Термодинамика и жизнь растений

Введение

Процессы, происходящие в природе в целом и в жизнедеятельности отдельных групп живых организмов, в том числе и растений, определяются физическими, химическими и биологическими законами. Особое значение для понимания системы взаимодействия этих процессов в единой биосфере имеют законы термодинамики, которые являются глобальными и распространяются на весь процесс круговорота энергии в живой и неживой природе.
В современной термодинамике сформулированы пять основных начал, которые можно сформулировать следующим образом:
Нулевое начало термодинамики (сформулированное после открытия первого и второго начал) гласит: «Изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остаётся в нём сколь угодно долго, если внешние условия сохраняются неизменными».
Первое начало термодинамики (ПНТ) = Закон сохранения энергии: «Энергия в изолированной системе – величина постоянная и не изменяется во времени, а лишь переходит из одной формы в другую».
Второе начало термодинамики (ВНТ) = Закон возрастания энтропии: «Все реальные процессы (в том числе в биологических системах), сопровождаются рассеянием некоторой части энергии в теплоту».
Третье начало термодинамики = Принцип или теорема Нернста: «Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система».
Четвертый закон термодинамики: «Любая неравновесная система обладает такими свойствами, называемыми кинетическими, которые определяют особенности протекания неравновесных процессов в направлении, указываемым вторым началом термодинамики, и от которых не зависят термодинамические силы, движущие эти неравновесные процессы».
Открытие законов термодинамики началось в 19 веке, когда Гей-Люссак поставил в 1807 году свой ныне хрестоматийный опыт по определению теплоемкости газа. Уже в 1901 году Н.А. Умов внес предложение о необходимости расширить действие закономерностей термодинамики на явления жизни и изучить термодинамические особенности живого вещества. Аналогичные идеи были высказаны и К.А. Тимирязевым. В 1903 году Н.А. Умов определил специфические функции живой материи как акты материи, которая способна к стройным движениям и снабжена физико-химическими приспособлениями отбора. При этом отбор является орудием борьбы с нестройностью, с ростом энтропии. В двух законах термодинамики, управляющих природными процессами, указывал Н.А. Умов, отсутствуют закон или понятие, которое бы включило процессы жизни в процессы природы. Приспособления отбора, которые включают в себя живое вещество, должны составить суть искомого третьего законв [6].
В нашем реферате будет представлен обзор современных научных взглядов о термодинамических закономерностях применительно к особенностям физиологических процессов в жизни растений, а также к биологическим системам в целом.

Основные законы термодинамики
Термодинамика - это раздел физики, изучающий энергию, закономерности её передачи и преобразования. Структурирование законов термодинамики предусматривает четыре группы этих закономерностей, каждая из которых имеет определенный смысл.
Закон сохранения энергии в рамках любой термодинамической системе и ограничения, которые применяются к направлениям термодинамических процессов, формулируют первое и второе начала термодинамики. Согласно этим закономерностям не допускается передача тепла от менее нагретого к более нагретому телу в форме самопроизвольного процесса.
Нулевой и третий законы термодинамики описывают поведение энтропии вблизи абсолютного температурного нуля и состояние любой замкнутой системы в состоянии термодинамического равновесия, из которого она самостоятельно выйти не может.
Законы термодинамики описывают макроскопические параметры любых систем, в том числе и живых. При этом они не связаны друг с другом непосредственно, т.е. один закон из другого не вытекает.
Первое начало термодинамики (ПНД) или Закон сохранения энергии.
Смысл ПНД состоит в том, что количество теплоты, которое было подведено к термодинамической системе, расходуется на совершение механической работы идеальным газом и изменение внутренней энергии. Существует ряд формулировок этого начала:
В природе невозможно существование двигателя первого рода, то есть, двигателя, который совершал бы работу, превосходящую полученную извне теплоту [11].
Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами [1].
Энергия не создается заново и никуда не исчезает [9].
В любом процессе полная энергия вселенной остается той же самой. Для любого термодинамического цикла сумма чистого тепла, доставленного в систему, и чистой работы, совершённой системой, равна нулю [18].

