თერმოდინამიკის პირველი და მეორე კანონი, მათი გავლენა ბიოლოგიურ სისტემებზე.

შესავალი

როგორი სისტემა ხართ თქვენ? ღია თუ დახურული? როგორც აღმოჩნდა, ეს კითხვა ფილოსოფიაზე მეტად ფიზიკის სფეროს მიეკუთვნება. თქვენ, ისევე, როგორც ყველა ცოცხალი ორგანიზმი, ღია სისტემა ხართ, ანუ თქვენს ენერგიასა და ნივთიერებას მიმოცვლით თქვენს გარემოსთან. ასე მაგალითად, თქვენ ქიმიურ ენერგიას საკვების სახით იღებთ და მუშაობას ასრულებთ თქვენს გარემოში მოძრაობის, ლაპარაკის, სიარულისა და სუნთქვისას.
ენერგიის მიმოცვლის ყველა რეაქცია, რომელიც ხდება თქვენში (მაგალითად, მრავალი მეტაბოლური რეაქცია) და თქვენსა და გარემოს შორის, ფიზიკის იმავე კანონებით აიხსნება, რომლებითაც ენერგიის გაცვლა თბილ და ცივ ობიექტებს ან აირის მოლეკულებს შორის და საერთოდ ყველაფერი, რაც ფიზიკის წიგნში წერია. ამ სტატიაში ფიზიკის ორ კანონს გავეცნობით, თერმოდინამიკის პირველ და მეორე კანონებს, და გავიგებთ, როგორ მოქმედებენ ისინი ბიოლოგიურ სისტემებზე, მაგალითად, თქვენზე.

სისტემები და გარემო

ბიოლოგიაში თერმოდინამიკა ის განხრაა, რომელიც შეისწავლის ენერგიის ცვლას მოლეკულებს ან მოლეკულების ჯგუფებს შორის. თერმოდინამიკის საკითხების განხილვისას, ჩვენთვის საინტერესო რაიმე ობიექტს ან ობიექტების ჯგუფს (რომელიც შეიძლება, იყოს უჯრედივით პატარა ან ეკოსისტემასავით დიდი) სისტემა ეწოდება, ყველაფერ დანარჩენს კი, რაც სისტემაში არ შედის, გარემო.
მაგალითად, თუ წყლიან ქვაბს ქურაზე შედგამთ და გააცხელებთ, სისტემა იქნება ქურა, ქვაბი და წყალი, გარემო კი — ყველაფერი დანარჩენი: სამზარეულო, სახლი, უბანი, ქვეყანა, პლანეტა, გალაქტიკა და სამყარო. ის, თუ რა შედის სისტემაში, პირობითია (დამკვირვებელზეა დამოკიდებული) და იმის მიხედვით, თუ რისი შესწავლა გსურთ, შეგიძლიათ, სისტემად მხოლოდ წყალი ან მთელი სახლი ჩათვალოთ. სისტემა და გარემო ერთად სამყაროს ქმნის.
თერმოდინამიკაში სამი სახის სისტემა არსებობს: ღია, დახურული და იზოლირებული.
  • ღია სისტემასა და გარემოს შორის მიმოიცვლება ორივე, ენერგიაცა და ნივთიერებაც. ქურაზე დადგმული ქვაბის მაგალითი ღია სისტემას მიეკუთვნება, რადგან სითბო და წყლის ორთქლი შეიძლება, ჰაერში დაიკარგოს.
  • მეორე მხრივ, დახურულია სისტემა, რომელიც გარემოსთან მხოლოდ ენერგიას მიმოცვლის, ნივთიერებას კი — არა. თუ ძალიან მჭიდრო თავსახურს მოვათავსებთ წინა მაგალითის ქვაბზე, სისტემა თითქმის დახურული გახდება.
  • იზოლირებულია სისტემა, რომელიც გარემოსთან არც ენერგიას მიმოცვლის და არც ნივთიერებას. იდეალური იზოლირებული სისტემის პოვნა რთულია, მაგრამ სასმელების თავდახურული მაცივარი იდეურად მსგავსია ჭეშმარიტად იზოლირებული სისტემისა. მასში არსებული ობიექტები ერთმანეთთან ცვლიან ენერგიას, რის შედეგადაც სასმელი ცივდება, ყინული კი ოდნავ დნება, მაგრამ ისინი ენერგიას (სითბოს) თითქმის არ მიმოცვლიან გარემოსთან.
თქვენ, როგორც ყველა სხვა ორგანიზმი, ღია სისტემა ხართ. იმის მიუხედავად, იაზრებთ ამას თუ არა, თქვენ მაინც მუდმივად ცვლით გარემოსთან ენერგიასა და ნივთიერებას. მაგალითად, ვთქვათ, სტაფილო შეჭამეთ, სარეცხის ჩანთა მაგიდაზე დადეთ ან, უბრალოდ, ამოისუნთქეთ და ნახშირორჟანგი ატმოსფეროში გამოყავით. თითოეულ შემთხვევაში თქვენ ენერგიასა და ნივთიერებას მიმოცვლით გარემოსთან.
ენერგიის მიმოცვლა, რომელიც ცოცხალ ორგანიზმებში ხდება, ფიზიკის კანონებს უნდა ემორჩილებოდეს. ამ თვალსაზრისით, ეს კანონები იგივეა, რაც, ვთქვათ, ელექტრულ წრედში მოქმედი. მოდით, უფრო კარგად გავეცნოთ, როგორ მოქმედებენ თერმოდინამიკის კანონები (ენერგიის მიმოცვლის ფიზიკური წესები) ცოცხალ ორგანიზმებში, მაგალითად, თქვენში.

