาติที่มีชีวิตซึ่งมีระบบวิวัฒนาการมีแนวโน้มที่จะปรับปรุงและทำให้องค์กรซับซ้อน เกิดขึ้นจากธรรมชาติที่ไม่มีชีวิตซึ่งระบบมีแนวโน้มที่จะไม่เป็นระเบียบได้อย่างไร นอกจากนี้ในสังคมโดยรวมยังมีความก้าวหน้าอย่างเห็นได้ชัด ด้วยเหตุนี้ แนวคิดดั้งเดิมของฟิสิกส์คลาสสิก - แนวคิดของระบบปิดหรือระบบแยกเดี่ยวไม่ได้สะท้อนถึงความเป็นจริง และขัดแย้งอย่างชัดเจนกับผลการวิจัยทางชีววิทยาและสังคมศาสตร์ (เช่น การพยากรณ์ที่มืดมนของ "การตายด้วยความร้อน" ของ จักรวาล). และเป็นเรื่องปกติที่ในทศวรรษ 1960 อุณหพลศาสตร์ใหม่ (ไม่เชิงเส้น) ปรากฏขึ้นตามแนวคิดของกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ สถานที่ของระบบปิดและโดดเดี่ยวอยู่ในนั้นถูกครอบครองโดยแนวคิดพื้นฐานที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานของระบบเปิดซึ่งสามารถแลกเปลี่ยนสสารพลังงานและข้อมูลกับสิ่งแวดล้อมได้

วิธีการที่สิ่งมีชีวิตคงรักษาตัวเองไว้ในลำดับที่สูงเพียงพอ (และในระดับเอนโทรปีที่ต่ำเพียงพอ) แท้จริงแล้วประกอบด้วยการแยกลำดับออกจากสิ่งแวดล้อมอย่างต่อเนื่องระบบเปิด จึงกู้ยืมจากภายนอกไม่ว่าจะเป็นสารใหม่หรือพลังงานสด และในขณะเดียวกันก็ปล่อยสารใช้แล้วและพลังงานเหลือทิ้งออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอก กล่าวคือ เธอไม่สามารถปิดอยู่ได้ ระบบเปิดไม่สามารถอยู่ในสมดุลได้เนื่องจากต้องใช้พลังงานอย่างต่อเนื่องหรือสารที่อุดมไปด้วยจากสภาพแวดล้อมภายนอก ตามคำกล่าวของ E. Schrödinger เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ดังกล่าว ระบบดึงคำสั่งจากสิ่งแวดล้อมและทำให้เกิดความไม่เป็นระเบียบเข้าไป

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบนิเวศ

หากมีการเชื่อมต่อระหว่างสองระบบก็เป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนเอนโทรปีจากระบบหนึ่งไปอีกระบบหนึ่งซึ่งเวกเตอร์จะถูกกำหนดโดยค่าของศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ นี่คือจุดที่ความแตกต่างเชิงคุณภาพระหว่างระบบแยกและระบบเปิดเข้ามามีบทบาท ในระบบโดดเดี่ยว สถานการณ์ยังคงไม่มีความสมดุล กระบวนการจะดำเนินต่อไปจนกว่าเอนโทรปีจะถึงระดับสูงสุด

ในระบบเปิด การไหลออกของเอนโทรปีออกไปด้านนอกสามารถสร้างสมดุลการเติบโตในระบบได้ เงื่อนไขประเภทนี้มีส่วนทำให้เกิดการเกิดขึ้นและการรักษาสภาวะคงที่ (ประเภทของสมดุลไดนามิก) ที่เรียกว่าสมดุลปัจจุบัน ในสภาวะคงที่ เอนโทรปีของระบบเปิดจะยังคงที่ แม้ว่าจะไม่ใช่ค่าสูงสุดก็ตาม รักษาความสม่ำเสมอเนื่องจากระบบจะดึงพลังงานอิสระจากสิ่งแวดล้อมอย่างต่อเนื่อง

