Dies sind die Gesetze der Thermodynamik in biologischen Systemen

Die Gesetze der Thermodynamik sind eine Reihe von vier Aussagen, die beschreiben, wie Energie umgewandelt und von einem System zum anderen oder zwischen einem System und seiner Umgebung übertragen wird. Diese Gesetze sind für die Wissenschaft von immenser Bedeutung, da sie uns helfen, den Grund zu verstehen, warum viele der Phänomene auftreten, die wir jeden Tag sehen.

In diesem Sinne ist kein Phänomen besonderer und beeindruckender als das Leben selbst, und es entzieht sich nicht den Gesetzen der Thermodynamik. Als nächstes werden wir untersuchen, wie diese Gesetze auf biologische Systeme angewendet werden und wie sie uns geholfen haben, alles zu verstehen, von den einfachsten Prozessen wie der passiven Diffusion durch eine Membran bis hin zu den komplexen Mechanismen, die es uns ermöglichen, unsere Nahrung in Energie umzuwandeln, um das Leben zu erhalten . Leben.

Die Gesetze der Thermodynamik sind vier:

• Null Gesetz.
• Der erste Hauptsatz der Thermodynamik.
• Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik.
• Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik.

Von den vier Gesetzen ist das nullte Gesetz jedoch relativ trivial und das dritte Gesetz hat nur wenige direkte Anwendungen in der Biologie, daher behandeln wir in diesem Artikel nur oberflächlich das nullte Gesetz und das dritte Gesetz.

Thermodynamische Systeme in der Biologie

Um die Thermodynamik im Allgemeinen vollständig zu verstehen, muss man zunächst verstehen, was ein thermodynamisches System ist. Dies bezieht sich auf den Teil des Universums, den wir studieren. Der Rest des Universums, der nicht Teil des Systems ist, wird als Umwelt bezeichnet.

Abhängig von den Eigenschaften ihrer Wände oder der Grenze zwischen dem System und der Umgebung können die Systeme isoliert, geschlossen oder offen sein. Biologische Systeme sind im Allgemeinen offene Systeme, die sowohl Energie als auch Materie aus der Umgebung in das System und umgekehrt übertragen.

das Nullgesetz

Der nullte Hauptsatz hat mit dem thermischen Gleichgewicht zu tun, also dem Zustand, in dem zwei Körper, die in thermischem Kontakt stehen, keine Wärme miteinander austauschen. Dieses Gesetz lässt sich wie folgt formulieren:

Zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten stehen auch miteinander im thermischen Gleichgewicht.

Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Befinden sich die Systeme A und B im thermischen Gleichgewicht und die Systeme B und C ebenfalls im thermischen Gleichgewicht, dann müssen sich die Systeme A und C im thermischen Gleichgewicht befinden.

Anwendung des nullten Hauptsatzes in biologischen Systemen

Wie wir gerade festgestellt haben, erlaubt uns der nullte Hauptsatz festzustellen, wann zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht sind. Dieses Gesetz wenden wir unbewusst bei jeder Temperaturmessung mit einem Thermometer an.

Wenn wir zum Beispiel das Thermometer in Kontakt mit der Innenseite unseres Mundes lassen (was ein biologisches System ist), wird schließlich ein thermisches Gleichgewicht zwischen dem Glas des Thermometers und dem Mund erreicht. Beim Ablesen der Temperatur dank des Quecksilbers im Inneren gehen wir jedoch davon aus, dass das Quecksilber auch im thermischen Gleichgewicht mit dem Mund steht, obwohl es nicht in direktem Kontakt mit ihm steht.

Da jedoch das Quecksilber mit dem Glas in Kontakt steht und sich im thermischen Gleichgewicht mit dem Glas befindet und das Glas im thermischen Gleichgewicht mit dem Mund ist, besagt der nullte Hauptsatz, dass das Quecksilber auch im thermischen Gleichgewicht mit dem Mund sein muss.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz ist der Energieerhaltungssatz. Diese besagt, dass die Energie im Universum konstant ist. Es wird weder geschaffen noch zerstört, es wird nur transformiert . Dies bedeutet, dass in keinem System (ob biologisch oder nicht) jemals ein Prozess stattfinden kann, in dem das System Energie in irgendeiner Form gewinnt, ohne dass die Umwelt sie verliert.

