Закон термодинамики

Формулировка биофизических задач сегодня возможна в ограниченном числе случаев, поскольку живая природа настолько сложна, что биологические знания большей частью недостаточны для реализации физических подходов. Задачи биофизики те же, что и биологии. Они состоят в познании явлений жизни. В настоящее время нет строго определения – что же такое жизнь. Но можно перечислить основные признаки живой материи, которые отличают ее от неживой материи.

Биологи задают вопрос «Для чего?», а физики – «Почему?». Второй вопрос более научен, т.к. наука, и естествознание в целом, ищет причины явлений. Все методы исследования в биофизике должны давать количественные результаты. Поэтому выделяют несколько основных задач биофизики:

1. 
   Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических основ жизни.
   
2. 
   Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития, саморегуляции и самовоспроизведения.
   
3. 
   Выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополимеров и других биологически активных веществ.
   
4. 
   Создание и теоретическое обоснование физико-химических методов исследования биообъектов.
   
5. 
   Физическое истолкование всего комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.)
   

1. 
   Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические свойства, биофизику молекул.
   
2. 
   Биофизика клетки изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем.
   
3. 
   Биофизика органов исследует молекулярные механизмы рецепции, процессы преобразования энергии внешних воздействий в специфические реакции нервных клеток и механизмов кодирования информации в органах чувств.
   
4. 
   Биофизика сложных систем изучает кинетику биопроцессов, поведение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и термодинамику биосистем.
   

Чем занимается биология и чем физика? Физик и химик изучают атомы, молекулы и т.д. Биолог, идя им навстречу, интересуется органами, тканями, клетками. Пересекаются ли области интересов физика и биолога, или только соприкасаются, или между ними лежит пропасть? Вопрос острый – ведь если пропасть, то нам никогда не понять как следует, что такое жизнь. Оказывается, что именно биополимеры со своими тремя иерархическими уровнями структуры – первичной, вторичной и третичной – имеют все основания претендовать на роль моста через пропасть: с одной стороны, биополимерная цепь – это просто молекула, и вопрос о ее свойствах можно поставить как чисто физический, с другой стороны, свойства биополимерной макромолекулы если не обладают тем, что можно назвать биологической спецификой, то во всяком случае тесно с ней связаны.

Действительно, в чем с точки зрения физика специфика любого биологического объекта, от слона до микроба? Одна из главных особенностей – наличие конструкции, приданной от рождения и сохраняемой до смерти. Но этим свойством, пусть в простейшей форме, обладает и цепь биополимера – при синтезе она получает первичную структуру и сохраняет ее до распада. Академик Лифшиц И.М., выдвинувший изложенные соображения в 1968 г., назвал это свойство биополимеров линейной памятью: можно сказать, что молекулярная цепь «помнит» возникшую при синтезе линейную структуру. Получается, что, анализируя физику систем с линейной памятью, можно надеяться вплотную подойти к тайнам биологии.

Чисто словесное описание структуры биополимеров – иерархической структуры и каких-то их физико-химических свойств – дает довольно поверхностное представление о них. Необходимо привлечь математику для получения строгих моделей процессов, в которых участвуют биополимеры. Но реальные системы очень сложны, при их полном описании надо учитывать огромное число факторов, и при этом задача построения точной теории безнадежна. Теоретическому анализу доступны только упрощенные модели реальности, ухватывающие ее основные черты и игнорирующие второстепенные. Но зато математическое описание модели дает более глубокое понимание ее свойств, которое позволяет совсем иначе смотреть на реальность.