Формула закона:
dQ = dU + dA, (1)
где ΔQ – это теплота, переданная системе, dU – это изменение внутренней энергии системы, ΔA – это работа, совершенная системой.
ΔQ является величиной положительной если теплота передается в систему, если же наоборот, теплота передается системой, то ΔQ является величиной отрицательной. Работа же, совершенная системой, является величиной положительной, а работа, произведенная над системой, будет величиной отрицательной [11].
Обобщение результатов опытов, выразившееся в первом законе термодинамики, показывает, что энергия не может быть создана или уничтожена, энергия передается от одной системы к другой системе или превращается из одной формы в другую. Следствием первого закона термодинамики является отрицание возможности создания вечного двигателя первого рода, т.е. отрицание возможности создания машины, которая совершала бы полезную работу без потребления энергии извне и без каких-то изменений внутри самой машины [1].
Солнечный свет как одна из форм энергии превращается при попадании на Землю в разные формы, в том числе, в тепловую, в химическую энергию органических веществ, синтезируемых автотрофами, в другие виды энергии. Таким образом энергия света может лишь перераспределяться, либо переходит в зависимости от ситуации в другую форму, но она не возникает ниоткуда и не исчезает бесследно [9].


Второе начало термодинамики (ВНТ) или Закон энтропии.
Формулировки второго закона термодинамики или Закона неубывания энтропии также были предложены в разных вариациях. По Клаузевицу «Теплота не может передаваться самопроизвольно от тела, обладающего более низкой температурой, телу с более высокой температурой» или «В любой замкнутой системе полная энергия остается постоянной, а полная энтропия с течением времени возрастает» [11, 16]. Другие формулировки ВНТ:
ни одно устройство не может извлечь работу из системы, которая целиком находится на одном потенциальном уровне [16],
поток энергии всегда направлен от высокого потенциального уровня к низкому [16],
в любом самопроизвольном процессе (когда энергии открыт путь для перетекания с более высокого уровня на низкий) количество недоступной энергии со временем увеличивается [16],
все самопроизвольные процессы в природе идут с увеличением энтропии[1],
при прохождении в изолированной системе самопроизвольных процессов энтропия системы возрастает [1],
процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует) [9],
поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде не доступных для использования тепловых потерь энергии, эффективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений всегда меньше 100% [9],
любой вид энергии в  конечном счете переходит форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся [9].
энтропия в изолированной неравновесной системе имеет тенденцию увеличиваться с течением времени, приближаясь к максимальному значению в равновесии [19].
Формула второго начала термодинамики:
dS >(=) 0, (2)
где знак > будет связан с необратимым процессом, а знак = - с обратимым, или
dS = dQ/T, (3)
где энтропия (dS) равна изменению количества теплоты (dQ), деленному на температуру (T) [3].
Обратимым процессом называется в термодинамике такой, при котором система возвращается к своему первоначальному состоянию, не оставляя никаких изменений ни в самой системе, ни в окружающей среде. В природе обратимых процессов сравнительно немного, гораздо больше отмечается необратимых процессов.
Второй закон термодинамики описывает направление термодинамических процессов. Любая форма энергии может превратиться в теплоту без остатка, но теплота не может полностью превратиться в другие формы энергии, часть энергии при этом рассеивается. Таким образом, теплота представляет собой деградированную форму энергии, при этом молекулы двигаются беспорядочно, повышая энтропию. Энтропия соответствует количеству связанной энергии, недоступной для использования, т.е. энтропия является мерой беспорядка. В любой замкнутой системе, в том числе и в нашей Вселенной, энтропия непрерывно и необратимо возрастает, что со временем приведет к «тепловой смерти Вселенной», когда единая температуру около абсолютного нуля установится во всей этой системе.
