3.4: Энтропия внутри клетки

Основные задачи живой клетки по получению, преобразованию и использованию энергии для выполнения работы могут показаться простыми. Однако, второй закон термодинамики объясняет, почему эти задачи сложнее, чем кажутся. Ни один из способов передачи энергии во Вселенной не является полностью эффективным. При каждой передаче энергии некоторое количество энергии теряется в непригодной для использования форме. В большинстве случаев этой формой является тепловая энергия. С термодинамической точки зрения тепловая энергия определяется как энергия, передаваемая от одной системы к другой, которая не является работой. Например, некоторая энергия теряется в виде тепловой энергии во время клеточных метаболических реакций.

Важным понятием в физических системах является понятие порядка и беспорядка. Чем больше энергии теряет система в окружающую среду, тем менее упорядоченной и более хаотичной является система. Ученые называют меру случайности или беспорядка внутри системы энтропией. Высокая энтропия означает высокий беспорядок и низкую энергию. Молекулы и химические реакции также имеют различную энтропию. Например, энтропия увеличивается по мере того, как молекулы с высокой концентрацией в одном месте диффундируют и распространяются.

Живые существа очень упорядочены и требуют постоянного расхода энергии для поддержания в состоянии низкой энтропии. Поскольку живые системы поглощают запасающие энергию молекулы и преобразуют их посредством химических реакций, они теряют в процессе некоторое количество полезной энергии, поскольку ни одна реакция не является полностью эффективной. Они также производят отходы и побочные продукты, которые не являются полезными источниками энергии. Этот процесс увеличивает энтропию окружения системы. Поскольку любая передача энергии приводит к потере части полезной энергии, второй закон термодинамики гласит, что каждая передача или преобразование энергии увеличивает энтропию Вселенной. Несмотря на то, что живые существа высоко упорядочены и поддерживают состояние низкой энтропии, общая энтропия Вселенной постоянно увеличивается из-за потери полезной энергии с каждой происходящей передачей энергии. По сути, живые существа ведут непрерывную тяжелую борьбу с постоянным ростом энтропии Вселенной.

Этот текст адаптирован из Openstax Biology 2e, Section 6.3 Законы термодинамики.

Живые клетки подчиняются второму закону термодинамики, который гласит, что системы имеют тенденцию переходить от состояний с низкой энтропией к состояниям с высокой энтропией и неупорядоченными состояниями без внешнего вмешательства.

Например, пассивный транспорт концентрированного кислорода из легких в менее насыщенную кислородом кровь рассеивает молекулы кислорода, увеличивая энтропию системы.

Клетки получают энергию от расщепления молекул, таких как глюкоза. Побочные продукты реакции – углекислый газ, вода и тепло – выделяются в окружающую среду, повышая ее энтропию.

Выживание клеток зависит от высокоупорядоченных систем, таких как ДНК и белки. Образование этих упорядоченных структур вызывает уменьшение энтропии системы, которое должно сопровождаться равным или большим увеличением энтропии окружающей среды.

Одиночные нити ДНК неупорядочены, и их энтропия уменьшается при повторном отжиге в упорядоченную структуру двойной спирали.

В то же время энергия выделяется в окружающую среду при образовании двойной спирали. Эта энергия делает окружающую обстановку более неупорядоченной и увеличивает ее энтропию.