これらは生物系における熱力学の法則です

熱力学の法則は、エネルギーがどのように変換され、あるシステムから別のシステムに、またはシステムとその環境の間でどのように伝達されるかを説明する 4 つのステートメントのセットです。これらの法則は、私たちが毎日見ている多くの現象がなぜ起こるのかを理解するのに役立つため、科学にとって非常に重要です。

この意味で、生命そのものほど特別で印象的な現象はなく、熱力学の法則から逃れることはできません。次に、これらの法則が生物学的システムにどのように適用されるか、また、膜を介した受動拡散などの最も単純なプロセスから、食物をエネルギーに変換して生命を維持することを可能にする複雑な機械まで、すべてを理解するのにどのように役立つかを探ります。 .人生。

熱力学の法則は次の 4 つです。

• ゼロ法。
• 熱力学の第一法則。
• 熱力学の第二法則。
• 熱力学の第三法則。

ただし、4 つの法則のうち、第 0 法則は比較的自明であり、第 3 法則は生物学に直接適用されることはほとんどないため、この記事では、第 0 法則と第 3 法則について表面的にのみ説明します。

生物学における熱力学系

熱力学全般を完全に理解するには、熱力学系とは何かを理解することから始めなければなりません。これは、私たちが研究している宇宙の一部を指します。システムの一部ではない宇宙の残りの部分は、環境と呼ばれます。

壁の特性、またはシステムと環境の境界に応じて、システムを隔離したり、閉じたり、開いたりすることができます。生物学的システムは一般に、エネルギーと物質の両方を環境からシステムへ、またはその逆に通過させる開放システムです。

ゼロの法則

ゼロ次法則は、熱平衡、つまり、熱的に接触している 2 つの物体が互いに熱を交換しない状態に関係しています。この法則は次のように言えます。

熱平衡状態にある 2 つのシステムと 3 番目のシステムは、互いに熱平衡状態にあります。

これを次の図に示します。システム A と B が熱平衡状態にあり、システム B と C も熱平衡状態にある場合、システム A と C は熱平衡状態にある必要があります。

生物系におけるゼロ次法則の適用

先ほど観察したように、ゼロ次法則により、2 つのシステムがいつ熱平衡状態にあるかを確立できます。私たちは、体温計で温度を測定するたびに、気付かないうちにこの法則を適用しています。

たとえば、体温計を口の中 (生体系) に接触させたままにしておくと、最終的に体温計のガラスと口の間で熱平衡に達します。ただし、内部の水銀のおかげで温度を読み取る場合、水銀は口と直接接触していなくても、口と熱平衡にあると想定します。

ただし、水銀はガラスと接触しており、ガラスと熱平衡状態にあり、ガラスは口と熱平衡状態にあるため、ゼロ次法則は、水銀も口と熱平衡状態にある必要があると述べています。

熱力学の第一法則

最初の法則はエネルギー保存の法則です。これは、宇宙のエネルギーが一定であることを示しています。生成も破壊もせず、変形するだけです。これは、環境がそれを失うことなく、システムがある種のエネルギーを獲得するプロセスが（生物学的であるかどうかにかかわらず）システム内で発生することは決してないことを意味します.

この法則は、次のような非常に単純な数学的形式を持っています。

ここで、U は系の内部エネルギー、q は系に入る熱量、w は系が周囲に伝達する仕事量です。場合によっては、作業は正符号で書かれていますが、環境がシステムで行う作業に置き換えられます。いずれにせよ、両方の方程式の意味はまったく同じです。

生物系における第一法則の適用

小さなバクテリアから人間、巨大なセコイアまで、あらゆるサイズの生物学的システムへの第一法則の適用を理解することは非常に簡単です. それは単にエネルギーのバランスです。

生物系における第一法則の適用例

私たちは食べ物をエネルギー源、つまり私たちが食べる「カロリー」と見なすことができます。体がエネルギーを貯蔵する方法の1つである体脂肪は、内部エネルギーレベルを表し、システムが行う仕事であるwは運動です. このように見ると、第 1 法則は、私たちが太る理由を理解するための非常に簡単な説明を与えてくれます。私たちが食べ物、つまりカロリーを摂取するたびに、それらを環境に戻すために運動によって消費しなければ、これらは内部エネルギーの形で、つまり体脂肪の形で蓄えられます.

体重を減らしたい人は、q (何を食べるか) が w (運動や重要な機能の開発に費やすエネルギー) よりも少ないことを確認する必要があります。

この法則により、どのプロセスが可能で、どのプロセスが不可能であるかを明確に確立できます。私たちが消費するよりも多くのカロリーを食べて体重を減らすことは、たとえ彼らが私たちにそれを納得させようとしても、まったく不可能です.

熱力学第二法則

第 2 法則は、自然または自発的なプロセスにおいて、内部エネルギーの一部は常に熱の形で失われると述べています。これは、特定の高さから放されたボールが、地面に静止するまで、より低い高さに到達するたびにバウンドできる理由を説明しています.

