Характеристика и анализ биофизических основ живых систем

Шредингер). Теорема Пригожина. Функция диссипации
Одним из ключевых аспектов, рассматриваемых в данной курсовой работе, является термодинамика биологических систем. Фундаментальный вклад в понимание этого вопроса внес выдающийся физик-теоретик Эрвин Шредингер, который в своей знаменитой работе «Что такое жизнь?» [8, с. 5-10] предложил революционный взгляд на природу живых организмов с позиций физики.
Шредингер начал свои рассуждения с констатации того факта, что живые существа, в отличие от неживых физических систем, демонстрируют высокую степень упорядоченности и организации. Они способны поддерживать свою структуру и функции вопреки действию разрушительных сил энтропии, характерных для неживой природы. Этот парадокс побудил ученого искать объяснение жизненным процессам, опираясь на фундаментальные законы термодинамики.
Ключевым постулатом Шредингера стало утверждение, что живые организмы являются открытыми термодинамическими системами, которые поддерживают свою упорядоченность за счет непрерывного поглощения свободной энергии из окружающей среды и рассеивания энтропии [1, с. 24-25]. Таким образом, жизнь с точки зрения физики предстает как борьба организма против неизбежного роста энтропии, характерного для замкнутых систем.
Шредингер подчеркивал, что живые существа, в отличие от простых физических систем, способны активно противодействовать росту энтропии, поддерживая свою структуру и функции в неравновесном состоянии, что достигается за счет непрерывного потребления «отрицательной энтропии» (негэнтропии) из окружающей среды в виде пищи, кислорода, солнечной энергии и т.д. [8, с. 69-70].
Таким образом, жизнь можно рассматривать как «упорядоченное поглощение негэнтропии», позволяющее организмам противостоять разрушительному действию второго начала термодинамики.
Концепция Шредингера о «жизни с точки зрения физики» стала важной вехой в развитии биофизики и оказала значительное влияние на дальнейшие исследования в этой области. Она заложила основу для понимания живых систем как открытых, неравновесных термодинамических систем, способных к самоорганизации и поддержанию гомеостаза за счет непрерывного обмена энергией и веществом с окружающей средой [3, с. 47-48].
Данные представления Шредингера о термодинамической природе жизни легли в основу современных воззрений на биофизические механизмы, лежащие в основе функционирования живых организмов. Они открыли новые перспективы для изучения фундаментальных закономерностей, определяющих структуру и динамику биологических систем.
Дальнейшее развитие и углубление термодинамического подхода к живым системам, заложенного Эрвином Шредингером, связано с работами выдающегося бельгийского физикохимика Ильи Пригожина и его коллег. Их исследования привели к формулированию важной теоремы, которая оказала значительное влияние на понимание механизмов самоорганизации в биологических системах.
Ключевым вкладом Пригожина стало расширение представлений о термодинамике открытых, неравновесных систем, к которым относятся живые организмы. В отличие от замкнутых систем, стремящихся к состоянию термодинамического равновесия с максимальной энтропией, открытые системы способны самопроизвольно организовываться в упорядоченные структуры, снижая свою энтропию за счет увеличения энтропии окружающей среды [4, с. 56-58].
Данный принцип «диссипативных структур» был сформулирован Пригожиным в виде теоремы, которая гласит, что в открытых, неравновесных системах, подверженных диссипативным процессам, могут возникать новые, устойчивые структуры, характеризующиеся пространственно-временной когерентностью [3, с. 52-53]. Эти структуры поддерживают свою упорядоченность за счет непрерывного обмена энергией и веществом с окружающей средой.
Согласно теореме Пригожина, возникновение и поддержание диссипативных структур в биологических системах обусловлено их способностью к самоорганизации, которая противодействует тенденции к росту энтропии. Живые организмы, как открытые термодинамические системы, могут снижать свою энтропию, рассеивая энергию в окружающую среду и поглощая «отрицательную энтропию» из внешних источников [1, с. 26-27].
Ключевую роль в этих процессах самоорганизации играет функция диссипации, отражающая интенсивность рассеивания энергии в системе. Чем выше значение функции диссипации, тем более выраженной будет тенденция к образованию упорядоченных, когерентных структур, поддерживающих гомеостаз биологических систем [3, с. 54-55].
Теорема Пригожина позволила объяснить механизмы, лежащие в основе самоорганизации и поддержания устойчивости живых организмов, которые, казалось бы, противоречат второму началу термодинамики. Она показала, что открытые, неравновесные системы, подобные биологическим, могут спонтанно организовываться в сложные, упорядоченные структуры, снижая свою энтропию за счет диссипативных процессов.
Данные представления Пригожина о термодинамике открытых систем стали важной теоретической основой для понимания фундаментальных механизмов, определяющих структуру и функционирование живых организмов. Они позволили глубже осмыслить биофизические принципы, лежащие в основе самоорганизации, гомеостаза и адаптации биологических систем к изменяющимся условиям окружающей среды.