Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики

Подождите немного. Документ загружается.

2.4] СМЫСЛ БИОЛОГИЧЕСКОЙ УПОРЯДОЧЕННОСТИ 31

самостоятельным системам, конкурирующим с исходной

за наличные запасы мономерных нуклеотидов.

Таким

образом, благодаря

запоминанию

случайного

выбора

в приведенном гипотетическом примере возникла

упорядоченность, имеющая смысл, возникла система,

способная

создавать осмысленную информацию. Теперь

можно спросить: для

чего

полимеры в этой системе имеют

такую последовательность нуклеотидов? — и получить

ответ: для того, чтобы они могли существовать, так как

при

этой последовательности у них максимальные шансы

«выжить».

По своим физическим характеристикам молеку-

лы полимеров с такой последовательностью

могут

ничем

не

отличаться от

других.

Она имеет смысл просто потому,

что случайно возникла система самовоспроизводящихся

полимеров с этой последовательностью. Таким образом,

смысл некоторой упорядоченности есть категория биоло-

гическая,

т. е. определяемая всей историей возникновения

данной

упорядоченности, ее эволюцией. Не

следует

ду-

мать, что в понятии

«смысл»

есть нечто мистическое, не

подчиняющееся физическим законам. В принципе все свой-

ства объектов, имеющих смысл, можно логически вывести

из

их физических характеристик при условии знания их

истории,

эволюции.

Как

уже было сказано в гл. 1, автор считает, что проб-

лема эволюции не относится пока к области биофизики.

Приведенный

выше пример стабильной самовоспроиз-

водящейся системы нуклеиновых кислот ни в коем

случае

не

претендует на то, чтобы его связывали с происхожде-

нием

жизни на Земле. Это просто попытка продемон-

стрировать наиболее существенные характеристики про-

цесса создания осмысленной упорядоченности на примере

биополимеров с использованием некоторых хорошо из-

вестных их свойств.

Кастлер приводит и

другой

пример возникновения

осмысленной

упорядоченности. Пусть имеется сейф с зам-

ком;

код для его открывания состоит из

трех

цифр.

Есть

набор цифр от 0 до 9 и устройство случайного выбора,

позволяющее отобрать из набора тройку

цифр.

Выберем

с помощью этого устройства три цифры и введем их в виде

кода в замок сейфа. До такой операции любые мыслимые

последовательности из

трех

цифр ничем

друг

от

друга

не

отличались: все они не имели смысла. Введение случайно

32 УПОРЯДОЧЕННОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР [ГЛ. 2

отобранной

тройки цифр в замок сейфа сделало эту

последовательность осмысленной. Смысл ее заключается

просто в том, что данная последовательность позволяет

открыть сейф, а

другие

— нет.

Легко видеть, что этот пример в принципе ничем не

отличается от примера с нуклеиновыми кислотами. В обо-

их случаях осмысленная упорядоченность, новая осмы-

сленная

информация, создается способом запоминания

случайного выбора. Речь идет именно о

создании

новой

информации,

а не об извлечении ее из шумов. До того,

как

полимер со случайной последовательностью нуклео-

тидов образовал стабильную

двунитевую

структуру,

или

до того, как случайная последовательность

трех

цифр была

введена в замок сейфа, информации о том, что именно эти

последовательности

«лучше»

других

(одна — тем, что

приобрела способность к длительному существованию

самовоспроизведению,

другая

— тем, что приобрела

способность открывать сейф), просто не существовало.

В упорядоченность был вложен смысл, информация была

создана, сотворена. В

результате

этой процедуры непред-

сказуемое превратилось в неизбежное. По мысли компо-

зитора Пьера Буле, превращение непредсказуемого в не-

избежное есть творчество [10]. Возможно, в основе лю-

бого творчества лежит, в конце концов, принцип запоми-

нания

случайного выбора.

Способность создавать новую информацию, придавать

смысл упорядоченности, есть, по-видимому, обязательное

свойство живой материи. Всякое определение условно

ограниченно, но я не могу удержаться от следующей

формулировки. Живыми называются самовоспроизводя-

щиеся

системы, способные к созданию информации, пря-

мо или косвенно влияющей на их самовоспроизведение.

§ 2.5. НЕОБХОДИМОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Системы, способные к созданию осмысленной упорядо-

ченности,

примеры которых были приведены в предыду-

щем параграфе, обладают одним общим свойством. Они

содержат осмысленные компоненты, конструкции, вре-

мена жизни которых превышают время одного цикла ра-

боты системы. В

случае

системы нуклеиновых кислот это

означает, что стабильная компонента, двунитевой поли-

2.6] ПРОБЛЕМЫ 33

мер,

не расплетется и не гидролизуется до того, как про-

изойдет редубликация, а во втором примере,— что замок

сейфа

не разрушится после введения кода до того, как бу-

дет испытана хотя бы одна тройка

цифр.