თერმოდინამიკის პირველი კანონი

თერმოდინამიკის პირველი კანონი ფართომასშტაბიანია: იგი სამყაროში ენერგიის მთლიან რაოდენობას ეხება და ამტკიცებს, რომ ეს რაოდენობა არ იცვლება. სხვაგვარად რომ ვთქვათ, თერმოდინამიკის პირველი კანონის მიხედვით, ენერგია ვერც შეიქმნება და ვერც განადგურდება. იგი მხოლოდ ფორმას იცვლის ან ერთი ობიექტიდან მეორეზე გადაიტანება.
ეს კანონი თითქოსდა აბსტრაქტულია, მაგრამ თუ მაგალითებს გავიაზრებთ, აღმოვაჩენთ, რომ ენერგია მუდმივად გადაიტანება და გარდაიქმნება ჩვენ გარშემო. მაგალითად:
  • ნათურები ელექტრულ ენერგიას სითბურ ენერგიად გარდაქმნიან (გამოსხივებულ ენერგიად).
  • ბილიარდის ერთი ბურთი მეორეს ეჯახება, გადასცემს მას კინეტიკურ ენერგიას და ძრავს ადგილიდან.
  • მცენარეები მზის სინათლის ენერგიას (გამოსხივების ენერგიას) ქიმიურ ენერგიად გარდაქმნიან და ორგანულ მოლეკულებში ინახავენ.
  • ბოლო წახემსებისას მიღებულ ქიმიურ ენერგიას თქვენ კინეტიკურ ენერგიად გარდაქმნით სიარულისას, სუნთქვისას და ამ გვერდის ზემოთ და ქვემოთ გადაადგილების მიზნით თითის გამოძრავებისას.
მნიშვნელოვანია, რომ ენერგიის გადატანის ამ მაგალითებიდან არცერთი არაა სრულიად ეფექტური. თითოეულ შემთხვევაში საწყისი ენერგიის ნაწილი სუთბური ენერგიის სახით იკარგება. ერთი ობიექტიდან მეორეზე გადასვლისას თერმულ ენერგიას უფრო ნაცნობი სახელი — სითბო ეწოდება. ანთებული ნათურა სინათლესთან ერთად სითბოსაც რომ წარმოქმნის, ცხადია, მაგრამ ბილიარდის ბურთის მოძრაობაც იწვევს ამას (ხახუნის წყალობით) და ქიმიური ენერგიის არაეფექტური გადატანაც მცენარეებისა და ცხოველების მეტაბოლიზმში. თუ გსურთ, გაიგოთ, რატომაა მნიშვნელოვანი სითბოს ასე წარმოქმნა, თერმოდინამიკის მეორე კანონს გაეცანით.