พลวัตของเอนโทรปีในระบบเปิดอธิบายได้ด้วยสมการ I.R. Prigogine (นักฟิสิกส์ชาวเบลเยียม ผู้ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1977):

ds/dt = ds 1 /dt + ds e /dt,

ที่ไหน ds 1/dt- การจำแนกลักษณะของเอนโทรปีของกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ภายในระบบเอง ds e /dt- ลักษณะของการแลกเปลี่ยนเอนโทรปีระหว่างระบบชีวภาพและสิ่งแวดล้อม

การควบคุมตนเองของระบบนิเวศที่ผันผวน

เอนโทรปีที่ลดลงทั้งหมดอันเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนกับสภาพแวดล้อมภายนอก ภายใต้เงื่อนไขบางประการ อาจเกินการผลิตภายในได้ ความไม่แน่นอนของสภาวะที่ไม่เป็นระเบียบก่อนหน้านี้ปรากฏขึ้น ความผันผวนขนาดใหญ่เกิดขึ้นและเพิ่มระดับมหภาค ในกรณีนี้ก็เป็นไปได้ การควบคุมตนเอง, เช่น. การเกิดขึ้นของโครงสร้างบางอย่างจากการก่อตัวที่วุ่นวาย โครงสร้างดังกล่าวสามารถแปรสภาพไปสู่สภาวะที่มีระเบียบมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง (โครงสร้างกระจาย) เอนโทรปีลดลงในนั้น

โครงสร้างการกระจายเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการพัฒนาความไม่เสถียรภายในของตัวเองในระบบ (อันเป็นผลมาจากการจัดองค์กรตนเอง) ซึ่งทำให้แยกความแตกต่างจากการจัดโครงสร้างที่ได้รับคำสั่งซึ่งเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของสาเหตุภายนอก

โครงสร้างที่ได้รับคำสั่ง (กระจาย) ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติจากความไม่เป็นระเบียบและความสับสนวุ่นวายอันเป็นผลมาจากกระบวนการจัดระเบียบตนเองก็เกิดขึ้นจริงในระบบนิเวศเช่นกัน ตัวอย่างคือการจัดเรียงแบคทีเรียในสื่อสารอาหารตามลำดับเชิงพื้นที่ซึ่งสังเกตได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการตลอดจนโครงสร้างชั่วคราวในระบบ "นักล่า - เหยื่อ" ซึ่งมีลักษณะของความผันผวนที่มั่นคงโดยมีระยะเวลาที่แน่นอนในจำนวนประชากรสัตว์

กระบวนการจัดระเบียบตนเองขึ้นอยู่กับการแลกเปลี่ยนพลังงานและมวลกับสิ่งแวดล้อม สิ่งนี้ทำให้สามารถรักษาสภาวะสมดุลปัจจุบันที่สร้างขึ้นโดยธรรมชาติได้เมื่อชดเชยความสูญเสียอันเนื่องมาจากการกระจายตัวจากภายนอก พร้อมรับเข้า พลังงานใหม่หรือสารในระบบเกิดความไม่สมดุลเพิ่มขึ้น ท้ายที่สุดแล้ว ความสัมพันธ์ก่อนหน้านี้ระหว่างองค์ประกอบของระบบที่กำหนดโครงสร้างของมันจะถูกทำลาย การเชื่อมต่อใหม่ถูกสร้างขึ้นระหว่างองค์ประกอบของระบบ ซึ่งนำไปสู่กระบวนการความร่วมมือ เช่น ถึงพฤติกรรมโดยรวมขององค์ประกอบต่างๆ นี่เป็นโครงร่างทั่วไปของกระบวนการจัดระเบียบตนเองในระบบเปิด ที่เรียกว่าวิทยาศาสตร์ การทำงานร่วมกัน.