Принципиальное различие между обратимыми и необратимыми процессами – это основа термодинамики. Поскольку энтропия возрастает только в результате необратимых процессов, понятие энтропии введено для отличия первых процессов от вторых. Сейчас установлено, что в открытых системах, в том числе и живых системах (биоценозах), находящихся в неравновесных условиях, могут возникать спонтанно типы структур, способных к самоорганизации, т.е. к переходу от «теплового хаоса» к упорядоченным состояниям. Создатель неравновесной термодинамики И.Р. Пригожин назвал эти структуры диссипативными. При выведении некоторой системы из стабильного состояния в ней начинаются процессы самоорганизации. Возникновение автокаталитических циклов в цепи химических реакций нарушает устойчивость стационарного состояния. Жизнь основывается именно на таких процессах. Поэтому жизнь можно рассматривать в качестве частного случая в ряду процессов химической самоорганизации в неравновесных условиях, которые происходят на основе автокатализа. Схемы реакций в примерах биологических самоорганизующихся систем достаточно просты, однако, участвующие в них молекулы (нуклеиновые кислоты и белки, в том числе, и ферментативные белки) весьма сложны и специфичны. В биологических системах ВНТ приобретает другой философский смысл, поскольку именно из «энтропийного сырья» диссипативные структуры могут создать более высокую упорядоченность, т.е. уменьшить энтропию. Как пишет И.Р. Пригожин, "старая проблема происхождения жизни предстает в новом свете. Заведомо ясно, что жизнь несовместима с принципом порядка Больцмана, но не противоречит тому типу поведения, который устанавливается в сильно неравновесных условиях. … Тем не менее, при нашем подходе жизнь перестает противостоять "обычным" законам физики, бороться против них, чтобы избежать предуготованной ей судьбы – гибели» [цит. по 16].
Нулевой закон термодинамики. Это начало термидинамики было сформулировано после открытия первого и второго начал, поэтому его назвали нулевым или общим началом. Формулировка этого закона: «Если каждая из двух термодинамических систем находится в тепловом равновесии с некоторой третьей, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом».
Формула этого закона:
(4)
Этот закон устанавливает, что термодинамическое равновесие включает наличие в системе механического, теплового и химического равновесия, а также равновесия фаз

. При этом классическая термодинамика утверждает существование состояния термодинамического равновесия, но не устанавливает времени его достижения. Системы, разделенные неподвижной теплопроницаемой перегородкой, могут находиться в тепловом равновесии, хотя обмена веществом между такими системами не происходит. При этом любая третья система, находящаяся в тепловом равновесии с одной из этих систем, будет находиться в тепловом равновесии с другой системой [5, 19].
Третье начало термодинамики или принцип (теорема) Нернста. Этот принцип устанавливает, что энтропия – это «температурный иждивенец», и позволяет формулировать идею абсолютного нуля. Этот закон позволяет вычислить абсолютное значение энтропии при равновесном состоянии термодинамической системы. Нернст утверждал, что «энтропия химически однородного тела при температуре, равной абсолютному нулю, также равна нулю».
Формулы, описывающие этот принцип: 
   (5)
или
  (6)

или
(7)
где  х — любой термодинамический параметр системы (давление, объём и др.).
Энтропия любой равновесной термодинамической системы при Т = 0 обозначается как S0 и было условлено, что при Т = 0  S0 также равна нулю. Макс Планк дал свое определение этого начала термодинамики «При стремлении температуры к абсолютному нулю энтропия всех тел также стремится к нулю».
Смысл всех формулировок третьего начала термодинамики сводится к следующему «Энтропия любого тела при температуре абсолютного нуля также равна нулю». Если термодинамическая система переходит из одного состояния в другое при температуре, близкой к абсолютному нулю, то энтропия не изменяется.
Четвертый закон термодинамики, определяемый в настоящее время как предварительный, возник в термодинамике в ХХ веке в форме направления термодинамики необратимых процессов (ТНП). Это направление связано с введением в уравнения термодинамики фактора времени, как физического параметра, и создание нового макрофизического метода исследования кинетики взаимосвязанных явлений переноса. Обосновал это направление Л. Онсагер, который построил «квазитермодинамическую» теорию необратимых процессов на основе выражения для определения скорости возникновения энтропии. Этот закон мало изучен в применении к живым системам, в том числе, он пока не нашел отражения в анализе процессов, происходящих в зеленом растении [5, 16].