第 1 法則に従うと、もともとボールに蓄えられていたポテンシャル エネルギーはどこかに消えてしまったはずです。第 2 法則は、このエネルギーが熱の形で周囲に放散されることを確立します。

生物系における第二法則の適用

第 2 法則は、生物学と生物学的システムに多くの意味を持ちます。しかし、それが科学のこの分野にどのように適用されるかを理解するには、まずエントロピーとギブスの自由エネルギーの概念、およびそれらが第 2 法則とどのように関係しているかを理解する必要があります。

エントロピ

第二法則について話すときはいつでも、文字 S で表される物理的概念であるエントロピーについて話します。エントロピーは、熱力学的プロセス中の変化がこのプロセス中に放散される熱量の尺度である状態関数として最初に発見されました。しかし、ルートヴィヒ・ボルツマンという科学者は、エントロピーが実際にはシステムの無秩序の尺度であることを発見しました。

さまざまな数学的操作を通じて、次のように宇宙のエントロピー変化 (ΔS _U )に関して第 2 法則を述べることができると結論付けられました。

すべての自然または自発的なプロセスは、必然的に宇宙のエントロピーの増加を意味します。

つまり、エントロピーと第 2 法則は、プロセスがいつ自然発生し、いつ発生しないかを予測するツールを提供してくれます。さらに、ビッグバン以降の宇宙のすべてのプロセスの傾向についても説明してくれます。今日の宇宙で起こっていることはすべて、宇宙の形成中に放出されたすべてのエネルギーを熱の形で消散させることを目的としていると言えます。

ギブスの自由エネルギー

実際のレベルでは、文字 G で表されるギブズ自由エネルギーと呼ばれる別の状態関数によって、第 2 法則が生物学的システムに適用されます。その名前が示すように、これはシステムが自由であるエネルギーの最大量で構成されます。拡張以外の仕事をするために使用します。これは、膜を通過する拡散 (能動的または受動的)、すべての酵素触媒反応、電気化学的プロセス (ニューロンおよび筋細胞の活動電位を含む) などのプロセスに関する作業が含まれるため、特に生物学および生化学に関連しています。

ギブス エネルギーの重要性は、生命と生物学的プロセスが発生する通常の条件下では、ギブスの自由エネルギーの変化、つまり ΔG が宇宙のエントロピーの変化に直接関係しているということです (ΔS _U )、ΔG の符号がわかれば、ΔS _Uの符号を推測できるので、体の細胞内で発生する化学反応やその他のプロセスの自発性の基準として使用できます。

自発性の基準を次の表にまとめます。

生化学反応のカップリング

自由エネルギーが負に変化し、自然放出エネルギーであるプロセスは、発エルゴンまたは発熱プロセスと呼ばれます。一方、負の ΔG を持つものは自発的ではなく、エネルギーを吸収し、吸エルゴンまたは吸熱と呼ばれます。

簡単に言えば、自発的なプロセスはエネルギーを自然に放出しますが、非自発的なプロセスは、発生に必要な自由エネルギーが提供されない限り、自発的に発生することはできません。これは、非自発的反応が発生するために必要なエネルギーを提供するために、自発的な反応を使用できることを意味します。

これをよりよく理解するために、山のふもとにある車を想像してみましょう。彼がエンジンを切って、何の助けも借りずに自発的に山を登るのを見るのは非常にまれです。しかし、エンジンを始動すると、ガソリンの燃焼や電気の流れによって大量のエネルギーが自然に放出されます。このエネルギーは、車輪を回転させて車を前進させるために使用されます。このようにして、自発的なプロセスが非自発的なプロセスと結合されました。

生物系における第二法則の適用例

この法則を生物系に適用した最も重要な例は、生命を維持するほとんどの生化学反応を駆動するエネルギー源としての ATP の使用です。

ATP の加水分解は、非常に発熱性のプロセスです (前の例のガソリンの燃焼と同様)。細胞内の酵素は、タンパク質や核酸の生合成など、生命に不可欠な他の生化学反応を促進するために必要なエネルギーを放出するために、この加水分解反応と他の自発的な加水分解反応を使用します。

熱力学の第三法則

第 3 法則 (または第 3 原理) は、温度が低下するにつれて、どのシステムもエントロピーを失う傾向があり、絶対零度でその最小値に達すると述べています。完全な単原子結晶固体の場合、絶対零度でのエントロピーはゼロです。

この法則により、エントロピーを絶対スケールとして理解することができ、任意の温度および圧力条件のセットにおける任意の物質の絶対エントロピーの値を決定することもできます。

生物系における第三法則の適用

この法則の有用性は、さまざまな条件下でのさまざまな化学物質の真の乱れのレベルを直接測定できることであり、エントロピー変動 (ひいては自由エネルギー) の理論計算が非常に容易になります. de Gibbs)生物系で発生する生化学反応を含む、あらゆる化学反応に対応します。

参考文献

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