แนวคิดเรื่องการจัดระเบียบตนเองซึ่งให้แสงสว่างใหม่เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างธรรมชาติที่ไม่มีชีวิตและสิ่งมีชีวิต ช่วยให้เราเข้าใจได้ดีขึ้นว่าโลกทั้งใบรอบตัวเราและจักรวาลเป็นชุดของกระบวนการจัดระเบียบตนเองที่เป็นรากฐานของการพัฒนาเชิงวิวัฒนาการ

ขอแนะนำให้ใส่ใจกับสถานการณ์ต่อไปนี้ ขึ้นอยู่กับลักษณะการสุ่มของความผันผวนจึงเป็นไปตามนั้น การเกิดขึ้นของสิ่งใหม่ๆ ในโลกมักเกิดจากการกระทำของปัจจัยสุ่มเสมอ

การเกิดขึ้นของการจัดการตนเองนั้นขึ้นอยู่กับหลักการของการตอบรับเชิงบวกซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในระบบจะไม่ถูกกำจัด แต่เป็นการสะสม ท้ายที่สุดนี่คือสิ่งที่นำไปสู่การเกิดขึ้นของระเบียบใหม่และโครงสร้างใหม่

จุดแยกไปสองทางคือแรงกระตุ้นในการพัฒนาชีวมณฑลตามเส้นทางใหม่

ระบบเปิดของจักรวาลทางกายภาพ (ซึ่งรวมถึงชีวมณฑลของเราด้วย) มีความผันผวนอย่างต่อเนื่องและสามารถเข้าถึงได้ถึงจุดหนึ่ง จุดแยกไปสองทาง- แก่นแท้ของการแยกไปสองทางนั้นแสดงให้เห็นได้ชัดเจนที่สุดโดยอัศวินในเทพนิยายที่ยืนอยู่ตรงทางแยก ณ จุดใดจุดหนึ่งระหว่างทาง มีทางแยกที่ต้องตัดสินใจ เมื่อถึงจุดแยกไปสองทาง โดยพื้นฐานแล้วมันเป็นไปไม่ได้เลยที่จะคาดเดาได้ว่าระบบจะพัฒนาไปในทิศทางใด: ไม่ว่าจะเข้าสู่สภาวะวุ่นวายหรือได้มาซึ่งองค์กรระดับใหม่ที่สูงขึ้น

สำหรับจุดแยก ถือเป็นแรงกระตุ้นในการพัฒนาไปตามเส้นทางใหม่ที่ไม่มีใครรู้จัก เป็นการยากที่จะคาดเดาได้ว่าสังคมมนุษย์จะอยู่ในจุดใด แต่ชีวมณฑลมีแนวโน้มที่จะพัฒนาต่อไป

ตามสูตรของ Boltzmann เอนโทรปีถูกกำหนดให้เป็นลอการิทึมของจำนวนไมโครสเตตที่เป็นไปได้ในระบบมหภาคที่กำหนด

โดยที่ A ใน = 1.38-10 16 erg-deg หรือ 3.31? 10 24 หน่วยเอนโทรปี (1 e.u. = 1 cal องศา 1 = 4.1 J/K) หรือ 1.38 10“ 23 J/K - ค่าคงที่ของโบลทซ์มันน์; ว- จำนวนไมโครสเตต (เช่น จำนวนวิธีที่โมเลกุลของก๊าซสามารถใส่ลงในภาชนะ)

ในแง่นี้เองที่เอนโทรปีเป็นตัววัดความผิดปกติและความโกลาหลในระบบ ในระบบจริง มีระดับความเป็นอิสระที่เสถียรและไม่เสถียร (เช่น ผนังทึบของภาชนะและโมเลกุลของก๊าซที่อยู่ภายใน)

