Dette er termodynamikkens love i biologiske systemer

Termodynamikkens love er et sæt af fire udsagn, der beskriver, hvordan energi omdannes, og hvordan den overføres fra et system til et andet eller mellem et system og dets miljø. Disse love er af enorm betydning for videnskaben, da de hjælper os med at forstå årsagen til, at mange af de fænomener, vi ser hver dag, opstår.

I denne forstand er intet fænomen mere specielt og imponerende end livet selv, og det undslipper ikke termodynamikkens love. Dernæst vil vi undersøge, hvordan disse love gælder for biologiske systemer, og hvordan de har hjulpet os med at forstå alt fra de enkleste processer, såsom passiv diffusion gennem en membran, til det komplekse maskineri, der giver os mulighed for at omdanne vores mad til energi for at opretholde liv liv.

Termodynamikkens love er fire:

• Nul lov.
• Termodynamikkens første lov.
• Termodynamikkens anden lov.
• Termodynamikkens tredje lov.

Men af ​​de fire love er den nulte lov relativt triviel, og den tredje lov har få direkte anvendelser i biologien, så i denne artikel dækker vi kun den nulte lov og den tredje lov overfladisk.

Termodynamiske systemer i biologi

For fuldt ud at forstå termodynamik generelt, må man begynde med at forstå, hvad et termodynamisk system er. Dette refererer til den del af universet, som vi studerer. Resten af ​​universet, der ikke er en del af systemet, kaldes miljøet.

Afhængigt af deres vægge eller grænsen mellem systemet og miljøet kan systemerne være isolerede, lukkede eller åbne. Biologiske systemer er generelt åbne systemer, der tillader passage af både energi og stof fra miljøet til systemet og omvendt.

nulloven

Den nulte lov har at gøre med termisk ligevægt, det vil sige den tilstand, hvor to legemer, der er i termisk kontakt, ikke udveksler varme med hinanden. Denne lov kan formuleres som følger:

To systemer i termisk ligevægt med et tredje er også i termisk ligevægt med hinanden.

Dette er illustreret i den følgende figur. Hvis system A og B er i termisk ligevægt og system B og C også er i termisk ligevægt, så skal system A og C være i termisk ligevægt.

Anvendelse af den nulte lov i biologiske systemer

Som vi lige har observeret, giver den nulte lov os mulighed for at fastslå, hvornår to systemer er i termisk ligevægt. Vi anvender denne lov uden at være klar over det, hver gang vi tager en temperaturmåling med et termometer.

For eksempel, hvis vi lader termometeret være i kontakt med indersiden af ​​vores mund (som er et biologisk system), vil der til sidst opnås termisk ligevægt mellem termometerets glas og munden. Men når vi aflæser temperaturen takket være kviksølvet indeni, antager vi, at kviksølvet også vil være i termisk ligevægt med munden, på trods af at det ikke er i direkte kontakt med det.

Men da kviksølvet er i kontakt med og er i termisk ligevægt med glasset, og glasset er i termisk ligevægt med munden, så siger den nulte lov, at kviksølvet også skal være i termisk ligevægt med munden.

Termodynamikkens første lov

Den første lov er loven om energibevarelse. Dette siger, at energien i universet er konstant. Det er hverken skabt eller ødelagt, det er kun forvandlet . Det betyder, at der aldrig kan forekomme nogen proces i noget system (uanset om det er biologisk eller ej), hvor systemet får energi af en eller anden art, uden at miljøet mister det.

Denne lov har en meget enkel matematisk form, som er:

hvor U repræsenterer systemets indre energi, q er mængden af ​​varme, der kommer ind i systemet, og w er mængden af ​​arbejde systemet overfører til omgivelserne. I nogle tilfælde er værket skrevet med et positivt fortegn, men det erstattes af det arbejde, miljøet udfører på systemet; under alle omstændigheder er betydningen af ​​begge ligninger nøjagtig den samme.