Cпецифика полимерных молекул в отличие от малых молекул определяется большим числом однотипных звеньев - мономеров, связанных в линейную цепь. Тепловое движение входящих в полимерную цепь атомов и атомных групп, повороты и вращения их вокруг единичных связей обуславливают большое число внутренних степеней свободы макромолекулы. Это заставляет рассматривать макромолекулы как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров как масса, размеры, степень свернутости макромолекулы. Вместе с тем существующие между атомами химические связи и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций биополимеров. Изменение конформации биомакромолекул, происходящее в процессах клеточного метаболизма и переноса (трансформации) энергии, так же носят вполне определенный характер и отражают внутримолекулярную динамическую организацию биополимеров. Таким образом, своеобразие биомакромолекулы как физического объекта состоит в тесном сочетании статистических и детерминистских (механических) особенностей ее поведения. С одной стороны, большое число взаимодействующих атомов и внутримолекулярных степеней свободы и, как следствие, возможность осуществления огромного числа различных конформаций, а с другой - определенный химический характер и конформационные изменения при функционировании биополимеров.

Основная проблема состоит в том, чтобы раскрыть природу взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику биомакромолекул, механизмы взаимодействия электронных и конформационных переходов, и на этой основе понять механизмы функционирования биополимеров в живых системах. Именно это и составляет предмет молекулярной биофизики в целом, и физики биополимеров, в частности.

Несколько позже (1943-44 гг.) Шредингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика» популяризировал и развил идеи Тимофеева-Ресовского и Дельбрюка о связи биологии, точнее, генетики и той области биологии, которую позже назовут «молекулярной биологией», с квантовой механикой. Эти идеи родились как раз после лекций Бора и привели Тимофеева-Ресовского, Циммера и Дельбрюка к идее о том, что– ген – это «квант» - т.е. неделимая, дискретная единица наследственности. Они смогли выделить такой «квант» - оценить его размеры. Вопрос, который стоял в эти времена перед наукой: как физика и химия могут объяснить те явления в пространстве и времени, которые происходят в живом организме? Возникает такой вопрос неслучайно. Действительно, расположение и взаимодействие атомов в биологических молекулах коренным образом отличается от того расположения, с которыми физики и химики имеют дело в экспериментальных и теоретических исследованиях неживой природы. В физике объектом является так называемый периодический кристалл, когда говорят об определении структуры вещества на молекулярном и атомном уровнях. Самые же существенные молекулы живых организмов – биополимеры – «с полным основанием можно назвать апериодическим кристаллом». Для физиков периодические кристаллы являются очень интересными и сложными объектами исследований (рис. Кристалла). «Они составляют одну из наиболее очаровательных и сложных структур, которыми неодушевленная природа приводит в замешательство интеллект физика. Однако по сравнению с апериодическим кристаллом они кажутся несколько элементарными и скучными». (рис. ДНК и белка).

Интересно заметить, что биологическая индивидуальность, проявляющаяся в форме всеобщего закона и являющаяся неотъемлемым качеством всего живого, выражается прежде всего в бесконечном разнообразии «архитектуры» биологических объектов. Имеется в виду их структура и строение, а применительно к биополимерам, и конформация макромолекул. При этом симметрия и упорядоченность у организмов и у кристаллов радикально различаются. У организмов многое определяется скоростью роста в разные моменты и в разных направлениях, а не только геометрией трехмерной решетки, т.е. законами пространственной упаковки. Биополимеры – это начальная, низшая ступень симметрии живого. Их полимерные цепи строятся по химическим законам, которые весьма своеобразны. Например, все натуральные полипептиды содержат только левые изомеры аминокислот, тогда как правые изомеры, химически вполне равнозначные, природой отвергаются. Причина этого пока не установлена, но структурное своеобразие биополимеров выявляется четко.

Далее, биологические полимеры сворачиваются в уникальные и по-своему всегда симметричные трехмерные системы, которые в свою очередь определяют строение клеточных органелл, самих клеток и образованных из них тканей. Поскольку структуры и конформации всех биополимеров строго генетически детерминированы, генетически заданными окажутся и все более сложные «архитектурные» формы живого. Нельзя при этом забывать, что окончательный вид высших биологических структур, начиная с клетки, зависит также и от времени (хронологически детерминирован), так как в процессе индивидуального развития – онтогенеза – в различных клетках в разное время работают далеко не все и далеко не одинаковые гены (явление клеточной дифференцировки).