แนวคิดของเอนโทรปีมีความเกี่ยวข้องอย่างแม่นยำกับระดับที่ไม่เสถียรซึ่งทำให้ระบบวุ่นวายได้ และจำนวนไมโครสเตตที่เป็นไปได้นั้นมากกว่าหนึ่งมาก ในระบบที่เสถียรโดยสมบูรณ์ จะมีเพียงโซลูชั่นเดียวเท่านั้นที่ถูกรับรู้ กล่าวคือ จำนวนวิธีที่ระบบแมโครสเตตเดี่ยวนี้ถูกรับรู้จะเท่ากับหนึ่งวิธี (IV = 1) และเอนโทรปีเป็นศูนย์ ในทางชีววิทยา แนวคิดเรื่องเอนโทรปีและแนวคิดทางอุณหพลศาสตร์สามารถใช้ได้เฉพาะกับกระบวนการเมแทบอลิซึมที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้น และไม่ได้อธิบายพฤติกรรมโดยรวมและคุณสมบัติทางชีววิทยาทั่วไปของสิ่งมีชีวิต ความเชื่อมโยงระหว่างเอนโทรปีและข้อมูลในทฤษฎีสารสนเทศถูกสร้างขึ้นสำหรับระดับความเป็นอิสระทางสถิติ

สมมติว่าเราได้รับข้อมูลเกี่ยวกับวิธีการรับรู้แมโครสเตตของระบบนี้แล้ว แน่นอนว่าปริมาณข้อมูลที่ได้รับจะมากขึ้น ความไม่แน่นอนหรือเอนโทรปีเริ่มแรกก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ตามทฤษฎีสารสนเทศ ในกรณีง่ายๆ นี้ ปริมาณข้อมูลเกี่ยวกับสถานะที่แท้จริงของระบบจะเท่ากับ

หน่วยของปริมาณข้อมูล (บิต) ถือเป็นข้อมูลที่มีอยู่ในข้อความที่เชื่อถือได้ เมื่อจำนวนสถานะที่เป็นไปได้เริ่มต้นเท่ากับ ว= 2:

ตัวอย่างเช่น ข้อความว่าเหรียญตกลงไปด้านใดเมื่อโยนขึ้นไปในอากาศมีข้อมูลจำนวน 1 บิต ด้วยการเปรียบเทียบสูตร (7.1) และ (7.2) เราสามารถค้นหาความเชื่อมโยงระหว่างเอนโทรปี (ในหน่วยเอนโทรปี) และข้อมูล (เป็นบิต)

ทีนี้ลองประมาณปริมาณข้อมูลที่มีอยู่ในร่างกายมนุษย์อย่างเป็นทางการซึ่งมี 10 13 เซลล์ การใช้สูตร (7.2) เราได้รับปริมาณ

จะต้องได้รับข้อมูลจำนวนดังกล่าวตั้งแต่แรกเพื่อดำเนินการจัดเรียงเซลล์ในร่างกายให้ถูกต้องเท่านั้น ซึ่งเทียบเท่ากับการลดลงเล็กน้อยในเอนโทรปีของระบบด้วย

หากเราสมมติว่าร่างกายมีการจัดเรียงกรดอะมิโนที่ตกค้างในโปรตีนและนิวคลีโอไทด์ที่ตกค้างใน DNA ที่เป็นเอกลักษณ์เช่นกัน จำนวนข้อมูลทั้งหมดที่มีอยู่ในเจลของมนุษย์จะเท่ากับ

ซึ่งเท่ากับการลดลงเล็กน้อยของเอนโทรปีด้วย อาส~~ 300 ส. = 1200 เจ/เค

ในกระบวนการเมตาบอลิซึมของ GS การลดลงของเอนโทรปีนี้สามารถชดเชยได้อย่างง่ายดายด้วยการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีระหว่างการออกซิเดชันของกลูโคส 900 กรัม ดังนั้น การเปรียบเทียบสูตร (7.1) และ (7.2) แสดงให้เห็นว่าระบบชีวภาพไม่มีความจุข้อมูลเพิ่มขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับระบบไม่มีชีวิตอื่นๆ ที่ประกอบด้วยองค์ประกอบโครงสร้างจำนวนเท่ากัน เมื่อมองแวบแรก ข้อสรุปนี้ขัดแย้งกับบทบาทและความสำคัญของกระบวนการข้อมูลทางชีววิทยา

