МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕРМОДИНАМИКИ В ЭКОЛОГИИ

1

• Авторы
• Файлы
• Литература

Федоров А.Я. 1 Мелентьева Т.А. 2 Мелентьева М.А. 3

---

1 Тульский институт управления и бизнеса им. Н.Д. Демидова2 Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого3 Российская музыкальная академия им. Гнессиных Статья в формате PDF 305 KB 1. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. – М.: Из-во «Мир», 1990. – 342 с. 2. Пригожин И. От существующего к возникающему. – М.: Из-во «УРСС», 2002. – 287 с. 3. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры. Устойчивость и флуктуации. – М.: Из-во «Мир», 1973. – С. 28–29. 4. Терехина Л.А., Федоров А.Я., Фадеева Е.О. Экология. – Т.: Из-во «ТГПУ», 2002. – С. 23–25. 5. Алексанан Г.Г. Макрокинетика химических реакций в турбулентных потоках: автореф. дис. ... д-ра физ.-матем. наук. – М., 2003. – 35 с. 6. Рытов Б.Л., Федоров А.Я., Алексанян Г.Г., Берлин Ал. Ал. Макрокинетические закономерности быстрых химических реакций в турбулентных потоках. – Докл. АН СССР. – 1995. – Т. 342, № 4. – С. 404–406. 7. Фритьоф Капра. Паутина жизни. – М.: Из-во «София», 2002. – С.109–110. 8. Dantzig T. The Language. – N.: «pab – pabshing», 1954. – P. 35–41. 9. Daly H. Ecological Tax Reform. – N.: «pab – pabshing», 1995. – P. 108–124. 10. Davidson M. Uncommon Sense: The Life and Though of Ludwig von Bertalanffy // Los Angeles. – 1983. – Р. 342. 11. Кулинский В.И. Активные формы кислорода и оксидативная модификация макромолекул: польза вред и защита // Соросовский образовательный журнал. – 1999. – Т. 1, № 38. – С. 2. 12. Владимиров Ю.А., Азизова О.А., Деев А.И., и др. Свободные радикалы в живых системах // Итоги науки и техники. Сер. Биофизика. – 1991. – Т. 29. – С. 32–38. 13. Кулинский В.И., Колесниченко Л.С. // Успехи соврем. биологии. – 1993. – Т. 113. – С. 107–122. 14. Зефиров А.Л. Везикулярная гипотеза освобождения медиатора в синапсе // Соросовский образовательный журнал. – 2000. – Т. 6, № 9. – С. 10.

Если техническая система состоит из нескольких частей, полная энтропия равна сумме энтропий этих частей. Изменение энтропии dS, следовательно, распадается на производство энтропии diS, вызываемое изменениями внутри системы, и поток энтропии deS, возникающий за счет взаимодействия с внешней средой. Поэтому:

dS = diS + deS. (1)

Интересующие нас системы могут быть как открытыми, так и замкнутыми [1]. Замкнутая система может обмениваться с внешней средой энергией, но не веществом. Классическая термодинамика основана на определении:

(2)

где Т – абсолютная температура; dQ – приращение тепла. В наших обозначениях это соотношение имеет вид:

(3)

При протекании необратимых процессов, таких, как химические реакции, производство энтропии не исчезает, и мы приходим, согласно уравнениям (1-4), к классическому неравенству Карно – Клаузиуса:

(4)

Последние достижения в области физики и химии делают все более затруднительным принятие представлений о необратимости [2–4], выраженным вторым законом термодинамики. Необратимость играет важную конструктивную роль в процессах, представляющих первостепенный интерес для столь различных областей науки, как биологии, так и космологии. Возможность возникновения самоорганизации (т.н. диссипативных структур) в ситуациях, далеких от равновесия, осознание роли необратимости в эволюции всей Вселенной в целом – все это свидетельствует о том, что второе начало термодинамики по своему хаpaктеру более фундаментально, чем принято считать. При современных требованиях к химическому производству оптимизация, равно как и разработка новых технологических процессов, должна проводиться с учетом трех основных моментов: безопасность экологическая чистота и эффективность производства [5-6].

Рассмотрим химическую систему, описывающую некоторый процесс полимеризации. Полимеры образуются из молекул А и В, поступающих в систему. Пусть полимер имеет следующую молекулярную конфигурацию:

А В А В А В ….

Предположим, что реакции, приводящие к образованию полимера, автокаталитические. Если происходит сбой и образуется модифицированный полимер:

А В А А В В А В А…,

то он может размножаться в системе в результате модифицированного автокаталитического механизма. Манфред Эйген предложил интересные модели, позволяющие описывать такие эффекты, и показал, что в идеальных случаях система стремится к оптимальной устойчивости относительно появления ошибок в редупликации полимеров [7–8]. В основе модели Эйгена лежит идея «перекрестного» катализа: нуклеотиды производят протеины, которые в свою очередь производят нуклеотиды (рисунок). Возникает циклическая схема реакций, получившее название гиперцикла. Когда гиперциклы конкурируют, они обнаруживают способность, претерпевая мутации и редупликацию, усложнять свою структуру.

Каталитический цикл

В то время как Пригожин и Хакен изучали феномен самоорганизации, исследуя физические и химические системы, которые проходят через точки неустойчивости и образуют новые формы порядка, биохимик Манфред Эйген применил ту же концепцию, пытаясь пролить свет на тайну происхождения жизни. Согласно традиционной версии теории Дарвина, живые организмы выделялись из «молекулярного хаоса» случайно, в процессе беспорядочных мутаций и естественного отбора.

Манфред Эйген, нобелевский лауреат и директор Института физической химии имени Макса Планка в Геттингене, в начале 70-х предположил, что возникновение жизни на Земле стало возможным благодаря процессу нарастающей организации в далекой от равновесия химической системе, с образованием гиперциклов многочисленных цепей обратной связи. Фактически Эйген постулировал добиологическую фазу эволюции, в ходе которой в молекулярном виде происходят процессы отбора, выражающие «свойства вещества в особых системах реакций», и ввел понятие молекулярной самоорганизации для описания этих добиологических эволюционных процессов.

В молекулярной самоорганизации довольно часто участвует кислород, основное количество которого – O2 (95-98 %), расходуется на выработку энергии и окислительный катаболизм субстратов. Относительно небольшая часть (2–5 %) переходит в активные формы кислорода (АФК) [9–11] и затем частично используется для оксидативной модификации (МО) макромолекул. Это означает, что во всех клетках и всех их частях происходит образование АФК и МО макромолекул всех классов: нуклеиновых кислот, белков и липидов.

Для исследования роли везикул (секреторных гранул) в процессе межклеточной сигнализации проводят исследования на самых разнообразных объектах : межнейронных синапсах центральной нервной системы, нервно – мышечных синапсах электрическом ската, мозговом солее надпочечников, нейронов гипоталамуса и гипофиза [12-14].

---