По-видимому, это требование присутствия долгожи-

вущих, медленно релаксирующих образований (конструк-

ций)

обязательно для живой материи. Нельзя построить

биологическую систему, используя только

газовую

фазу!

На

протяжении всей книги, рассматривая физические

аспекты самых различных биологических процессов, мы

все время

будем

сталкиваться с тем, что центральную

роль в этих процессах играют медленно релаксирующие

механические компоненты — конструкции.

§ 2.6. ПРОБЛЕМЫ

Подытоживая содержание этой главы, можно утвер-

ждать,, что проблемы, возникающие при рассмотрении

упорядоченности биологических структур, ее создания и

эволюции,

не лежат в области физики *). Не

существует

термодинамических аспектов биологической эволюции,

так

же как не

существует

особой «биологической термоди-

намики».

В последние годы при рассмотрении вопросов теоре-

тической биологии стало модным пользоваться аппаратом

теории информации. До настоящего времени, однако,

большинство работ с применением теории информации

биологии носит тривиальный характер — хорошо из-

вестные факты и положения переводят на

другой

язык.

Для биологических систем, систем с осмысленной упоря-

доченностью, определяющим становится не количество,

а-качество, ценность информации. Создание формального

аппарата теории информации, учитывающего ее качество,

явилось

бы важным шагом в развитии теоретической био-

логии.

Я не вполне уверен в осуществимости этого шага.

*) Если не считать, конечно, что к области физики относятся

все явления в природе.

2 Л. А. Блюменфельд

Г Л А В А 3

НЕРАВНОВЕСНАЯ

ТЕРМОДИНАМИКА

БИОЛОГИЧЕСКАЯ

ФИЗИКА

3.1.

ОТКРЫТЫЕ

СИСТЕМЫ

Биологические объекты представляют собой термоди-

намически

открытые системы, способные обмениваться

с окружающей средой энергией и веществом. Это три-

виальное утверждение повторяется за последние три

десятилетия настолько часто, что восприимчивый чита-

тель или слушатель начинает вкладывать в него более

глубокий (хотя и не очень четкий) смысл, чем тот, который

нем действительно содержится.

Обычная термодинамика строго применима лишь к со-

стоящим

из огромного числа частиц изолированным

системам в состоянии термодинамического равновесия.

Только для таких систем имеют строгий физический смысл

важнейшие термодинамические величины — температура

энтропия. Собственно говоря, это было ясно еще Больц-

ману, а вполне строго показано Хинчиным в прекрасной

и,

к сожалению, малоизвестной монографии «Математи-

ческие основания статистической механики» [1]. Поэтому

вполне справедлива часто высказываемая мысль о том,

что обычная термодинамика является по

существу

тер-

мостатикой.

Поскольку

полностью изолированных систем в при-

роде не

существует,

необходимо четко понимать, какой

смысл вкладывается в термодинамические величины, ког-

да они используются для описания реальных систем.

Понятиями

равновесной термодинамики можно пользо-

ваться в тех

случаях,

когда речь идет о временах, доста-

точно больших, чтобы взаимодействия

между

компонен-

тами системы успели приблизить ее к локальному ста-

тистическому равновесию, и достаточно малых, чтобы

можно было пренебречь «медленными» взаимодействиями

системы с окружающей средой (подробнее об этом см.

[2]) и медленными изменениями степени кинетической

неравновесности (см. гл. 4).

ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ 35

В любых клетках и многоклеточных организмах идет

множество процессов, удовлетворяющих сформулирован-

ному выше требованию. Это главным образом химические

превращения

при условии, что нас интересуют только

характеристики начальных и конечных состояний в про-

цессе, более или менее разумно выделенном из множества

связанных и одновременно протекающих реакций. В этом

смысле применение равновесной термодинамики к живым

системам столь же законно (или столь ,же незаконно),

как

и к мертвым.

Однако при исследовании живой и мертвой природы

встречаются ситуации, когда взаимодействием системы

с внешним миром нельзя сколько-нибудь обоснованно пре-

небречь. Для описания явлений, происходящих в таких

системах,

существует

наука, получившая название тер-

модинамики

необратимых процессов или неравновесной

термодинамики.

Строго говоря, теория сделана только

для «не слишком неравновесных» систем. Эта теория ока-

зывается весьма полезной при рассмотрении ряда явле-

ний

в живой и мертвой природе, причем никакой специ-

фикой

соответствующие явления в биологических систе-

мах не отличаются.

Первые попытки создания неравновесной термодина-

мики

относятся к середине прошлого века и связаны с

изучением ряда термоэлектрических явлений. Однако

основные

уравнения теории были строго получены только

1931 г. Онзагером [3, 4]. Дальнейшее развитие нерав-

новесной

термодинамики связано с именами Казимира,

Мейкснера

и Пригожина.