อย่างไรก็ตามการเชื่อมต่อระหว่าง / และ สใน (7.4) ใช้ได้เฉพาะกับข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับข้อใดทั้งหมด วปัจจุบันมีการใช้ไมโครสเตต ข้อมูลระดับจุลภาคที่เกี่ยวข้องกับตำแหน่งของอะตอมทั้งหมดในระบบไม่สามารถจดจำและจัดเก็บได้จริง เนื่องจากไมโครสเตตใด ๆ ดังกล่าวจะเปลี่ยนเป็นอีกอะตอมหนึ่งอย่างรวดเร็วเนื่องจากความผันผวนของความร้อน และคุณค่าของข้อมูลทางชีววิทยาไม่ได้ถูกกำหนดโดยปริมาณ แต่โดยความเป็นไปได้ของการท่องจำ การจัดเก็บ การประมวลผล และการถ่ายทอดต่อไปเพื่อใช้ในชีวิตของสิ่งมีชีวิต

เงื่อนไขหลักสำหรับการรับรู้และการจดจำข้อมูลคือความสามารถของระบบรับซึ่งเป็นผลมาจากข้อมูลที่ได้รับเพื่อเปลี่ยนไปสู่สถานะที่มั่นคงอย่างใดอย่างหนึ่งที่กำหนดไว้ล่วงหน้าโดยอาศัยอำนาจขององค์กร ดังนั้นกระบวนการข้อมูลในระบบที่จัดจึงสัมพันธ์กับระดับความเป็นอิสระบางระดับเท่านั้น กระบวนการท่องจำข้อมูลนั้นจะต้องมาพร้อมกับการสูญเสียพลังงานในระบบตัวรับเพื่อให้สามารถอยู่ที่นั่นได้เป็นระยะเวลาเพียงพอและไม่สูญหายไปเนื่องจากความผันผวนของความร้อน ที่นี่คือการเปลี่ยนแปลงของข้อมูลระดับจุลภาคซึ่งระบบจำไม่ได้ ได้ถูกดำเนินการไปเป็นข้อมูลระดับมหภาค ซึ่งระบบจะจดจำ จัดเก็บ และส่งไปยังระบบตัวรับอื่น ๆ ตามที่กล่าวไว้ เอนโทรปีคือการวัดชุดของไมโครสเตตที่ระบบจำไม่ได้ และข้อมูลมหภาคคือการวัดชุดของสถานะ ซึ่งระบบจะต้องจำไว้ว่าต้องอยู่

ตัวอย่างเช่น ความจุข้อมูลใน DNA ถูกกำหนดโดยจำนวนนิวคลีโอไทด์จำเพาะเท่านั้น ไม่ใช่จำนวนไมโครสเตตทั้งหมด รวมถึงการสั่นของอะตอมทั้งหมดของสายโซ่ DNA กระบวนการจัดเก็บข้อมูลใน DNA คือการตรึงการจัดเรียงนิวคลีโอไทด์ที่เฉพาะเจาะจงซึ่งมีความเสถียรเนื่องจากพันธะเคมีที่เกิดขึ้นในสายโซ่ โอนต่อไป ข้อมูลทางพันธุกรรมดำเนินการอันเป็นผลมาจากกระบวนการทางชีวเคมีซึ่งการกระจายพลังงานและการก่อตัวของโครงสร้างทางเคมีที่เสถียรที่สอดคล้องกันทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพของการประมวลผลข้อมูลทางชีวภาพ

โดยทั่วไป กระบวนการข้อมูลแพร่หลายในด้านชีววิทยา ในระดับโมเลกุล สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นไม่เพียงแต่ในระหว่างการท่องจำและการประมวลผลข้อมูลทางพันธุกรรมเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในระหว่างการรับรู้ร่วมกันของโมเลกุลขนาดใหญ่ ทำให้มั่นใจในความจำเพาะและธรรมชาติของปฏิกิริยาของเอนไซม์โดยตรง และมีความสำคัญในปฏิสัมพันธ์ของเยื่อหุ้มเซลล์และพื้นผิว