Еще в начале ХХ века Ф.Ауэрбах ввел в термодинамику понятие «эктропия», как термин прямо противоположный по смыслу понятию «энтропия». Это понятие «отрицательной» энтропии связывали с явлениями жизни и оно соответствует понятию отбора или выбора [6]. При применении законов термодинамики к природным ценозам оказывается, что жизнь можно сравнить с системой, которая поддерживает свою устойчивость за счет утилизации солнечной энергии, при этом ее основой являются растения, а животные составляют слой потребителей в термодинамически неравновесных системах. Эволюция живых организмов в процессе формирования биосферы пошла в результате естественного отбора по пути формирования следующих важных способностей:
находить и использовать источники энергии,
управлять своим энергетическим балансом,
собирать и использовать информацию об энергетической обстановке,
воспроизводить и рационально разнообразить свою конструкцию,
отсекать конкурентов от источников энергии,
создавать симбиотические сообщества по добыче энергии и информации.
Эти свойства и определили эволюцию существующей биосферы нашей планеты [10].
Термодинамика биологических систем
Живые системы в биосфере Земли весьма разнообразны, при этом они могут подразделяться по уровню сложности или в зависимости от их взаимодействия с окружающей средой.
По уровню сложности живые системы представлены следующими разновидностями:
клетка,
ткань,
орган,
система органов,
организм,
популяция,
биоценоз,
биосфера.
В зависимости от взаимодействия системы с окружающей средой термодинамические системы подразделяются на:
изолированные системы, которые не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом (живых систем в этой категории не встречается),
закрытые системы, которые обмениваются со средой энергией, но не веществом (примеры живых систем в этой категории не известны),
открытые системы, которые обмениваются с внешней средой и энергией, и веществом (изученные живые системы относятся только к этой категории) [11].
За время существования жизни на планете прошло накопление огромного количества химической и лучистой энергии, которое выражается в наличии на планете больших запасов углеводородов, появившихся на планете вследствие деятельности живых организмов. В.Анри определил жизнь, как постоянное задержание и накопление химической и лучистой энергии, которое замедляет превращение полезной энергии в теплоту, препятствуя рассеянию этой теплоты в мировом пространстве. А.Е. Ферсман писал о том, что в процессах биогенеза сложные органические соединения живого вещества накапливают значительные запасы энергии, поэтому законы энтропии замедляются процессами жизни [ 6].
Продуценты в живой системе - зеленые растения - накапливают солнечную энергию, которая затем передается по пищевым цепям нескольких звеньев консументов, завершается звеном редуцентов, которые и сохраняют в конечном виде в течение миллионов лет вадозный по началу генезиса углерод, как минерал. Помимо углерода такими же вадозными минералами являются углекислый кальций, скопления сульфатов, гидроксидов железа и других форм поверхностных месторождений полезных ископаемых, образовавшихся с участием живых организмов, живших на нашей планете в течение миллионов лет. В.И.Вернадский использовал в своих трудах первый и второй законы термодинамики для понимания единства живой и неживой природы, заложил основы учения не только о биогеосфере, включающей землю, воду, воздух и живые организмы, но и о ноосфере, отражающей роль человека в этой общей системе Земли. Теснейшим образом связанная с живым веществом геохимическая история углерода приводит к пониманию энергетического аспекта биогеохимических явлений по сравнению с геохимическими явлениями, происходящими вне влияния жизни. Согласно принципу Карно биогеохимические круговороты веществ связаны с деградацией энергии, количество свободной энергии, которая способна производить работу, падает с каждым этапом движения по системе, энергия рассеивается в виде тепла, энтропия мира увеличивается и уровень тепла выравнивается.
При этом в природе мы наблюдаем важнейшее воздействие автотрофных организмов (растительных организмов и хемотрофных бактерий) на биогеоценозы, проявляющееся в уменьшении энтропии, связывании лучистой солнечной энергии (либо энергии неорганических химических реакций в случае с хемотрофами) в форму химической энергии высокомолекулярных органических веществ (полисахаридов, липидов, белков). Перенос этой энергии по пищевым цепям также характеризуется появлением новых видов деятельной энергии, не сопровождающихся деградацией энергии, увеличивающих действенную энергию исходного солнечного луча.
