5806256259

Część III: Termodynamika układów biologicznych

Materiały Pomocnicze do Wykładów z Podstaw Biofizyki Illr. Biotechnologii

prof. dr hab. inż. Jan Mazerski

Termodynamika Układów Biologicznych

Niezwykle cenną metodą badania zjawisk przyrodniczych, zupełnie niezależną od naszej wiedzy o strukturze obiektu na poziomie cząsteczkowym, jest podejście termodynamiczne. Może ono być stosowane do obiektów o różnej skali (od pojedynczego atomu do całego Wszechświata) i różnym stopniu złożoności (od prostego układu kilku atomów do żywej komórki, a nawet całego organizmu wielokomórkowego). Nazwa termodynamika mogłaby sugerować, że chodzi tu o badanie przepływu ciepła. Takie były rzeczywiście początki tej dziedziny. Obecnie termodynamika zajmuje się wszystkimi aspektami energetycznymi badanego układu.

Termodynamika jest konstrukcja logiczną o wielkiej elegancji. Trzy zwięzłe stwierdzenia, trzy zasady termodynamiki stanowią podsumowanie naszej wiedzy o wszelkich postaciach energii i prawach rządzących jej przemianami. Prawdziwość termodynamiki zależy jedynie od prawdziwości tych 3 zasad oraz od logicznej poprawności wyciąganych wniosków. Dzięki temu termodynamika jest niezależna od poziomu naszej wiedzy o strukturze wewnętrznej układu oraz od koncepcji czy modeli opisujących tą strukturę. Jest to bardzo istotne w naukach biologicznych, gdzie np. stopień wiedzy o strukturze wewnętrznej komórki zmienia się z roku na rok w miarę postępu technik instrumentalnych i informatycznych. Nie ma to jednak wpływu na opis termodynamiczny komórki.

Podstawowe definicje

Aby poprawnie posługiwać się podejściem termodynamicznym należy opanować specyficzne słownictwo termodynamiki. Definiowanie pojęć rozpoczniemy od pojęcia układu. Jest to w termodynamice pojęcie pierwotne, w zasadzie niedefiniowalne, tak jak punkt w geometrii. Dla naszych potrzeb wystarczy, jeżeli będziemy pamiętać, że układ termodynamiczny, to zbiór elementów, między którymi istnieją określone relacje. Jeżeli relacje te sprowadzają się do oddziaływania jednych elementów na inne, to mamy do czynienia z układem dynamicznym. Ponieważ z punktu widzenia termodynamiki nie jest istotna struktura elementów, a jedynie relacje pomiędzy nimi, więc układy termodynamiczne mogą być tworzone w dowolnej skali. Jest przy tym charakterystyczne, że obiekt rozpatrywany jako układ na jednym poziomie może być traktowany jako element układu na wyższym poziomie. Możliwa jest również sytuacja odwrotna: element