Bunlar biyolojik sistemlerdeki termodinamiğin yasalarıdır.

Termodinamiğin yasaları, enerjinin nasıl dönüştürüldüğünü ve bir sistemden diğerine veya bir sistem ile çevresi arasında nasıl iletildiğini açıklayan dört ifadelik bir dizidir. Bu yasalar, her gün gördüğümüz olayların birçoğunun neden meydana geldiğini anlamamıza yardımcı oldukları için bilim için çok büyük öneme sahiptir.

Bu anlamda hiçbir olgu yaşamın kendisinden daha özel ve etkileyici değildir ve termodinamik yasalarından da kaçamaz. Ardından, bu yasaların biyolojik sistemlere nasıl uygulandığını ve bir zardan pasif difüzyon gibi en basit süreçlerden yaşamı sürdürmek için yiyeceğimizi enerjiye dönüştürmemizi sağlayan karmaşık mekanizmaya kadar her şeyi anlamamıza nasıl yardımcı olduklarını keşfedeceğiz. .hayat

Termodinamiğin yasaları dörttür:

• Sıfır kanun.
• Termodinamiğin birinci yasası.
• Termodinamiğin ikinci yasası.
• Termodinamiğin üçüncü yasası.

Bununla birlikte, dört yasadan sıfırıncı yasa nispeten önemsizdir ve üçüncü yasanın biyolojide çok az doğrudan uygulaması vardır, bu nedenle bu makalede yalnızca sıfırıncı yasayı ve üçüncü yasayı yüzeysel olarak ele alıyoruz.

Biyolojide termodinamik sistemler

Genel olarak termodinamiği tam olarak anlamak için, termodinamik sistemin ne olduğunu anlayarak başlamak gerekir. Bu, evrenin incelediğimiz bölümünü ifade eder. Sistemin parçası olmayan evrenin geri kalanına çevre denir.

Duvarlarının özelliklerine veya sistem ile ortam arasındaki sınıra bağlı olarak sistemler izole, kapalı veya açık olabilir. Biyolojik sistemler genel olarak çevreden sisteme hem enerji hem de maddenin geçişine izin veren açık sistemlerdir.

sıfır yasası

Sıfırıncı yasa, ısıl dengeyle, yani ısıl temas halinde olan iki cismin birbiriyle ısı alışverişi yapmadığı durumla ilgilidir. Bu yasa şu şekilde ifade edilebilir:

Üçte biri ile termal dengede olan iki sistem de birbiriyle termal dengededir.

Bu, aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. A ve B sistemleri termal dengedeyse ve B ve C sistemleri de termal dengedeyse, A ve C sistemleri de termal dengede olmalıdır.

Biyolojik sistemlerde sıfırıncı yasanın uygulanması

Az önce gözlemlediğimiz gibi, sıfırıncı yasa, iki sistemin ne zaman termal dengede olduğunu belirlememizi sağlar. Termometre ile sıcaklık ölçümü yaptığımız her seferde bu yasayı farkında olmadan uygularız.

Örneğin, termometreyi (biyolojik bir sistem olan) ağzımızın iç kısmıyla temas halinde bırakırsak, sonunda termometrenin camı ile ağız arasında termal dengeye ulaşılır. Ancak içindeki cıva sayesinde sıcaklığı okurken cıvanın ağızla direkt temas halinde olmamasına rağmen ısıl dengede olacağını varsayarız.

Bununla birlikte, cıva camla temas halinde olduğundan ve camla termal dengede olduğundan ve cam ağızla termal dengede olduğundan, o zaman sıfırıncı yasa cıvanın ağızla da termal dengede olması gerektiğini belirtir.

Termodinamiğin birinci yasası

Birinci yasa, enerjinin korunumu yasasıdır. Bu, evrendeki enerjinin sabit olduğunu belirtir. Ne yaratılır ne de yok edilir, sadece dönüştürülür . Bu, herhangi bir sistemde (biyolojik olsun ya da olmasın), çevre kaybetmeden sistemin bir tür enerji kazandığı hiçbir sürecin gerçekleşemeyeceği anlamına gelir.

Bu yasanın çok basit bir matematiksel formu vardır:

burada U sistemin iç enerjisini, q sisteme giren ısı miktarını ve w sistemin çevreye ilettiği iş miktarını temsil eder. Bazı durumlarda iş olumlu bir işaretle yazılır, ancak bunun yerini ortamın sistem üzerinde yaptığı iş alır; her durumda, her iki denklemin anlamı tamamen aynıdır.

Biyolojik sistemlerde birinci yasanın uygulanması

Birinci yasanın küçük bir bakteriden insana ve dev bir sekoyaya kadar her büyüklükteki biyolojik sisteme uygulanmasını anlamak çok kolaydır. Bu sadece bir enerji dengesidir.