Dieses Gesetz hat eine sehr einfache mathematische Form, die lautet:

wobei U die innere Energie des Systems darstellt, q die Wärmemenge ist, die in das System eintritt, und w die Menge an Arbeit ist, die das System an die Umgebung abgibt. In einigen Fällen wird die Arbeit mit einem positiven Vorzeichen geschrieben, aber sie wird durch die Arbeit ersetzt, die die Umgebung auf dem System leistet; in jedem Fall ist die Bedeutung beider Gleichungen genau gleich.

Anwendung des ersten Hauptsatzes in biologischen Systemen

Es ist sehr einfach, die Anwendung des ersten Hauptsatzes auf biologische Systeme jeder Größe zu verstehen, von einem kleinen Bakterium über einen Menschen bis hin zu einem riesigen Mammutbaum. Es ist einfach ein Energiegleichgewicht.

Beispiel für die Anwendung des ersten Hauptsatzes in biologischen Systemen

Wir können unsere Nahrung als Energiequelle sehen, die „Kalorien“, die wir zu uns nehmen. Körperfett, das eine der Möglichkeiten ist, wie der Körper Energie speichert, stellt das innere Energieniveau dar, während w, die Arbeit, die das System leistet, Bewegung ist. So gesehen gibt uns das erste Gesetz eine sehr einfache Erklärung, warum wir dick werden. Wann immer wir Nahrung, also Kalorien, zu uns nehmen, wenn wir sie nicht durch Sport verbrennen, um sie an die Umwelt zurückzugeben, werden diese in Form von innerer Energie, also in Form von Körperfett, gespeichert.

Wer abnehmen möchte, muss darauf achten, dass q (was er isst) kleiner ist als w (die Energie, die er für Bewegung und Entwicklung seiner Vitalfunktionen aufwendet).

Mit diesem Gesetz können wir eindeutig festlegen, welche Prozesse möglich und welche unmöglich sind. Abnehmen, indem man mehr Kalorien zu sich nimmt, als man verbrennt, ist einfach unmöglich, egal wie sehr sie uns davon überzeugen wollen.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz besagt, dass bei jedem natürlichen oder spontanen Prozess immer ein Teil der inneren Energie in Form von Wärme verloren geht. Dies erklärt, warum ein Ball, der aus einer bestimmten Höhe losgelassen wird, jedes Mal, wenn er eine niedrigere Höhe erreicht, aufprallen darf, bis er schließlich auf dem Boden ruht.

Wenn wir nach dem ersten Gesetz gehen, muss die potenzielle Energie, die ursprünglich in der Kugel gespeichert war, irgendwohin gegangen sein. Der zweite Hauptsatz besagt, dass diese Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

Anwendung des zweiten Hauptsatzes in biologischen Systemen

Der zweite Hauptsatz hat viele Auswirkungen auf die Biologie und biologische Systeme. Um jedoch zu verstehen, wie es auf diesen Zweig der Wissenschaft zutrifft, müssen wir zuerst die Konzepte der Entropie und der freien Gibbs-Energie verstehen und wie sie sich auf den zweiten Hauptsatz beziehen.

Entropie

Wenn Sie vom zweiten Hauptsatz sprechen, sprechen Sie von Entropie, einem physikalischen Konzept, das durch den Buchstaben S dargestellt wird. Entropie wurde ursprünglich als eine Zustandsfunktion entdeckt, deren Änderung während eines thermodynamischen Prozesses ein Maß für die während dieses Prozesses abgegebene Wärmemenge ist. Ein Wissenschaftler namens Ludwig Boltzmann entdeckte jedoch, dass die Entropie tatsächlich ein Maß für die Unordnung eines Systems ist.

Durch verschiedene mathematische Manipulationen wurde der Schluss gezogen, dass der zweite Hauptsatz in Bezug auf die Entropieänderung des Universums (ΔS _U ) wie folgt ausgedrückt werden könnte:

Jeder natürliche oder spontane Prozess impliziert zwangsläufig eine Zunahme der Entropie des Universums .

Das heißt, dass die Entropie und der zweite Hauptsatz uns ein Werkzeug liefern, um vorherzusagen, wann ein Prozess spontan sein wird und wann nicht. Außerdem gibt es uns eine Erklärung über den Verlauf aller Prozesse im Universum seit dem Urknall . Wir könnten sagen, dass alles, was heute im Universum passiert, darauf abzielt, die gesamte Energie, die bei der Entstehung des Universums freigesetzt wurde, in Form von Wärme abzuführen.

