В формулировке М. Планка, энергия – это «способность производить внешнее действие, т. е. совершать работу». Законы, согласно которым происходит превращение энергии, описывает термодинамика. Термодинамическая система – это любой участок Вселенной, отделенный от своего окружения реальной или воображаемой преградой. Если система во всех своих областях обладает одинаковыми свойствами, она называется гомогенной. Гетерогенная - составлена из различных относительно однообразных фаз.
По виду обмена веществом или энергией с окружающей средой в физике различают:
- изолированные системы – никакой обмен не возможен;
- адиабатические (от греч. непереходящие) системы – невозможен обмен веществом, но возможен обмен энергией, кроме тепловой;
- замкнутые системы – невозможен обмен веществом, но обмен энергией в любой форме возможен;
- открытые системы – возможен обмен веществом и энергией в любой форме.
В соответствии с этой классификацией, биологические системы – гетерогенные (см. выше), открытые.
Положения классической термодинамики относятся к равновесным состояниям или к обратимым процессам в замкнутых системах. Первый закон термодинамики в формулировке Майера – Гельмгольца гласит: при всех изменениях, происходящих в замкнутой системе, общая энергия системы остается постоянной.
Однако в многочисленных опытах было установлено, что общее количество энергии, которое получает растение, животное или человек за некоторый промежуток времени, впоследствии вновь обнаруживается в выделяемом тепле или выделяемых веществах, в совершаемой работе и, наконец, в увеличении теплоты сгорания тела в результате роста или накопления веществ.
Например, в эксперименте с грибком Aspergillus установлено (по Э. Либберту, 1982):
- теплота сгорания питательного раствора 35,89 кДж
- теплота, выделяемая грибком – 13,81 кДж
- теплота сгорания образовавшегося мицелия – 23,47 кДж
В итоге, теплота выделения и накопления организмом составляет 37,28 кДж (13,81 + 23,47 = 37,28 кДж) превышает энергию, поступающую из питательной среды на 1, 39 кДж. Таким образом, живые системы как бы не подчиняются первому закону термодинамики.
Согласно этому же закону, каждый процесс в равновесных замкнутых системах обратим, т.е. протекает как в прямом, так и в обратном направлениях. Биологические процессы самопроизвольно протекают лишь в одном направлении (ферментативный катализ, поток энергии в биоценозах); их нельзя заставить идти в обратную сторону, не изменяя окружающую среду.
Таким образом, биологические системы являются необратимыми. В качестве меры необратимости в физике и химии применяют понятие энтропии (S), введенное в 1859 г. Клаузиусом. В классическом понимании, энтропия – это мера внутренней неупорядоченности системы (мера хаоса). При всех процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия или неизменна, или возрастает (необратимые процессы). В этом сущность второго закона термодинамики (S > 0). Он в формулировке Больцмана гласит: природа стремится перейти из менее вероятного (упорядоченного) состояния к более вероятному (хаотическому). Нагретое тело отдает (рассеивает) тепло в окружающую среду, труп животного или растения разлагается вплоть да атомов. Поэтому энтропию можно рассматривать как меру неупорядоченности.
Живые клетки и организмы постоянно создают из беспорядка внешней среды (хаоса) строгую упорядоченность. В них из хаоса возникает порядок, происходит самоорганизация. Значит ли это то, что живые системы не подчиняются классическим законам термодинамики? Это противоречие кажущееся. Ведь законы классической термодинамики действительны для замкнутых систем, а биологические системы – открытые.
Биоэнергетика живых систем подчиняется общебиологическому закону Э. Бауэра: «…только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет свободной энергии постоянную работу против равновесия» (1935).
Каждая живая система представляет собой термодинамически открытую систему, которая непрерывно превращает заключённую в органических веществах потенциальную энергию в энергию рабочих процессов и, в конце концов, отдает ее во внешнюю среду в виде тепла. В результате этого процесса между живой системой и средой нет равновесия. Э. Бауэр в 1935 году сформулировал «всеобщий закон биологии»: «Живая система никогда не находится в равновесии и все время совершает за счет своей свободной энергии работу против равновесия, устанавливающегося при данных внешних условия». При температурах, свойственных живому организму, его структуры неустойчивы, они подвергаются распаду. Компенсация этого распада происходит при совершении «внутренней работы» в виде биосинтеза. Иными словами, рабочие процессы в биологической системе являются процессами с отрицательной энтропией (негэнтропийные процессы).
Таким образом, биологические системы являются термодинамически неравновесными, негэнтропийными. Второй закон термодинамики в применении к таким системам обосновывает утверждение, что обмен веществ препятствует увеличению энтропии и обусловлен необратимыми процессами в системе.
Существуют две стратегии негэнторпийных процессов:
- гетеротрофность – организмы создают свою упорядоченность с помощью энергии химических связей и низкой энтропии поглощаемых органических молекул;
- автотрофность – организмы создают свою упорядоченность с помощью электромагнитной энергии и низкой энтропии солнечного света.
Тем не менее, все организмы для совершения внутренней работы способны использовать только энергию химических связей. Сущность первой (световой) фазы фотосинтеза – преобразование энергии солнечного света в энергию химических связей. Только она используется как самими автотрофами (вторая стадия фотосинтеза), так и гетеротрофами. Через участие автотрофных организмов трансформируется энергия в биоценозах и биосфере.
Таким образом, живые системы могут выполнять внешнюю работу лишь в результате процессов преобразования энергии в их внутренней среде.