Dessa är termodynamikens lagar i biologiska system

Termodynamikens lagar är en uppsättning av fyra påståenden som beskriver hur energi omvandlas och hur den överförs från ett system till ett annat eller mellan ett system och dess miljö. Dessa lagar är av enorm betydelse för vetenskapen, eftersom de hjälper oss att förstå orsaken till varför många av de fenomen som vi ser varje dag inträffar.

I denna mening är inget fenomen mer speciellt och imponerande än livet självt, och det undgår inte termodynamikens lagar. Därefter kommer vi att utforska hur dessa lagar gäller för biologiska system, och hur de har hjälpt oss att förstå allt från de enklaste processerna, såsom passiv diffusion genom ett membran, till det komplexa maskineriet som tillåter oss att omvandla vår mat till energi för att upprätthålla liv . livet.

Termodynamikens lagar är fyra:

• Noll lag.
• Termodynamikens första lag.
• Termodynamikens andra lag.
• Termodynamikens tredje lag.

Av de fyra lagarna är dock den nollte lagen relativt trivial och den tredje lagen har få direkta tillämpningar inom biologin, så i denna artikel täcker vi endast den nollte lagen och den tredje lagen ytligt.

Termodynamiska system i biologi

För att förstå termodynamiken i allmänhet måste man börja med att förstå vad ett termodynamiskt system är. Detta syftar på den del av universum som vi studerar. Resten av universum som inte är en del av systemet kallas miljön.

Beroende på egenskaperna hos deras väggar eller gränsen mellan systemet och miljön, kan systemen vara isolerade, stängda eller öppna. Biologiska system är i allmänhet öppna system som tillåter passage av både energi och materia från miljön till systemet och vice versa.

nolllagen

Den nollte lagen har att göra med termisk jämvikt, det vill säga tillståndet där två kroppar som är i termisk kontakt inte utbyter värme med varandra. Denna lag kan sägas enligt följande:

Två system i termisk jämvikt med ett tredje är också i termisk jämvikt med varandra.

Detta illustreras i följande figur. Om system A och B är i termisk jämvikt och system B och C också är i termisk jämvikt, då måste system A och C vara i termisk jämvikt.

Tillämpning av den nollte lagen i biologiska system

Som vi just har observerat tillåter den nollte lagen oss att fastställa när två system är i termisk jämvikt. Vi tillämpar denna lag utan att inse det varje gång vi gör en temperaturmätning med en termometer.

Till exempel, om vi lämnar termometern i kontakt med insidan av vår mun (som är ett biologiskt system), kommer termisk jämvikt så småningom att uppnås mellan termometerns glas och munnen. Men vid avläsning av temperaturen tack vare kvicksilvret inuti antar vi att kvicksilvret också kommer att vara i termisk jämvikt med munnen, trots att det inte är i direkt kontakt med det.

Men eftersom kvicksilvret är i kontakt med och är i termisk jämvikt med glaset, och glaset är i termisk jämvikt med munnen, så säger den nollte lagen att kvicksilvret också måste vara i termisk jämvikt med munnen.

Termodynamikens första lag

Den första lagen är lagen om energibevarande. Detta säger att energin i universum är konstant. Det är varken skapat eller förstört, det förvandlas bara . Det betyder att ingen process någonsin kan inträffa inom något system (oavsett om det är biologiskt eller inte) där systemet får energi av något slag utan att miljön förlorar den.

Denna lag har en mycket enkel matematisk form som är:

där U representerar systemets inre energi, q är mängden värme som kommer in i systemet och w är mängden arbete som systemet överför till omgivningen. I vissa fall skrivs arbetet med ett positivt tecken, men det ersätts av det arbete som omgivningen gör på systemet; i vilket fall som helst är innebörden av båda ekvationerna exakt densamma.

Tillämpning av den första lagen i biologiska system

Det är mycket lätt att förstå tillämpningen av den första lagen på biologiska system av vilken storlek som helst, från en liten bakterie, till en människa, till en jätte sequoia. Det är helt enkelt en energibalans.

Exempel på tillämpningen av den första lagen i biologiska system

Vi kan se vår mat som energikällor, de ”kalorier” vi äter. Kroppsfett, som är ett av de sätt som kroppen lagrar energi på, representerar den inre energinivån, medan w, det arbete systemet utför, är träning. Sett så här ger den första lagen oss en väldigt enkel förklaring för att förstå varför vi blir tjocka. Närhelst vi äter mat, det vill säga kalorier, om vi inte förbränner dem genom att träna för att återföra dem till miljön, kommer dessa att lagras i form av intern energi, det vill säga i form av kroppsfett.

Alla som vill gå ner i vikt måste se till att q (vad de äter) är mindre än w (energin de lägger på att träna och utveckla sina vitala funktioner).

Denna lag tillåter oss att tydligt fastställa vilka processer som är möjliga och vilka som är omöjliga. Att gå ner i vikt genom att äta fler kalorier än vad vi förbränner är helt enkelt omöjligt, hur mycket de än vill övertyga oss om det.

Termodynamikens andra lag

Den andra lagen säger att i alla naturliga eller spontana processer går en del av den inre energin alltid förlorad i form av värme. Detta förklarar varför en boll som släpps från en viss höjd och får studsa varje gång den når en lägre höjd, tills den hamnar i vila på marken.

Om vi ​​går efter den första lagen måste den potentiella energin som ursprungligen lagrades i bollen ha gått någonstans. Den andra lagen slår fast att denna energi avleds i form av värme mot omgivningen.