กระบวนการรับทางสรีรวิทยาซึ่งมีบทบาทในการให้ข้อมูลอย่างเป็นอิสระในชีวิตของร่างกายก็ขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลขนาดใหญ่เช่นกัน ในทุกกรณี ข้อมูลมหภาคเริ่มแรกจะปรากฏในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างระหว่างการกระจายพลังงานบางส่วนไปตามระดับความอิสระในการโต้ตอบกับโมเลกุลขนาดใหญ่ เป็นผลให้ข้อมูลมหภาคถูกบันทึกในรูปแบบของชุดของสถานะย่อยที่มีโครงสร้างเชิงลึกที่มีพลังเพียงพอซึ่งทำให้สามารถเก็บรักษาข้อมูลนี้ตามเวลาที่จำเป็นสำหรับการประมวลผลต่อไป ความหมายทางชีววิทยาของข้อมูลมหภาคนี้เกิดขึ้นตามลักษณะเฉพาะของการจัดระเบียบของระบบชีวภาพและโครงสร้างเซลล์เฉพาะซึ่งมีการเล่นกระบวนการเพิ่มเติมซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่ผลกระทบทางสรีรวิทยาและชีวเคมีที่สอดคล้องกัน

อาจเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่าระบบสิ่งมีชีวิตควบคุมปฏิกิริยาทางชีวเคมีโดยเฉพาะในระดับโมเลกุลขนาดใหญ่แต่ละตัว

จำนวนทั้งสิ้นซึ่งท้ายที่สุดจะกำหนดคุณสมบัติมหภาคของระบบชีวภาพ

แม้แต่อุปกรณ์เทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดก็ไม่มีคุณสมบัติดังกล่าวเช่นโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ระดับซับไมครอนซึ่งการควบคุมกระแสอิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นพร้อมกับการสูญเสียพลังงานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ จะแสดงไว้ด้านล่างนี้ว่าในไบโอเมมเบรนจะมีการควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนโดยสัมพันธ์กับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนแต่ละตัวไปตามสายโซ่ของตัวพาโมเลกุลขนาดใหญ่

นอกจากนี้ จะแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานในกระบวนการทางชีววิทยาเกิดขึ้นใน "เครื่องจักร" ที่แปลงพลังงานระดับโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีขนาดนาโน

ขนาดเล็กยังกำหนดค่าเล็กน้อยของการไล่ระดับพลังงานอีกด้วย และด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงทำให้การทำงานของเครื่องจักรดังกล่าวเข้าใกล้สภาวะการพลิกกลับทางอุณหพลศาสตร์มากขึ้น สิ่งนี้ทราบกันดีว่าสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพพลังงาน (ประสิทธิภาพ) ของการแปลงพลังงานได้ มันอยู่ในเครื่องจักรโมเลกุลขนาดนาโนที่พลังงานที่ส่งออกสูงสุดและการกระจายพลังงานในระดับต่ำซึ่งสอดคล้องกับอัตราการผลิตเอนโทรปีที่ต่ำในระบบจะถูกรวมเข้าด้วยกันอย่างเหมาะสมที่สุด

ความแตกต่างต่ำในค่าของศักยภาพรีดอกซ์ระหว่างพาหะแต่ละตัวในห่วงโซ่ของการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจแสดงให้เห็นถึงสถานการณ์นี้โดยให้เงื่อนไขที่ใกล้เคียงกับการย้อนกลับของกระบวนการขนส่งอิเล็กตรอนแต่ละตัว