По-видимому, первые представления о принципиаль-

ной

неравновесности живой материи были изложены в ра-

ботах

Бауэра [5] и Гурвича [6] в двадцатых и тридцатых

годах

нашего века. «Устойчиво неравновесные системы»

Бауэра и «молекулярные констелляции» Гурвича, в сущ-

ности,

весьма близки к понятию стационарных состоя-

ний,

поддерживаемых в удалении от равновесия за счет

постоянных

внешних термодинамических сил (онзагеров-

ская

неравновесная термодинамика), и

даже

к понятию

Диссипативных структур, введенному в работах Приго-

ясина.

В этой главе излагаются основы неравновесной термо-

Динамики

в области выполнимости линейных феномено-

36 НЕРАВНОВЕСНАЯ

ТЕРМОДИНАМИКА

БИОЛОГИИ

[ГЛ. 3

логических соотношений (см., например, [7—9]). В кон-

це главы

будут

изложены некоторые результаты, полу-

ченные в последних работах Пригожина с сотрудниками

по

диссипативным структурам вдали от равновесия.

В связи с ними необходимо

будет

коснуться колебатель-

ных режимов в химических и биологических процессах.

Анализ соответствующих работ позволит высказать сом-

нения

в продуктивности и обоснованности общего термо-

динамического подхода к поведению систем вдали от рав-

новесия.

§ 3.2. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ

При

рассмотрении любого необратимого процесса в

макроскопической

системе можно выделить два типа ве-

личин,

характеризующих этот процесс. Так, например,

явлении теплопроводности такими величинами

служат

поток

тепла Q и вызывающий его градиент температуры

grad

Т. В

случае

электропроводности поток количества

электричества (сила тока /) пропорционален градиенту

потенциала

grad

V (закон Ома). Закон Фика связывает

поток

диффундирующего вещества с градиентом концент-

рации.

случае

химической реакции поток превращаю-

щегося вещества (т. е. скорость реакции г?) обусловлен

химическим сродством А = З^ь где V; и (г

;

— стехиомет-

рический

коэффициент и химический потенциал i-й ком-

поненты

соответственно, а произведения v^ для исходных

конечных продуктов реакции

входят

сумму

с разными

знаками.

Градиенты концентрации, температуры, потенциала,

химическое сродство и т. д., вызывающие в системе пере-

нос

вещества, теплоты, заряда, химическое превращение

т. д., получили общее название

термодинамических

сил или просто сил и обозначаются, как правило, симво-

лами X или Y. Величины второго типа называют термо-

динамическими

потоками или просто потоками и обозна-

чают обычно символом /. Мы видели, что законы пере-

численных выше необратимых процессов сводятся к

пропорциональности

между

потоками и соответствующими

силами:

Jt =

(3.1)

3.2] ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ 37

где ЬЦ — феноменологические коэффициенты (теплопро-

водности, электропроводности, диффузии и т. д.).

В общем

случае

любая сила способна вызывать любой

поток.

Так,

grad

T может приводить к возникновению не

только потока тепла, но и потока вещества (термодиффу-

зия).

Поэтому линейные феноменологические соотноше-

ния

следует

записать в форме

h = S LA. (3.2)

Теперь перейдем к теореме Онзагера о соотношениях

взаимности,

которые

лежат

в основе неравновесной тер-

модинамики.

Для

того

чтобы четко сформулировать содер-

жание теоремы (мы ограничимся рассмотрением физичес-

кого смысла теоремы и допущений,

делаемых

при ее

доказательстве), необходимо принять во внимание

сущест-

вование

двух

различных типов термодинамических сил,

обозначаемых в дальнейшем X и Y. В целях упрощения

мы исключим из рассмотрения системы, находящиеся во

внешнем

магнитном поле.

Пусть дана изолированная система, состояние которой

(и,

следовательно, имеющиеся термодинамические силы)

определяется параметрами

следующих

двух

типов: A

,. . ., А

, являющихся четными функциями скоростей,

входящих в систему частиц (например, локальные

энер-

гии,

концентрации), и В

, В

,. . ., В

, являющихся со-

ответствующими нечетными функциями (например, ло-

кальные градиенты скоростей). Пусть отклонения этих

параметров от равновесных значений А\ и В\ равны

= А, - А\, р, = -В, - В\. (3.3)

Отклонение

AS энтропии от равновесного (максимального)

значения

*) можно в первом приближении записать в

форме квадратичной функции:

п т

AS = -

h S

giiflifli

- V. 2 hM, (3-4)

*) Речь идет о величине AS на единицу объема системы, т. е.

