Стан живих систем в будь-який момент часу (динамічний стан) характерно тим, що елементи системи постійно руйнуються і будуються заново. Цей процес носить назву біовідновлення. Для оновлення елементів в живих системах потрібен постійний приплив ззовні речовин і енергії, а також висновок у зовнішнє середовище тепла і продуктів розпаду. Це означає, що живі системи обов'язково повинні бути відкритими системами. Завдяки цьому в них створюється і підтримується хімічне і фізичне нерівновага. Саме на цьому нерівновазі заснована працездатність живої системи, спрямована на підтримання високої впорядкованості своєї структури (а. Значить, на збереження життя) і здійснення різних життєвих функцій. Крім того, жива система, завдяки властивості відкритості, досягає стаціонарності, тобто сталості свого нерівноважногостану. В ізольованій системі (така система не обмінюється з зовнішнім середовищем речовиною та енергією), що знаходиться в нерівноважному стані відбуваються незворотні процеси, які прагнуть привести систему в рівноважний стан. Перехід жваво системи в такий стан означає для неї смерть.
Таким чином, відкритість - одне з найважливіших властивостей живих систем.
Дуже важливим є питання про можливість застосування законів термодинаміки до живих систем.
I закон (початок) термодинаміки. Перший закон термодинаміки говорить: зміна енергії системи дорівнює кількості тепла, отриманого системою, плюс робота зовнішніх сил, досконала над системою
Для адиабатически ізольованих (Q = 0, тобто обміну теплом із зовнішнім середовищем не відбувається) і замкнутих (А = 0, тобто зовнішні сили відсутні) систем DE = 0. Останнє твердження є законом збереження енергії: при всіх змінах, що відбуваються в адиабатически ізольованих і замкнених системах повна енергія системи залишається постійною.
Якщо розглядати термодинамічну систему, що складається тільки з живої системи, то закон збереження енергії непридатний, так як жива система є відкритою. Для термодинамічної системи, що включає в себе живу систему і середовище, з якої система обмінюється енергією і речовиною, закон збереження енергії виконується. Дійсно, як показали досліди, загальна кількість енергії, яке отримує організм за деякий проміжок часу, знову виявляється згодом у вигляді:
а) тепла, що виділяється;
б) в яку здійснюють зовнішньої роботі або виділяються речовини;
в) у вигляді теплоти згорання речовин, синтезованих за цей проміжок часу за рахунок енергії, що надійшла ззовні.
II закон (початок) термодинаміки. Другий закон термодинаміки стверджує, що в ізольованій термодинамічній системі ентропія ніколи не може зменшуватися. Вона дорівнює нулю при оборотних процесах і може тільки збільшуватися при незворотних процесах, тобто DS ³ 0. Перехід системи з нерівноважного стану в рівноважний незворотній, тому також DS ³ 0.
Тут є також певний зв'язок з впорядкованістю системи, а також з інформацією (велика впорядкованість відповідає більшій кількості інформації). Можна говорити при цьому про єдність природи інформації та ентропії. Дійсно, збільшення ентропії відповідає переходу системи з більш упорядкованого в менш упорядкований стан. Такий перехід супроводжується зменшенням інформації, що міститься в структурі системи. Безлад, невизначеність можна трактувати як недолік інформації. У свою чергу зростання кількості інформації зменшує невизначеність.
Згадаймо фізичний зміст ентропії. Всі процеси, мимовільно протікають в природі, незворотні і сприяють переходу системи в рівноважний стан, яке завжди характеризується тим, що:
а) в процесі цього переходу завжди безповоротно виділяється деяка енергія і для здійснення корисної роботи вона використана бути не може;
б) рівноважному стані елементи системи характеризуються найменшою впорядкованістю.
Звідси випливає, що ентропія є як мірою розсіювання енергії, так і, що зараз для нас головне, мірою невпорядкованості системи.
Застосування другого закону термодинаміки до живих систем без урахування того, що це відкриті системи, призводить до протиріччя. Дійсно, ентропія повинна завжди зростати, тобто повинна зростати невпорядкованість живої системи. У той же час ми добре знаємо, що всі живі системи постійно створюють з безладу впорядкованість. У них створюється і підтримується фізичний і хімічний нерівновага, на якому заснована працездатність живих систем. В процесі розвитку кожного організму (ортогенеза), так само як і в процесі еволюційного розвитку (філогенезу) весь час утворюються нові структури, і досягається стан з більш високою впорядкованістю. А це означає, що ентропія (невпорядкованість) живої системи не повинна зростати. Таким чином, другий закон термодинаміки, справедливий для ізольованих систем, для живих систем, які є відкритими, непридатний.