การศึกษาการทำงานของมอเตอร์โมเลกุลแต่ละตัวที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานทำให้เกิดความจำเป็นในการพัฒนาอุณหพลศาสตร์ของระบบขนาดเล็ก โดยที่พลังงานที่ลดลงในช่วงเริ่มต้นของรอบการทำงานจะมีขนาดเทียบเคียงกับความผันผวนของความร้อน ที่จริงแล้วค่าเฉลี่ยของพลังงานรวมของระบบมหภาค (ก๊าซในอุดมคติ) ประกอบด้วย เอ็นอนุภาคและกระจายไปทั่วพวกมันตามกฎเกาส์เซียนคือ 2>/2Nk b ต.ขนาดของความผันผวนแบบสุ่มของปริมาณนี้อยู่ในลำดับของ l/V)V และมีค่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับค่าเฉลี่ยสำหรับระบบที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก อย่างไรก็ตามในช่วงเล็กๆ เอ็นขนาดของความผันผวนจะเข้าใกล้ค่าพลังงานเฉลี่ยของสิ่งนั้น ระบบขนาดเล็กซึ่งเองก็สามารถมีได้เพียงไม่กี่ยูนิตเท่านั้น เค เอช ที

ตัวอย่างเช่น โมเลกุลไคเนซินที่มีขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตรเคลื่อนที่ไปตามไมโครทูบูล โดยขนส่งออร์แกเนลล์ของเซลล์และก้าว 8 นาโนเมตร “ก้าว” ทุกๆ 10-15 มิลลิวินาที เนื่องจากพลังงานของ ATP ไฮโดรไลซิส (20 เค และ ต)“มอเตอร์ไคเนซิน” สร้างงานทุกขั้นตอน 2k ก.ตด้วยประสิทธิภาพ = 60% ในเรื่องนี้ไคเนซินเป็นหนึ่งในเครื่องจักรระดับโมเลกุลจำนวนมากที่ใช้พลังงานของการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสเฟตในกระบวนการต่างๆ รวมถึงการจำลอง การถอดความ การแปล การซ่อมแซม เป็นต้น เครื่องจักรดังกล่าวขนาดเล็กสามารถช่วยดูดซับพลังงานความร้อนขนาดใหญ่ได้ ความผันผวนจากพื้นที่โดยรอบ โดยเฉลี่ยแล้ว เมื่อมอเตอร์โมเลกุลเคลื่อนที่ไปตามวิถีแบบไดนามิก งานจะมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานความร้อน อย่างไรก็ตาม อาจเป็นไปได้ว่าพลังงานที่ดูดซับแบบสุ่มของความผันผวนของความร้อนในแต่ละขั้นตอนของรอบการทำงาน ร่วมกับ พลังงาน "กำกับ" ของการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสเฟตมีส่วนทำให้เกิดอัตราส่วนระหว่างการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระกับงานที่ทำ ในกรณีนี้ความผันผวนของความร้อนสามารถนำไปสู่การเบี่ยงเบนที่เห็นได้ชัดเจนจากวิถีการเคลื่อนที่โดยเฉลี่ย ด้วยเหตุนี้ ระบบขนาดเล็กดังกล่าวจึงไม่สามารถอธิบายได้อย่างเพียงพอบนพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์แบบดั้งเดิม ปัจจุบันปัญหาเหล่านี้อยู่ระหว่างการศึกษาอย่างเข้มข้น รวมถึงการพัฒนานาโนเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการสร้างเครื่องจักรโมเลกุลขนาดนาโน

ให้เราทราบอีกครั้งว่ากระบวนการทางชีวเคมีของการเปลี่ยนแปลงพลังงานซึ่งมีการดำเนินงานทางเคมีที่เป็นประโยชน์นั้นเป็นเพียงซัพพลายเออร์ขององค์ประกอบเริ่มต้นสำหรับการจัดโครงสร้างทางชีววิทยาด้วยตนเองและด้วยเหตุนี้จึงเป็นการสร้างข้อมูลในระบบทางชีววิทยา

ปฏิกิริยาทางชีวเคมีนั้นใช้หลักการพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์เคมีและโดยเฉพาะอย่างยิ่งแนวคิดพื้นฐานของศักยภาพทางเคมีในการวัดการพึ่งพาจำนวนไมโครสเตตที่อนุญาตกับจำนวนอนุภาคในระบบ