თერმოდინამიკის მეორე კანონი

ერთი შეხედვით, თერმოდინამიკის პირველი კანონი საკმაოდ კარგი ამბავია. ენერგია ვერც შეიქმნება და ვერც განადგურდება, ესე იგი, შეგვიძლია ის ხელახლა და ხელახლა გადავამუშავოთ, ჰო?
დიახ...და არა. ენერგია ვერც შეიქმნება და ვერც განადგურდება, მაგრამ იგი შეიძლება, უფრო გამოსადეგ და ნაკლებად გამოსადეგ ფორმებში გადავიდეს. როგორც აღმოჩნდა, რეალურ სამყაროში ენერგიის ნებისმიერ გადატანას ან გარდაქმნას თან ახლავს მისი ნაწილის გამოუსადეგარ ფორმად (ფორმა, რომელიც მუშაობის შესასრულებად არგამოდგება) დაკარგვა. შემთხვევათა უმრავლესობაში ეს ფორმა სითბოა.
სითბო შესაბამის პირობებში მუშაობის შესასრულებლად გამოდგება, მაგრამ იგი მაინც ვერასდროს გარდაიქნება სხვა (მუშაობის შემსრულებელ) ენერგიად 100%-იანი ეფექტურობით. შესაბამისად, ყოველთვის, როცა ენერგია ერთი ობიექტიდან მეორეზე გადაიტანება, მისი ნაწილი გამოსადეგიდან გამოუსადეგად ფორმად გარდაიქმნება.

სითბო სამყაროს უწესრიგობას ზრდის

თუ სითბო სამუშაოს არ ასრულებს, მაშინ რას აკეთებს იგი? "გამოუსადეგარი" სითბო სამყაროს უწესრიგობას ზრდის. ეს დასკვნა საკმაოდ დიდი ნახტომია ლოგიკაში, ამიტომ მოდით, ერთი ნაბიჯით უკან დავიხიოთ და ვნახოთ, როგორ ხდება ეს.
თუკი სხვადასხვა ტემპერატურის ორი ობიექტი გაქვთ (ვთქვათ, ერთი და იმავე ლითონის ორი ბლოკი), თქვენი სისტემა მეტ-ნაკლებად ორგანიზებულია: მოლეკულები სიჩქარის მიხედვითაა განაწილებული, ცივ საგანში უფრო ნელა მოძრაობენ, თბილში კი — სწრაფად. თუ სითბო თბილი ობიექტიდან ცივზე გადავიდა (ეს თავისით მოხდება), თბილი ბლოკის მოლეკულების სიჩქარე შემცირდება, ცივისა კი გაიზრდება, სანამ ყველა მოლეკულა ერთნაირი, საშუალო სიჩქარით არ იმოძრავებს. შედეგად სწრაფ და ნელ მოლეკულებად განაწილების ნაცვლად მივიღებთ ერთნაირი სიჩქარით მოძრავი მოლეკულების ერთ დიდ სიმრავლეს — საწყისზე უფრო უწესრიგო სიტუაციას.
ეს სისტემა უწესრიგო მდგომარეობისკენ ისწრაფვის, რადგან სტატისტიკურად მისი არსებობა უფრო შესაძლებელია, ვიდრე ტემპერატურის მიხედვით დანაწილებული კონფიგურაციისა (ანუ უწესრიგო მდგომარეობის ბევრად მეტი შესაძლებელი ვარიანტი არსებობს). ამ საკითხის უფრო კარგად გასაგებად გაეცანით ამ ტუტორიალის ვიდეოებს ან პირდაპირ ფიზიკის ამ ვიდეოს.

ენტროპია და თერმოდინამიკის მეორე კანონი

სისტემაში შემთხვევითობის, ანუ, ქაოსის დონეს ენტროპია ჰქვია. რადგან ვიცით, რომ ყოველი ენერგიის გადაცემის შედეგად, ენერგიის ნაწილი გამოუყენებელ ენერგიად (მაგალითად, სითბოდ) გარდაიქმნება და რადგან სითბო, რომელიც არ გამოიყენება, ზრდის სამყაროს შემთხვევითობას, შეგვიძლია ჩამოვაყალიბოთ ბიოლოგიისთვის რელევანტური თერმოდინამიკის მეორე კანონი: ყოველი ენერგიის გადაცემა გაზრდის სამყაროს ენტროპიას და შეამცირებს გამოსაყენებელ ენერგიას (ან, ყველაზე ექსტრემალურ შემთხვევებში, ენტროპიას არ შეცვლის). სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ყველა პროცესი, მაგალითად, ქიმიური რეაქცია ან ერთმანეთთან დაკავშირებული რეაქციების ნაკრები ისეთი მიმართულებით გაგრძელდება, რომელიც სამყაროს მთლიან ენტროპიას ზრდის.
რომ შევაჯამოთ, თერმოდინამიკის პირველი კანონი პროცესებში ენერგიის შენახვას ეხება, მეორე კი ამ პროცესების მიმართულებას გვამცნობს — დაბლიდან მაღალი ენტროპიისკენ (მთლიანად სამყაროში).