Для відкритих термодинамічних систем зміна ентропії складається з суми
де DSi - зміна ентропії в ході процесів, що відбуваються в самій живій системі, DSe - зміна ентропії при обміні речовиною і енергією з навколишнім середовищем.
Згідно з другим законом термодинаміки величина DSi може бути тільки позитивною або в граничному випадку (оборотні процеси) дорівнює нулю. Величина dSe може бути позитивною (DSe> 0, система отримує ентропію) і негативною (DSe <0, система отдает энтропию). При этом суммарное изменение энтропии может быть и отрицательным. При DSe <0 и |DSe|> | DSi | :
що означає збільшення впорядкованості в разі, коли систему залишає більше ентропії, ніж виникає всередині її в ході незворотних процесів.
Розглянемо похідну ентропії за часом. яку називають швидкістю зміни або виробництвом ентропії. З виразу для DS слід, що виробництво ентропії відкритої системи:
Для стаціонарного стану, коли неравновесность в часі не змінюється, виробництво ентропії має дорівнювати нулю (похідна від постійної величини):
Це означає, що
тобто ентропія, що виникає в ході процесів, що відбуваються всередині системи (dSi), повинна повністю переходити в зовнішнє середовище.
Теорема Пригожина. Згідно з теоремою Пригожина, якщо відкриту термодинамічну систему при незмінних в часі умовах надати самій собі, то приріст ентропії буде зменшуватися до тих пір, поки система не досягне стаціонарного стану динамічної рівноваги; в цьому стані приріст ентропії буде мінімальним, тобто.
Таким чином, ми можемо сказати, що для відкритої системи в стаціонарному стані виробництво ентропії мінімально.
Для живих систем це означає наступне:
Протягом часу життя живої системи її елементи постійно піддаються розпаду. Ентропія цих процесів позитивна (виникає невпорядкованість).
Для компенсації розпаду (компенсації невпорядкованості) повинна відбуватися внутрішня робота в формі процесів синтезу елементів замість розпалися. А це означає, що ця внутрішня робота є процесом із негативною ентропією (такі процеси називають НЕГЕНТРОПІЙНОЇ. А негативну ентропію - негентропії).
Негейнтропійний процес протидіє збільшенню ентропії системи, яке пов'язане з процесом розпаду і створює впорядкованість.
Джерелом енергії для здійснення негентропійної внутрішньої роботи є:
Для організмів - гетеротрофів (харчуються тільки органічної їжею) - енергія у вигляді хімічних зв'язків і низька ентропія поглинаються високоструктурірованих органічних речовин. В цьому випадку поглинаються харчові речовини володіють більше впорядкованістю (меншою ентропією), ніж виділяються продукти обміну. Організми гетеротрофи переносять впорядкованість (негентропії) з поживних речовин в самих себе.
Для організмів - автотрофів (самостійно синтезують для себе поживні речовини з неорганічних сполук за участю сонячного випромінювання) - енергія сонячного світла, що представляє електромагнітне випромінювання з низькою ентропією.
Таким чином, обмін речовин з точки зору термодинаміки необхідний для протидії збільшенню ентропії, зумовленого необоротними процесами в живій системі.
Якщо розглядати систему «живий організм плюс середовище», з якої беруться поживні речовини і в яку віддаються продукти обміну, то другий закон термодинаміки справедливий: ентропія цієї системи зростає і ніколи не зменшується. Це означає, що жива система створює усередині себе впорядкованість за рахунок того, що вона зменшує впорядкованість в навколишньому середовищі.
Отже, жива система є відкритою системою, і її ентропія не збільшується, як це має місце в ізольованій системі. Це означає, що жива система постійно здійснює роботу, спрямовану на підтримку своєї впорядкованості, і знаходиться в нерівноважному стаціонарному стані. Виробництво ентропії при цьому (як випливає з теореми Пригожина) мінімально.
Таким чином, з позицій термодинаміки можна стверджувати, що живим системам властиві процеси, що зменшують ентропію систем і, отже, підтримують їх організованість.