ปฏิกิริยาเคมีถือเป็นผลลัพธ์ของการกระจายตัวของจำนวนโมลหรือจำนวนสัมพัทธ์ของอนุภาค (โมเลกุล) ของรีเอเจนต์และผลิตภัณฑ์ในระหว่างการทำปฏิกิริยาโดยมีจำนวนอะตอมคงที่โดยทั่วไป การกระจายตัวใหม่เหล่านี้เกี่ยวข้องกับการแตกหักและการก่อตัวของพันธะเคมี และด้วยเหตุนี้จึงมาพร้อมกับผลกระทบจากความร้อน มันอยู่ในสาขาอุณหพลศาสตร์เชิงเส้นที่ทิศทางทั่วไปเป็นไปตามทฤษฎีบทของ Prigogine ปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่เป็นรูปเป็นร่างจะสร้างองค์ประกอบเริ่มต้นและส่งไปยังสถานที่ที่มีการประกอบตัวเองของคอมเพล็กซ์โมเลกุลขนาดใหญ่ "ข้อมูล" ที่เสถียรซึ่งเป็นพาหะของข้อมูล การประกอบตัวเองโดยตรงเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ และโดยธรรมชาติแล้วจะมาพร้อมกับพลังงานอิสระที่ลดลงโดยทั่วไป: ฉ=ดี ยู - มกท

ในความเป็นจริง เมื่อโครงสร้างที่มีลำดับที่มั่นคงเกิดขึ้น พลังงานของพันธะโครงสร้างที่เกิดขึ้น (-ออสเตรเลีย)โดย ค่าสัมบูรณ์จะต้องมากกว่าการลดลงของระยะเอนโทรปี ( -กสท.)ในสำนวนพลังงานอิสระ |DS/| - 7A,S|, ดังนั้น D เอฟ

ขอให้เราระลึกว่าในช่วงระยะเวลาของการวิวัฒนาการก่อนชีววิทยา โครงสร้าง "โครงสร้าง" ที่มั่นคงของสิ่งมีชีวิต (กรดอะมิโน นิวคลีโอไทด์ น้ำตาล) จึงถูกสร้างขึ้นตามธรรมชาติแบบอะบิเจนิก จากสารประกอบอนินทรีย์เชิงเดี่ยว โดยไม่มีการมีส่วนร่วมของระบบสิ่งมีชีวิตใด ๆ เนื่องจากภายนอก แหล่งพลังงาน (แสง, การปล่อยประจุไฟฟ้า) ที่จำเป็นในการเอาชนะอุปสรรคในการกระตุ้นปฏิกิริยาฟิวชัน

โดยทั่วไป การเกิดขึ้นโดยตรงของข้อมูลทางชีววิทยาในระดับโมเลกุลขนาดใหญ่จะนำไปสู่การลดเอนโทรปีของโครงสร้างที่สอดคล้องกัน (การปรากฏตัวของเอนโทรปีเชิงลบ) เอนโทรปีที่ลดลงนี้ได้รับการชดเชยโดยการก่อตัวของการเชื่อมต่อที่เสถียรในโครงสร้างข้อมูล ในเวลาเดียวกัน ความสมดุลของเอนโทรปี "อุณหพลศาสตร์" ในระบบเปิดถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของแรงผลักดันและความเร็วในกลุ่มของกระบวนการทางเคมีที่สร้างเงื่อนไขสำหรับการสังเคราะห์โครงสร้างข้อมูล

เห็นได้ชัดว่าการคำนวณความสมดุลโดยรวมของเอนโทรปีของโครงสร้างและอุณหพลศาสตร์ที่เปลี่ยนแปลงไปในระบบสิ่งมีชีวิตนั้นเป็นเพียงเลขคณิตในธรรมชาติเท่านั้น มันถูกกำหนดโดยกลุ่มของกระบวนการที่เชื่อมโยงถึงกัน แต่แตกต่างกันในธรรมชาติ การชดเชยโดยตรงของการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีซึ่งไม่ได้เกิดขึ้น