Поэтому совершенно очевидным является утверждение, что как бы велика ни казалась дистанция от атомов и молекул до интегрированной системы клетки, включающей многие тысячи атомов и молекул, в клетках как элементарных биологических системах не содержится ничего другого, кроме атомов и молекул, специфическое взаимодействие которых и приводит ко всем особенностям биологического функционирования, называемого жизнью. Именно поэтому изучение специфических взаимодействий атомов и молекул, имеющих место в биологических системах, представляется необходимой конечной целью любого исследования, ставящего задачу выяснения молекулярных механизмов любых биологических процессов.

Весь опыт развития биофизики в целом, и молекулярной биофизики в частности, показывает, что поскольку в основе жизнедеятельности любого организма в конечном итоге лежат процессы, происходящие на молекулярном уровне, то все законы физики и химии применимы к молекулам, участвующим в этих процессах. Правда, эти молекулы – биополимеры - отличаются по сложности от органических соединений или синтетических полимеров. Тем не менее, можно сделать основной вывод: не может быть сомнения, что все своеобразие живых организмов, отличающее их от тел неживой природы, возникает в результате особой организации сложных молекулярных систем, в основе которых лежат те же закономерности, которые определяют свойства атомов и молекул и построенных из них тел неживой природы.

Методы молекулярной биологии, основанные на убеждении, что путь к пониманию сложного лежит в расчленении этого сложного на все более и более простые составные части и изучение их природы и свойств, оказывается совершенно незаменимым, особенно при анализе структурной изменчивости сложных биологических систем. Такой путь исследования, приводящий в конце концов к установлению исходных взаимообусловленных связей, позволяет открыть важные стороны связи части и целого как в биологических макромолекулах, так и в более сложных биологических системах. При этом в биологических системах связывание практически никогда не выражается в простой сумме связываемых единиц. При изучении биополимеров возникает возможность выяснить роль тех или иных связей и их влияние на взаимодействующие части, не расчленяя макромолекулы на составные единицы. Исследование переходов порядок-беспорядок в биополимерах позволяет получить количественные характеристики поведения отдельных частей макромолекулы непосредственно в комплексе.

Молекулярная биофизика решает те же проблемы по отношению к биологическим молекулам, что и молекулярная физика по отношению к атомам и молекулам тел неживой природы. Какие же это проблемы?

Молекулярная физика изучает физические явления, существенным образом зависящие от атомно-молекулярной природы вещества. Молекулярная физика дает информацию, во-первых, о строении вещества, т.е. о строении молекул на основании изучения их физических свойств. Во-вторых, она дает информацию о природе физических и физико-химических процессов в веществе исходя из его строения. Можно представить, исходя из этого, три основные группы задач молекулярной физики.

Первая группа – определение строения в широком смысле этого слова. Методы физики позволяют установить геометрическое расположение атомов в молекулах, кристаллах и жидкостях. Основные методы – это рентгеноструктурный анализ, нейтронография, некоторые спектроскопические методы. Интерференция рентгеновских и электронных волн, рассеянных атомами, зависит от межатомных расстояний и позволяет их определить. Атомы водорода рассеивают рентгеновские лучи и электроны. Но расположение атомов водорода можно лучше установить по рассеянию нейтронов.