Э. Бауэр в развитие идей В.И. Вернадского предложил принцип эволюции живого вещества, как «принцип устойчивой неравновесности», принцип устойчивого поддержания биологической системы в условиях, удаленных от термодинамического равновесия. Живые организмы, в отличие от неживых систем (например, химических процессов в почве), также изменяются при изменении внешних условий, но это изменение направлено в сторону увеличения свободной энергии системы и обеспечивает возможность совершения работы над внешними условиями. Живые организмы способны уходить от состояния термодинамического равновесия. Э. Бауэр, характеризуя принцип устойчивой неравновесности указывает, что между двумя принципами (принципом Ле-Шателье и установленным основным биологическим принципом) имеется внешнее сходство, выражающееся в том, что оба они содержат общее указание о направлении прохождения реакции. Кроме того,
оба принципа указывают на то, что изменение состояния системы направлено против изменения состояния окружающей среды. Однако, физический смысл в обоих случаях совершенно различен. Предлагаемый Бауэром принцип относится к системам, не находящимся в равновесии, и изменение состояния, т.е. реакция систем при изменении окружающей среды, состоит в работе против ожидаемого при данной окружающей среде равновесия, следовательно, именно
против того изменения, которого следовало бы ожидать по принципу Ле-Шателье, если бы система находилась в равновесии [4].
Термодинамический анализ биологических процессов продолжил Э.Шредингер в своей работе «Что такое жизнь с точки зрения физики?». Именно в этом труде было введено понятие «отрицательной энтропии» или «эктропии», которое характеризовало особенность поглощения энергии живыми организмами. В этой работе Э.Шредингер пишет: «Каждый процесс, явление, событие — назовите это как хотите, — короче говоря, все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части мира, где это происходит. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию — или, говоря иначе, производит положительную энтропию и таким образом приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, которое представляет собой смерть. Он может избегнуть этого состояния, т.е. остаться живым только путем постоянного извлечения из окружающей его среды отрицательной энтропии, которая представляет собою нечто весьма положительное, как мы сейчас увидим. Отрицательная энтропия — вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив. ...Для растений собственным мощным источником «отрицательной энтропии»
служит, конечно, солнечный свет» [цит. по 4].
В живых организмах не только не происходит нарастания энтропии, но она даже уменьшается, т.е. основным законом биологии является рост организованности, пропорциональный уменьшению энтропии [6].
Применим к биологическим системам и первый закон термодинамики. Продуценты (автотрофные зеленые растения и фотолитотрофные бактерии) поглощают физическую энергию Солнца и переводят ее в энергию макроэргических молекул (АТФ, НАДФ*Н2) в клетке, уменьшая энтропию, формируя химическую энергию в составе органических молекул, которые затем выступают в качестве пищи для животных организмов. При питании гетеротрофов готовыми органическими веществами происходит многоступенчатое высвобождение энергии в процессе биологического окисления, которая в свою очередь переходит в форму макроэргических соединений клеток гетеротрофного организма.
Завершающим круговорот веществ в биосистеме является процесс разложения органических веществ, который представлен четырьмя способами (аэробным дыханием, анаэробным дыханием, брожением и уксуснокислым брожением), главнейшим и самым распространенным из них является процесс аэробного дыхания. В процессе аэробного дыхания у всех живых организмов происходит окисление пищевых веществ до углекислого газа и воды:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O
При сжигании в калориметре каждый грамм глюкозы или белка дает 4,1 ккал энергии, а в пересчете на 1 грамм жира – 9,3 ккал [11]. Однако этот же процесс дыхания в живой клетке дает при разложении одного грамм-моля глюкозы при условии прохождения трех основных этапов (гликолиза, цикла Кребса, цепи дыхательных ферментов) в стандартных условиях (температура 25 оС, давление 1 Па и концентрация реагирующих веществ 1 М) 686 ккал или 2872 кДж. Энергетический выход в процессе дыхания по этапам составляет:
при гликолизе 2 молекулы АТФ,
в цикле Кребса – 12 молекул АТФ,
в цепи дыхательных ферментов - 24 молекулы АТФ [17].
Для обновления элементов в живых системах происходит постоянный приток извне веществ и энергии, а также выделение во внешнюю среду тепла и продуктов распада