Gibbs freie Energie

Auf praktischer Ebene wird der zweite Hauptsatz auf biologische Systeme mittels einer anderen Zustandsfunktion angewendet, die als freie Gibbs-Energie bezeichnet wird und durch den Buchstaben G dargestellt wird. Wie der Name schon sagt, besteht diese aus der maximalen Energiemenge, die ein System frei hat. zu verwenden, um eine andere Aufgabe als die Erweiterung zu erledigen. Dies ist besonders relevant in Biologie und Biochemie, da es Arbeiten zu Prozessen wie Diffusion über Membranen (ob aktiv oder passiv), alle enzymkatalysierten Reaktionen, elektrochemische Prozesse (einschließlich Aktionspotentiale in Neuronen und Muskelzellen) usw. umfasst.

Die Bedeutung der Gibbs-Energie besteht darin, dass unter den normalen Bedingungen, unter denen Leben und biologische Prozesse ablaufen, die Änderung der freien Gibbs-Energie, d. h. ΔG, in direktem Zusammenhang mit der Änderung der Entropie des Universums steht (ΔS _U ), so dass wir, wenn wir das Vorzeichen von ΔG kennen, auf das Vorzeichen von ΔS _U schließen können , sodass wir es als Kriterium der Spontaneität für chemische Reaktionen und andere Prozesse verwenden können, die in den Zellen unseres Körpers ablaufen.

Die Spontaneitätskriterien sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Die Kopplung biochemischer Reaktionen

Prozesse, die eine negative freie Energieänderung haben und daher spontan Energie freisetzen, werden daher als exergonische oder exotherme Prozesse bezeichnet. Andererseits sind diejenigen mit einem negativen ΔG nicht spontan, sie absorbieren Energie und werden als endergonisch oder endotherm bezeichnet.

Einfach ausgedrückt setzen spontane Prozesse auf natürliche Weise Energie frei, während nicht-spontane Prozesse nicht spontan auftreten können, es sei denn, die dafür erforderliche freie Energie wird bereitgestellt. Dies bedeutet, dass eine spontane Reaktion verwendet werden kann, um die Energie bereitzustellen, die für das Auftreten einer nicht spontanen Reaktion erforderlich ist.

Um dies besser zu verstehen, stellen wir uns ein Auto vor, das am Fuße eines Berges steht. Es wäre sehr selten, ihn spontan mit ausgeschaltetem Motor und ohne Hilfe den Berg erklimmen zu sehen. Wenn Sie jedoch den Motor starten, setzt die Verbrennung von Benzin oder der Stromfluss spontan große Energiemengen frei, Energie, die zum Drehen der Räder und zum Antreiben des Autos verwendet wird. Auf diese Weise wurde ein spontaner Prozess mit einem nicht spontanen gekoppelt.

Beispiel für die Anwendung des zweiten Hauptsatzes in biologischen Systemen

Das wichtigste Beispiel für die Anwendung dieses Gesetzes auf biologische Systeme ist die Verwendung von ATP als Energiequelle, um die meisten biochemischen Reaktionen anzutreiben, die das Leben am Laufen halten.

Die Hydrolyse von ATP ist ein stark exothermer Prozess (wie die Verbrennung von Benzin im vorherigen Beispiel). Enzyme in Zellen nutzen diese und andere spontane Hydrolysereaktionen, um die Energie freizusetzen, die sie benötigen, um andere lebenswichtige biochemische Reaktionen wie die Protein- und Nukleinsäurebiosynthese anzutreiben.

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik

Der dritte Hauptsatz (oder das dritte Prinzip) besagt, dass jedes System dazu neigt, Entropie zu verlieren, wenn die Temperatur abnimmt, und dass es dieses Minimum am absoluten Nullpunkt erreicht. Bei perfekten einatomigen kristallinen Festkörpern ist die Entropie am absoluten Nullpunkt Null.

Dieses Gesetz erlaubt es uns, die Entropie als absolute Skala zu verstehen und erlaubt uns auch, den Wert der absoluten Entropie einer beliebigen Substanz unter beliebigen Temperatur- und Druckbedingungen zu bestimmen.

Anwendung des dritten Hauptsatzes in biologischen Systemen

Die Nützlichkeit dieses Gesetzes besteht darin, dass es uns ermöglicht, ein direktes Maß für den wahren Grad der Unordnung verschiedener chemischer Substanzen unter verschiedenen Bedingungen zu haben, und die theoretische Berechnung von Entropievariationen (und damit der freien Energie) erheblich erleichtert. de Gibbs) für jede chemische Reaktion, einschließlich biochemischer Reaktionen, die in biologischen Systemen auftreten.

Verweise

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