Anvendelse af den første lov i biologiske systemer

Det er meget let at forstå anvendelsen af ​​den første lov på biologiske systemer af enhver størrelse, fra en lille bakterie, til et menneske, til en kæmpe sequoia. Det er simpelthen en energibalance.

Eksempel på anvendelse af den første lov i biologiske systemer

Vi kan se vores mad som energikilder, de “kalorier”, vi spiser. Kropsfedt, som er en af ​​de måder, kroppen lagrer energi på, repræsenterer det indre energiniveau, mens w, det arbejde systemet udfører, er træning. Set på denne måde giver den første lov os en meget simpel forklaring på, hvorfor vi bliver fede. Når vi spiser mad, det vil sige kalorier, hvis vi ikke forbrænder dem ved at træne for at returnere dem til miljøet, så vil disse blive lagret i form af indre energi, det vil sige i form af kropsfedt.

Enhver, der ønsker at tabe sig, skal sørge for, at q (det de spiser) er mindre end w (den energi, de bruger på at træne og udvikle deres vitale funktioner).

Denne lov giver os mulighed for klart at fastslå, hvilke processer der er mulige og hvilke der er umulige. At tabe sig ved at spise flere kalorier, end vi forbrænder, er simpelthen umuligt, uanset hvor meget de ønsker at overbevise os om det.

Termodynamikkens anden lov

Den anden lov siger, at i enhver naturlig eller spontan proces går en del af den indre energi altid tabt i form af varme. Dette forklarer, hvorfor en bold, der slippes fra en vis højde og får lov til at hoppe, hver gang den når en lavere højde, indtil den ender i hvile på jorden.

Hvis vi går efter den første lov, skulle den potentielle energi, der oprindeligt var lagret i bolden, være gået et sted hen. Den anden lov fastslår, at denne energi spredes i form af varme mod omgivelserne.

Anvendelse af den anden lov i biologiske systemer

Den anden lov har mange implikationer for biologi og biologiske systemer. Men for at forstå, hvordan det gælder for denne gren af ​​videnskaben, må vi først forstå begreberne entropi og Gibbs frie energi, og hvordan de relaterer til den anden lov.

entropi

Hver gang du taler om den anden lov, taler du om entropi, et fysisk begreb repræsenteret af bogstavet S. Entropi blev oprindeligt opdaget som en tilstandsfunktion, hvis ændring under en termodynamisk proces er et mål for mængden af ​​varme, der spredes under denne proces. Imidlertid opdagede en videnskabsmand ved navn Ludwig Boltzmann, at entropi faktisk er et mål for uorden i et system.

Gennem forskellige matematiske manipulationer blev det konkluderet, at den anden lov kunne angives i termer af universets entropiændring (ΔS _U ) som følger:

Enhver naturlig eller spontan proces indebærer nødvendigvis en stigning i universets entropi .

Det vil sige, at entropi og den anden lov giver os et værktøj til at forudsige, hvornår en proces vil være spontan, og hvornår den ikke vil. Desuden giver det os en forklaring på udviklingen af ​​alle processer i universet siden Big Bang . Vi kan sige, at alt, hvad der sker i universet i dag, har til formål at sprede i form af varme al den energi, der blev frigivet under universets dannelse.

Gibbs fri energi

På et praktisk plan anvendes den anden lov på biologiske systemer ved hjælp af en anden tilstandsfunktion kaldet Gibbs frie energi, repræsenteret ved bogstavet G. Som navnet indikerer, består denne af den maksimale mængde energi, som et system er frit. at bruge til at udføre et andet arbejde end udvidelse. Dette er særligt relevant inden for biologi og biokemi, da det omfatter arbejde med processer som diffusion over membraner (uanset om det er aktive eller passive), alle enzymkatalyserede reaktioner, elektrokemiske processer (herunder aktionspotentialer i neuroner og muskelceller) osv.