ენტროპია ბიოლოგიურ სისტემებში

თერმოდინამიკის მეორე კანონიდან ლოგიკურად გამომდინარეობს, რომ პროცესი როგორღაც სამყაროს ენტროპიას უნდა ზრდიდეს იმისთვის, რომ იგი წარიმართოს. ამან შეიძლება, მაშინვე კითხვები გაგიჩინოთ, თუ ცოცხალ ორგანიზმებზე, მაგალითად, თქვენს თავზე, იფიქრებთ. თქვენ რა, ნივთიერების საკმაოდ ორგანიზებული გროვა არ ხართ? თქვენი ორგანიზმის თითოეულ უჯრედს შინაგანი ორგანიზაცია აქვს, თავად უჯრედები ქსოვილებად ორგანიზდება, ქსოვილები — ორგანოებად, მთელი თქვენი სხეული კი ტრანსპორტის, მიმოცვლისა და კავშირების მოწესრიგებული სისტემაა. შესაბამისად, ერთი შეხედვით, გაუგებარია, როგორ შეიძლება მარტივი ბაქტერიაც კი სამყაროს ენტროპიის ზრდის მაგალითს წარმოადგენდეს.
ამის ასახსნელად ჯერ გავეცნოთ ენერგიის მიმოცვლის პროცესებს, რომლებიც თქვენს სხეულში ხდება, მაგალითად, სეირნობისას. წინ გადასაადგილებლად თქვენ ფეხის კუნთებს კუმშავთ, რისთვისაც რთული მოლეკულების, მაგალითად, გლუკოზას, ქიმიური ენერგია გამოიყენება და კინეტიკურ ენერგიად გარდაიქმნება (თუ აღმართზე ადიხართ, პოტენციურ ენერგიადაც). მიუხედავად ამისა, ამ პროცესის ხარჯეფექტურობა საკმაოდ დაბალია: თქვენი საწვავის ენერგიის დიდი ნაწილი, უბრალოდ, სითბოდ გარდაიქმნება. ამ სითბოს ნაწილი თქვენი სხეულის ტემპერატურას ინარჩუნებს, მაგრამ უფრო დიდი ნაწილი გარემოში იკარგება.
სითბოს გარემოში გადასვლა მის ენტროპიას ზრდის. ამას იწვევს ისიც, რომ სიარულისას საწვავის წვის დროს თქვენს ორგანიზმში დიდი, რთული ბიომოლეკულები პატარა, მარტივ ნაერთებად იშლება, მაგალითად, ნახშირორჟანგად და წყლად. ამ მაგალითში ადამიანი მოძრაობს, მაგრამ იგივე ხდება ადამიანისა და ნებისმიერი სხვა ორგანიზმის მოსვენებისასაც. ამ დროს ნივთიერებათა ცვლა მინიმალური, ბაზალური სიჩქარით მაინც მიმდინარეობს, რთული ნაერთები პატარა და რაოდენობრივად უფრო მეტ მოლეკულად იშლება, სითბო გამოთავისუფლდება და გარემოს ენტროპია იზრდება.
უფრო რომ განვაზოგადოთ, ნამდვილად შესაძლებელია იმ პროცესების წარმართვა, რომლებიც ადგილობრივად ენტროპიის შემცირებას იწვევენ, მაგალითად, ცოცხალი ორგანიზმების მაღალიორგანიზებული სხეულების წარმოქმნა და შენარჩუნება. თუმცა, ენტროპიის ეს ადგილობრივი შემცირება მხოლოდ ენერგიის ხარჯვითაა შესაძლებელი, ამ ენერგიის ნაწილი კი სითბოდ ან სხვა, გამოუსადეგარ ფორმად გარდაიქმნება. თავდაპირველი პროცესისა (ენტროპიის ადგილობრივად შემცირება) და ენერგიის გადატანის (გარემოს ენტროპიის გაზრდა) ჯამური შედეგი სამყაროს საერთო ენტროპიის გაზრდაა.
შეჯამების სახით ვთქვათ, რომ ცოცხალი ორგანიზმების მაღალორგანიზებულობა ენერგიის მუდმივად ხარჯვის გზით ნარჩუნდება, ამას კი გარემოს ენტროპიის ზრდა აკომპენსირებს.
იტვირთება