Biyolojik sistemlerde birinci yasanın uygulanmasına örnek

Yiyeceklerimizi, yediğimiz “kalorileri” enerji kaynakları olarak görebiliriz. Vücudun enerji depolama yollarından biri olan vücut yağı, iç enerji seviyesini temsil ederken, sistemin yaptığı iş w egzersizdir. Bu şekilde bakıldığında, birinci yasa bize neden şişmanladığımızı anlamamız için çok basit bir açıklama verir. Ne zaman yemek yersek, yani kalori, onları çevreye geri döndürmek için egzersiz yaparak yakmazsak, bunlar iç enerji, yani vücut yağı şeklinde depolanacaktır.

Kilo vermek isteyen herkes, q’nun (yedikleri) w’den (hayati fonksiyonlarını geliştirmek ve egzersiz yapmak için harcadıkları enerji) az olduğundan emin olmalıdır.

Bu yasa, hangi süreçlerin mümkün ve hangilerinin imkansız olduğunu açıkça belirlememizi sağlar. Yaktığımızdan daha fazla kalori alarak kilo vermek, bizi buna ne kadar ikna etmek isteseler de, kesinlikle imkansızdır.

Termodinamiğin ikinci yasası

İkinci yasa, herhangi bir doğal veya kendiliğinden süreçte, iç enerjinin bir kısmının daima ısı şeklinde kaybolduğunu belirtir. Bu, belirli bir yükseklikten bırakılan ve daha düşük bir yüksekliğe ulaştığında zeminde durana kadar zıplamasına izin verilen bir topun nedenini açıklar.

Birinci yasaya göre gidersek, başlangıçta topta depolanan potansiyel enerjinin bir yere gitmiş olması gerekir. İkinci yasa, bu enerjinin çevreye ısı şeklinde dağıldığını belirler.

İkinci yasanın biyolojik sistemlerde uygulanması

İkinci yasanın biyoloji ve biyolojik sistemler için birçok anlamı vardır. Ancak bunun bu bilim dalına nasıl uygulanacağını anlamak için öncelikle entropi ve Gibbs serbest enerjisi kavramlarını ve bunların ikinci yasa ile nasıl ilişkili olduğunu anlamamız gerekir.

entropi

Ne zaman İkinci Yasadan söz etsen, S harfiyle temsil edilen fiziksel bir kavram olan entropiden bahsediyorsun. Entropi başlangıçta, termodinamik bir süreç sırasında değişimi bu süreç sırasında yayılan ısı miktarının bir ölçüsü olan bir durum fonksiyonu olarak keşfedildi. Ancak Ludwig Boltzmann adlı bir bilim adamı, entropinin aslında bir sistemdeki düzensizliğin bir ölçüsü olduğunu keşfetti.

Çeşitli matematiksel işlemlerle, ikinci yasanın evrenin entropi değişimi (ΔS _U ) cinsinden şu şekilde ifade edilebileceği sonucuna varılmıştır:

Her doğal veya kendiliğinden süreç, zorunlu olarak evrenin entropisinde bir artış anlamına gelir .

Yani, entropi ve İkinci Yasa, bir sürecin ne zaman kendiliğinden olup olmayacağını tahmin etmemiz için bize bir araç sağlar. Ayrıca, Büyük Patlama’dan bu yana evrendeki tüm süreçlerin gidişatı hakkında bize bir açıklama verir . Bugün evrende olup biten her şeyin, evrenin oluşumu sırasında açığa çıkan tüm enerjiyi ısı şeklinde yaymaya yönelik olduğunu söyleyebiliriz.

Gibbs ücretsiz enerji

Pratik düzeyde, ikinci yasa biyolojik sistemlere Gibbs serbest enerjisi adı verilen ve G harfiyle temsil edilen başka bir durum işlevi aracılığıyla uygulanır. Adından da anlaşılacağı gibi, bu, bir sistemin serbest olduğu maksimum enerji miktarından oluşur. genişletme dışında bir iş yapmak için kullanmak. Bu, zarlar boyunca difüzyon (aktif veya pasif), tüm enzim katalizli reaksiyonlar, elektrokimyasal süreçler (nöronlar ve kas hücrelerindeki aksiyon potansiyelleri dahil) vb.

Gibbs enerjisinin önemi, yaşamın ve biyolojik süreçlerin meydana geldiği normal koşullar altında, Gibbs serbest enerjisindeki değişimin yani ΔG’nin evrenin entropisindeki değişimle doğrudan ilişkili olmasıdır.(ΔS _U ), öyle ki ΔG’nin işaretini bilirsek, o zaman ΔS _U’nun işaretini çıkarabiliriz , böylece onu vücudumuzdaki hücrelerde meydana gelen kimyasal reaksiyonlar ve diğer işlemler için bir kendiliğindenlik kriteri olarak kullanabiliriz.