Механические характеристики молекул, т.е. силы взаимодействия между атомами, определяют частоты и формы колебаний атомов в молекулах относительно друг друга. Поэтому они устанавливаются при изучении колебательных спектров – методами инфракрасной спектроскопии и спектров комбинационного рассеяния. Пространственное распределение электронов в молекуле, набор уровней энергии электронов и вероятности переходов между уровнями определяют оптические, электронные и магнитные свойства молекул. За электрические и оптические молекулярные явления ответственны в первую очередь две основные молекулярные характеристики (константы) – поляризуемость и дипольный момент. Поляризуемость характеризует способность электронов смещаться под действием постоянного или переменного электрического поля, она находит свое выражение в диэлектрической проницаемости, в преломлении и рассеянии света. Дипольный момент молекулы, или ее составной части (отдельной химической связи, группы атомов) выражает полярность системы, равновесное распределение зарядов. Свойства электронной оболочки молекулы непосредственно проявляется в электронных – УФ и видимых – спектрах. Теория строения электронной оболочки молекулы и явлений, им определяемых, это квантовая механика и квантовая химия. Само явление химической связи и тем самым существование самой молекулы определяется квантовомеханическими закономерностями. Но часто проблемы, связанные с электромагнитными свойствами молекул, с успехом решаются на основе полуэмпирической классической теории, позволяющей обойти огромные трудности квантовохимических расчетов для сложных многоэлектронных систем.

Теперь рассмотрим, как молекулярная биофизика связана с молекулярной физикой. Понимание, что в основе жизненных явлений лежат молекулярные процессы, привело биологию в непосредственный контакт с молекулярной физикой. Молекулярная биофизика, таким образом, изучает физическую природу явлений, исследуемых молекулярной биологией и биохимией. Здесь формулируются те же три класса задач, что и в молекулярной физике: изучение структуры, термодинамики равновесных процессов и кинетики. В современной молекулярной биофизике основное внимание уделяется строению и физическим свойствам биополимеров – белкам и нуклеиновым кислотам. Молекулярная биофизика изучает условия равновесия молекулярных биологических процессов, в которых участвуют биополимеры, кинетику этих процессов. Речь идет о структурных и химических превращениях белков и нуклеиновых кислот, ответственных за важнейшие жизненные процессы: синтез белка и нуклеиновых кислот, ферментативный катализ и проч. Молекулярная биофизика основывается на теоретических представлениях и экспериментальных методах современной молекулярной физики и представляет собой физическую часть молекулярной биологии. Невозможно отделить молекулярную биофизику от биофизической химии как молекулярную физику от физической химии. Все процессы, протекающие на молекулярном уровне, одновременно являются и физическими, и химическими.

За последние годы открыты, проанализированы и получили достаточно полное качественное описание многие генетические, физиологические и другие биологические процессы и явления. Все они, в той или иной мере, связаны со структурной организацией объектов исследования, в качестве которых выступали либо просто биополимеры – биологически активные высокомолекулярные органические соединения, построенные из большого числа одинаковых или различных по своей физико-химической природе ковалентно-связанных друг с другом мономеров (белки, нуклеиновые кислоты), либо более сложные комплексы, например, биомембраны, рибосомы, митохондрии и целые клетки. Современная молекулярная биология демонстрирует, что именно изменчивость структурной организации биомакромолекул обуславливает протекание всех физиологических процессов в живой клетке и организме и определяет их специфичность. Изучение этой структурной изменчивости на молекулярном уровне – одна из основных задач физики биополимеров.

Эти выводы вытекают также из представлений о необходимости высокой упорядоченности всех процессов, протекающих в живых организмах на молекулярном уровне, поскольку только так можно создавать и поддерживать столь сложные многоклеточные организмы в функционирующем состоянии. Кроме того, необходима также высокая упорядоченность взаимодействий организмов с окружающей средой для поддержания жизнедеятельности. Все такие процессы невозможны без строгой «физичности», лежащей в их основе, т.е. в подчинении физическим и химическим законам, известным для неживой природы. Также надо учитывать, что случайные, флуктуационные явления не должны играть очень большой роли в биологических процессах, чтобы, с одной стороны, обеспечить высокую стабильность организма, а, с другой стороны, дать возможность в появлении определенных изменений, т.е. гибкости организма для выживания при изменяющихся внешних условиях.