Tillämpning av den andra lagen i biologiska system

Den andra lagen har många konsekvenser för biologi och biologiska system. Men för att förstå hur det gäller denna gren av vetenskapen måste vi först förstå begreppen entropi och Gibbs fria energi, och hur de relaterar till den andra lagen.

entropi

När man än pratar om den andra lagen talar man om entropi, ett fysiskt begrepp representerat av bokstaven S. Entropi upptäcktes ursprungligen som en tillståndsfunktion vars förändring under en termodynamisk process är ett mått på mängden värme som försvinner under denna process. Men en vetenskapsman vid namn Ludwig Boltzmann upptäckte att entropi faktiskt är ett mått på störningen i ett system.

Genom olika matematiska manipulationer kom man fram till att den andra lagen kunde anges i termer av universums entropiförändring (ΔS _U ) enligt följande:

Varje naturlig eller spontan process innebär med nödvändighet en ökning av universums entropi .

Det vill säga att entropin och den andra lagen ger oss ett verktyg för att förutsäga när en process kommer att vara spontan och när den inte kommer att ske. Dessutom ger den oss en förklaring om trenden för alla processer i universum sedan Big Bang . Vi skulle kunna säga att allt som händer i universum idag syftar till att skingra i form av värme all energi som frigjordes under universums bildande.

Gibbs fri energi

På en praktisk nivå tillämpas den andra lagen på biologiska system med hjälp av en annan tillståndsfunktion som kallas Gibbs fria energi, representerad av bokstaven G. Som namnet antyder, består denna av den maximala mängd energi som ett system är fritt. att använda för att göra ett annat jobb än expansion. Detta är särskilt relevant inom biologi och biokemi, eftersom det inkluderar arbete med processer som diffusion över membran (oavsett om det är aktivt eller passivt), alla enzymkatalyserade reaktioner, elektrokemiska processer (inklusive aktionspotentialer i neuroner och muskelceller), etc.

Vikten av Gibbs-energin är att, under de normala förhållanden under vilka liv och biologiska processer sker, är förändringen i Gibbs fria energi, det vill säga ΔG, direkt relaterad till förändringen i universums entropi. (ΔS _U ), på ett sådant sätt att om vi känner till tecknet för ΔG, så kan vi sluta oss till tecknet för ΔS _U , så att vi kan använda det som ett spontanitetskriterium för kemiska reaktioner och andra processer som sker i cellerna i vår kropp.

Spontanitetskriterierna sammanfattas i följande tabell:

Kopplingen av biokemiska reaktioner

Processer som har en negativ fri energi förändras och är därför spontana frigör energi och kallas därför exergoniska eller exoterma processer. Å andra sidan är de med negativ ΔG inte spontana, de absorberar energi och kallas endergoniska eller endotermiska.

Enkelt uttryckt frigör spontana processer energi naturligt, medan icke-spontana processer inte kan inträffa spontant om inte den fria energi som krävs för att de ska inträffa tillhandahålls. Detta innebär att en spontan reaktion kan användas för att ge den energi som behövs för att en icke-spontan reaktion ska inträffa.

För att förstå detta bättre, låt oss föreställa oss en bil som är vid foten av ett berg. Det skulle vara mycket sällsynt att se honom spontant klättra upp på berget med motorn avstängd och utan hjälp. Men när du startar motorn frigör förbränningen av bensin eller strömmen av elektricitet spontant stora mängder energi, energi som används för att vända hjulen och driva bilen uppåt. På så sätt kopplades en spontan process med en icke-spontan.

Exempel på tillämpningen av den andra lagen i biologiska system

Det viktigaste exemplet på tillämpningen av denna lag på biologiska system är användningen av ATP som energikälla för att driva de flesta biokemiska reaktioner som håller livet igång.

Hydrolysen av ATP är en mycket exoterm process (liksom förbränning av bensin i föregående exempel). Enzymer inuti celler använder denna och andra spontana hydrolysreaktioner för att frigöra den energi de behöver för att driva andra biokemiska reaktioner som är viktiga för livet, såsom protein- och nukleinsyrabiosyntes.

Termodynamikens tredje lag

Den tredje lagen (eller tredje principen) säger att vilket system som helst tenderar att förlora entropi när temperaturen sjunker, och att det når det minimum vid absoluta nollpunkten. För fallet med perfekta monoatomiska kristallina fasta ämnen är entropin vid absolut noll noll.

Denna lag tillåter oss att förstå entropi som en absolut skala, och tillåter oss också att bestämma värdet av den absoluta entropin för vilket ämne som helst i alla temperatur- och tryckförhållanden.

Tillämpning av den tredje lagen i biologiska system

Användbarheten av denna lag är att den tillåter oss att ha ett direkt mått på den verkliga nivån av oordning av olika kemiska ämnen under olika förhållanden, och i hög grad underlättar den teoretiska beräkningen av entropivariationer (och i förlängningen fri energi). de Gibbs) för alla kemiska reaktioner, inklusive biokemiska reaktioner som inträffar i biologiska system.

Referenser

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

Chang, R. (2008). Fysikalisk kemi (3:e upplagan). New York, New York: McGraw Hill.

Clark, MA, Douglas, M., & Choi, J. (2018, 28 mars). 6.3 Termodynamikens lagar – biologi 2e | OpenStax. Hämtad från https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics

Khan akademin. (2017). Termodynamikens lagar (artikel). Hämtad från https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics

Máxima U., J. För: Features.co. (2021, 26 maj). Termodynamikens lagar. Hämtad från https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/

Nelson, DL, Cox, MM och Foix, CCM (2018). Lehninger Principles of Biochemistry (1: ^{a upplagan} ). Barcelona, ​​​​Spanien: OMEGA EDITIONS, SA