Betydningen af ​​Gibbs-energien er, at ændringen i Gibbs frie energi, det vil sige ΔG, under de normale forhold, hvor liv og biologiske processer forekommer, er direkte relateret til ændringen i universets entropi. (ΔS U) _. ), på en sådan måde, at hvis vi kender tegnet for ΔG, så kan vi udlede tegnet for ΔS _U , så vi kan bruge det som et kriterium for spontanitet for kemiske reaktioner og andre processer, der forekommer i cellerne i vores krop.

Spontanitetskriterierne er opsummeret i følgende tabel:

Koblingen af ​​biokemiske reaktioner

Processer som har en negativ fri energi ændrer sig og er derfor spontane frigiver energi og kaldes derfor eksergoniske eller eksoterme processer. På den anden side er dem med negativ ΔG ikke spontane, de absorberer energi og kaldes endergoniske eller endoterme.

Kort sagt frigiver spontane processer energi naturligt, mens ikke-spontane processer ikke kan forekomme spontant, medmindre den frie energi, der kræves for at de kan opstå, er tilvejebragt. Det betyder, at en spontan reaktion kan bruges til at give den energi, der er nødvendig for, at en ikke-spontan reaktion kan forekomme.

For at forstå dette bedre, lad os forestille os en bil, der er ved foden af ​​et bjerg. Det ville være meget sjældent at se ham spontant bestige bjerget med slukket motor og uden hjælp. Men når du starter motoren, frigiver forbrændingen af ​​benzin eller strømmen af ​​elektricitet spontant store mængder energi, energi som bruges til at dreje hjulene og drive bilen op. På denne måde blev en spontan proces koblet sammen med en ikke-spontan.

Eksempel på anvendelse af den anden lov i biologiske systemer

Det vigtigste eksempel på anvendelsen af ​​denne lov på biologiske systemer er brugen af ​​ATP som energikilde til at drive de fleste af de biokemiske reaktioner, der holder livet i gang.

Hydrolysen af ​​ATP er en meget eksoterm proces (ligesom forbrændingen af ​​benzin i det foregående eksempel). Enzymer inde i celler bruger denne og andre spontane hydrolysereaktioner til at frigive den energi, de har brug for til at drive andre biokemiske reaktioner, der er essentielle for livet, såsom protein- og nukleinsyrebiosyntese.

Termodynamikkens tredje lov

Den tredje lov (eller tredje princip) siger, at ethvert system har tendens til at miste entropi, når temperaturen falder, og at det når det minimum ved det absolutte nulpunkt. I tilfælde af perfekte monoatomiske krystallinske faste stoffer er entropien ved det absolutte nul nul.

Denne lov giver os mulighed for at forstå entropi som en absolut skala, og giver os også mulighed for at bestemme værdien af ​​den absolutte entropi af ethvert stof i ethvert sæt temperatur- og trykforhold.

Anvendelse af den tredje lov i biologiske systemer

Nytten af ​​denne lov er, at den giver os mulighed for at have et direkte mål for det sande niveau af uorden af ​​forskellige kemiske stoffer under forskellige forhold, og i høj grad letter den teoretiske beregning af entropivariationer (og i forlængelse heraf fri energi). de Gibbs) for enhver kemisk reaktion, herunder biokemiske reaktioner, der forekommer i biologiske systemer.

Referencer

Atkins, P., & dePaula, J. (2014). Atkins’ Physical Chemistry (rev. red.). Oxford, Storbritannien: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). Fysisk kemi (3. udgave). New York City, New York: McGraw Hill.

Clark, MA, Douglas, M., & Choi, J. (2018, 28. marts). 6.3 Termodynamikkens love – biologi 2e | OpenStax. Hentet fra https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics

Khan Academy. (2017). Termodynamikkens love (artikel). Hentet fra https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics

Máxima U., J. For: Features.co. (2021, 26. maj). Termodynamikkens love. Hentet fra https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/

Nelson, DL, Cox, MM, & Foix, CCM (2018). Lehninger Principles of Biochemistry (1. ^udg .). Barcelona, ​​​​Spanien: OMEGA EDITIONS, SA