Обсуждая физические закономерности строения и функционирования биополимеров укажем на одно существенное различие в подходах к решению проблем на биохимическом и физическом уровнях. Результаты молекулярной биологии и биохимии получены, как правило, по одной общей схеме. Проблема считается решенной, если удается выявить основных участников рассматриваемого процесса (молекулы химических веществ) и с помощью «стрелок» и «черточек» построить логически непротиворечивую схему причинно-следственных связей между ними (рис.1 - какой-нибудь цикл из биохимии). Как писал в 1957г. Лауреат Нобелевской премии биохимик Сент-Дьерди «Биоэнергетика», биохимия «все еще продолжает быть наукой Лукреция или Эпикура: буква-черта-буква». С точки же зрения физики на этом этапе исследования проблема часто только формулируется, так как за каждой «стрелочкой» на молекулярно-биологической схеме скрыт, как правило, неизвестный механизм. Так, поражающая воображение четкая работа «клеточной ЭВМ» – рибосомы (рис.1-2) остается загадочным явлением, совершенно непонятным с физической точки зрения. По этой причине в физике биополимеров ограничиваются более «простыми» задачами, которые можно решить имеющимися средствами экспериментально или теоретически. В действительности это очень сложные проблемы, требующие для своего решения использования часто предельных возможностей современных экспериментальных физических методов и всей мощности вычислительной техники для теоретических расчетов. Новые экспериментальные данные, полученные при исследовании биологических процессов на молекулярном уровне, требуют особой интерпретации. Выяснение на молекулярном уровне механизма биологических процессов требует привлечение различных областей физики, чтобы успешно описать взаимодействия на атомном уровне. Предполагается, что эти задачи могут быть решены на основе знания атомного состава основных биологических элементов при учете внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий и вызываемых ими преобразований и конформационных изменений макромолекул, переносом энергии как «внутри» молекул, так и между ними.

Tермодинамика. Система, энергия, работа, внутренняя энергия, энтальпия. Общая формулировка первого закона термодинамики.

Для физики есть три наиболее общие задачи при объяснении процессов, проходящих в неживой природе – энергетические основы процессов, строение вещества, динамика процессов, то есть их прохождение во времени. Основа жизнедеятельности любого живого организма – энергия. Растения получают энергию от энергии солнца, животный мир – через питательные вещества и их обмен в организме. Физика позволяет установить закономерности превращения различных видов энергии в живом организме для возможности осуществления его функций, т.е. в терминах физики – возможности совершения различных видов работы.

Термодинамика – это наука, изучающая наиболее общие закономерности превращения различных видов энергии в системе. Или термодинамика – это раздел физики, который занимается описанием – качественным и количественным – процессов превращения различных видов энергии. Она не дает ответов о механизмах и природе явлений, происходящих в живых организмах, а исследует энергетические основы этих процессов. В классической термодинамике рассматриваются главным образом равновесные состояния системы, в которых параметры не изменяются во времени.

Для физической постановки задачи необходимо ввести некоторые основные понятия. В частности, для изучения живых организмов с точки зрения физики вводятся понятие системы и ее видов для того, чтобы установить энергетические основы жизни. Система – совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур или процессов, объединяющихся в целое выполнением некоторой общей функции, несводимой к функциям ее компонентов. Система - это совокупность материальных объектов, ограниченных каким-либо образом от окружающей среды.

Любая система характеризуется определенными свойствами, или термодинамическими параметрами. Их совокупность определяет термодинамическое состояние системы, поэтому изменение хотя бы одного из параметров приводит к изменению термодинамического состояния системы в целом.

Термодинамические параметры:

• 
  экстенсивные, зависят от количества вещества в системе (масса, объем),
  
• 
  интенсивные, не зависят от количества вещества в системе (давление, t⁰).
  

Существование живого организма и все процессы его жизнедеятельности непрерывно связаны с изменением энергии, с изменением энергетического баланса в системе организм – окружающая среда. Термодинамика рассматривает общие закономерности превращения энергии в форме тепла и работы между телами. В открытых биологических системах постоянно происходит процесс обмена энергией с внешней средой. Внутренние метаболические процессы также сопровождаются превращениями одних форм энергии в другие.