общем

случае

о локальных значениях AS.

НЕРАВНОВЕСНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА В БИОЛОГИИ [ГЛ. 3

где

* ~~ дьм^ '

* ft

Термодинамические потоки должны, очевидно, опре-

деляться скоростью изменения параметров А и В, а тер-

модинамические силы — отклонениями этих параметров

от равновесных значений. Введем термодинамические

потоки в форме

da.

(3.5)

а термодинамические силы

dAS

_ "

*=1

да.

- в виде

, i =

1,2,.

. .,п,

(3.6)

Потоки

и силы связаны линейными феноменологическими

соотношениями типа (3.2), феноменологические

коэф-

фициенты

ilt

удовлетворяют

соотношениям

взаимности

Онзагера:

(3.7)

При

доказательстве теоремы Онзагера (т. е. при вы-

воде соотношений (3.7)) используется постулат о микро-

скопической обратимости, т. е. об инвариантности урав-

нения

движения каждой частицы относительно изменения

знака

времени. Кроме того, при доказательстве приходит-

ся

постулировать линейную связь

между

скоростью за-

тухания флуктуации а

экстенсивного параметра А

и ве-

личиной флуктуации

(3.8)

3.2] ФЕНОМЕН0ЛО1ИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ 39

Этот постулат означает, что флуктуации достаточно ма-

лы.

Таким образом, соотношения взаимности (3.7) спра-

ведливы лишь для систем, сравнительно близких к рав-

новесию.

Большое значение в неравновесной термодинамике

имеет величина, обозначаемая а и называемая

производ-

ством

энтропии.

Эта величина имеет смысл скорости

изменения

энтропии в единице объема системы в результа-

те протекания необратимых процессов.

Следует

специаль-

но

подчеркнуть, что речь идет не обо всем изменении энт-

ропии

системы, а лишь о той части этого изменения, кото-

рая

обусловлена происходящими в системе необратимыми

процессами.

Для открытых систем скорость полного из-

менения

энтропии dS/dt делится на две части:

dt ~ dt

dt ' ^-

У)

где d

S/dt — поток энтропии, обусловленный обменом ве-

ществом и энергией

между

системой

окружающей

сре-

дой, а - = Р = \ о dV — полное производство энтропии

за счет необратимых процессов

внутри

системы.

Как

уже было сказано, производство энтропии а

есть возникновение энтропии в системе на единицу объе-

ма в единицу времени, т. е. интенсивность источника эн-

тропии

в системе. Если перейти к локальным формули-

ровкам не только для

Sldt,

но и для остальных членов

(3.9), получим следующие выражения для второго за-

кона

термодинамики в

случае

открытых систем:

^-=-divJ

nojIH

+ o-,

(3.10)

<з

> 0.

(3.11)

Здесь s — энтропия на единицу массы, р — плотность

(ps — энтропийна единицу объема), 1»

>ш

>лн — полный по-

ток

энтропии через единицу поверхности в единицу вре-

мени.

Соотношение

(3.10)

есть уравнение баланса энтро-

пии

в открытой системе при наличии источника энтропии

с интенсивностью а, удовлетворяющей (3.11). Для изоли-

рованных систем J

= 0 и

(3.10)

(3.11)

превращаются

обычную формулировку второго закона термодинамики.

40 НЕРАВНОВЕСНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

БИОЛОГИИ

[ГЛ. 3

При

выводе (3.10) и

(3.11)

фактически постулируется,

что закон d

S ;> 0 выполняется и для бесконечно малых

частей системы. Это выполняется тем строже, чем менее

неравновесна система. Чем дальше система от равновесия,

тем больше вероятность локальных флуктуации энтропии,

противоречащих (3.11).

Из

(3.4) получаем

п т

г, Л=1 г, 7с=Х

Подставив в (3.9) формулы (3.5) и (3.6), находим

п т

= a ^^i + s

Л^Г-

(3.13)

г=1

Производство энтропии оказывается билинейной функцией

сопряженных потоков и сил. Уравнение (3.13) позволяет

найти правильные выражения для необратимых термоди-

намических потоков и сил.

3.3.

СТАЦИОНАРНЫЕ

СОСТОЯНИЯ

Рассмотрим открытую систему, характеризующуюся п

независимыми силами *), которые по (3.2) приводят к воз-

никновению

п потоков

/i = 2i ^хХк (i = 1, 2, . . ., в).

Производство энтропии а равно тогда

о = S

JiXi.

(3.13')

i=l

Это означает, что единица объема системы рассеивает

в единицу времени энергию, равную То. Подставив (3.2)

в (3.13') и учитывая (3.11), получим

а- Ъ

WA>0.

(3.14)

г, к=1

*) Для простоты мы не делим силы на два типа, как выше,

а обозначаем их одним символом X.