3.9: 单元中的非平衡

研究新陈代谢和能量的一个重要概念是化学平衡。大多数化学反应是可逆的。它们可以向两个方向前进，在一个方向上将能量释放到环境中，并从另一个方向从环境中吸收能量。细胞代谢中涉及的化学反应也是如此，例如蛋白质分别分解和积累成单个氨基酸。封闭系统内的反应物将在两个方向上发生化学反应，直到它们达到平衡状态，这是可能的最低自由能之一和最大熵的状态。将反应物和产物推离平衡状态需要能量。必须添加、去除或更改反应物或产物。

如果一个细胞是一个封闭的系统，它的化学反应会达到平衡，它会死亡，因为没有足够的自由能来执行维持生命的必要工作。在活细胞中，化学反应不断走向平衡，但从未达到平衡。这是因为活细胞是一个开放的系统。物质进出，细胞将某些化学反应的产物回收到其他反应中，并且永远不会有化学平衡。以这种方式，生物体处于与平衡和熵的持续需要能量的艰苦战斗中。这种持续的能量供应最终来自阳光，阳光在光合作用过程中产生营养物质。

稳态是指维持寿命所需的相对稳定的内部环境。为了正常运作，细胞需要适当的条件，例如适当的温度、pH 值和适当浓度的各种化学物质。但是，这些条件可能会随时发生变化。尽管环境发生变化，生物体仍能够通过激活调节机制，几乎恒定地将稳态内部条件维持在狭窄的范围内。例如，生物体需要通过体温调节过程来调节体温。

本文改编自 Openstax，生物学 2e，第 6.2 节 势能、动能、自由能和活化能 节 和 1.2 生物学的主题和概念。