Kendiliğindenlik kriterleri aşağıdaki tabloda özetlenmiştir:

Biyokimyasal reaksiyonların bağlanması

Negatif bir serbest enerji değişimine sahip olan ve bu nedenle kendiliğinden salıverilen enerji olan ve bu nedenle ekzergonik veya ekzotermik süreçler olarak adlandırılan işlemler. Öte yandan, negatif ΔG’ye sahip olanlar kendiliğinden değildir, enerjiyi emerler ve endergonik veya endotermik olarak adlandırılırlar.

Basitçe söylemek gerekirse, spontan süreçler enerjiyi doğal olarak serbest bırakırken, spontan olmayan süreçler oluşabilmeleri için gerekli olan serbest enerji sağlanmadıkça kendiliğinden oluşamazlar. Bu, kendiliğinden olmayan bir reaksiyonun meydana gelmesi için gereken enerjiyi sağlamak için kendiliğinden bir reaksiyonun kullanılabileceği anlamına gelir.

Bunu daha iyi anlamak için bir dağın eteğinde duran bir araba düşünelim. Motoru kapalıyken ve herhangi bir yardım almadan kendiliğinden dağa tırmandığını görmek çok nadir olurdu. Bununla birlikte, motoru çalıştırdığınızda, benzinin yanması veya elektrik akışı, tekerlekleri döndürmek ve arabayı yukarı itmek için kullanılan büyük miktarda enerjiyi kendiliğinden serbest bırakır. Bu şekilde, kendiliğinden olan bir süreç, kendiliğinden olmayan bir süreçle birleştirildi.

Biyolojik sistemlerde ikinci yasanın uygulanmasına örnek

Bu yasanın biyolojik sistemlere uygulanmasının en önemli örneği, yaşamı devam ettiren biyokimyasal reaksiyonların çoğunu yürütmek için bir enerji kaynağı olarak ATP’nin kullanılmasıdır.

ATP’nin hidrolizi güçlü ekzotermik bir süreçtir (önceki örnekte benzinin yanması gibi). Hücrelerin içindeki enzimler, protein ve nükleik asit biyosentezi gibi yaşam için gerekli olan diğer biyokimyasal reaksiyonları yürütmek için ihtiyaç duydukları enerjiyi serbest bırakmak için bunu ve diğer spontan hidroliz reaksiyonlarını kullanır.

Termodinamiğin üçüncü yasası

Üçüncü yasa (veya üçüncü ilke), herhangi bir sistemin sıcaklık düştükçe entropi kaybetme eğiliminde olduğunu ve mutlak sıfırda bu minimuma ulaştığını belirtir. Mükemmel tek atomlu kristal katılar için, mutlak sıfırdaki entropi sıfırdır.

Bu yasa, entropiyi mutlak bir ölçek olarak anlamamızı sağlar ve ayrıca herhangi bir sıcaklık ve basınç koşulunda herhangi bir maddenin mutlak entropi değerini belirlememizi sağlar.

Üçüncü yasanın biyolojik sistemlerde uygulanması

Bu yasanın faydası, farklı koşullar altında farklı kimyasal maddelerin gerçek düzensizlik düzeyini doğrudan ölçmemize izin vermesi ve entropi varyasyonlarının (ve dolayısıyla serbest enerjinin) teorik hesaplamasını büyük ölçüde kolaylaştırmasıdır. de Gibbs) biyolojik sistemlerde meydana gelen biyokimyasal reaksiyonlar da dahil olmak üzere herhangi bir kimyasal reaksiyon için.

Referanslar

Atkins, P. ve dePaula, J. (2014). Atkins’in Fiziksel Kimyası (rev. ed.). Oxford, Birleşik Krallık: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). Fiziksel Kimya (3. baskı). New York, New York: McGraw Tepesi.

Clark, MA, Douglas, M. ve Choi, J. (2018, 28 Mart). 6.3 Termodinamiğin Yasaları – Biyoloji 2e | OpenStax. https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics adresinden alındı.

Khan Akademisi. (2017). Termodinamiğin yasaları (makale). https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics adresinden alındı.

Máxima U., J. İçin: Features.co. (2021, 26 Mayıs). Termodinamiğin Kanunları. https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/ adresinden alındı.

Nelson, DL, Cox, MM ve Foix, CCM (2018). Lehninger Biyokimya İlkeleri (1. ^baskı ). Barselona, ​​​​İspanya: OMEGA EDITIONS, SA