Биологическая термодинамика — это количественное изучение преобразований энергии , происходящих внутри или между живыми организмами , структурами и клетками , а также природы и функции химических процессов, лежащих в основе этих преобразований. Биологическая термодинамика может решить вопрос о том, стоит ли выгода, связанная с каким-либо конкретным фенотипическим признаком, требуемых для этого затрат энергии .
Книга немецко-британского врача и биохимика Ганса Кребса 1957 года « Преобразования энергии в живой материи» (написанная совместно с Гансом Корнбергом ) [1] стала первой крупной публикацией по термодинамике биохимических реакций. Кроме того, приложение содержало первые в истории опубликованные термодинамические таблицы, написанные Кеннетом Бертоном , содержащие константы равновесия и свободную энергию Гиббса образования для химических видов , способные рассчитать биохимические реакции , которые еще не произошли.
Неравновесная термодинамика применялась для объяснения того, как биологические организмы могут развиваться из беспорядка. [2] [3] Илья Пригожин разработал методы термодинамической обработки таких систем. Он назвал эти системы диссипативными , потому что они формируются и поддерживаются диссипативными процессами, которые обменивают энергию между системой и ее окружением, и потому что они исчезают, если этот обмен прекращается. Можно сказать, что они живут в симбиозе с окружающей средой. Преобразования энергии в биологии зависят прежде всего от фотосинтеза . Суммарная энергия, захваченная фотосинтезом в зеленых растениях от солнечного излучения, составляет около 2·10 23 джоулей энергии в год.[4] Ежегодная энергия, улавливаемая в результате фотосинтеза зелеными растениями, составляет около 4% от общей энергии солнечного света , достигающей Земли. Преобразования энергии в биологических сообществах, окружающих гидротермальные источники , являются исключением; они окисляют серу , получая энергию посредством хемосинтеза , а не фотосинтеза.
Область биологической термодинамики сосредоточена на принципах химической термодинамики в биологии и биохимии . Охватываемые принципы включают первый закон термодинамики , второй закон термодинамики , свободную энергию Гиббса , статистическую термодинамику , кинетику реакций и гипотезы происхождения жизни. В настоящее время биологическая термодинамика занимается изучением внутренней биохимической динамики, такой как: гидролиз АТФ, стабильность белков, связывание ДНК, мембранная диффузия, кинетика ферментов [5] .и другие такие важные пути, контролируемые энергией. С точки зрения термодинамики количество энергии, способной совершить работу во время химической реакции, количественно измеряется изменением свободной энергии Гиббса . Физический биолог Альфред Лотка попытался объединить изменение свободной энергии Гиббса с эволюционной теорией.
Солнце является основным источником энергии для живых организмов. Некоторые живые организмы, такие как растения, нуждаются в солнечном свете напрямую, в то время как другие организмы, такие как люди, могут получать энергию от солнца косвенно. [6] Однако есть свидетельства того, что некоторые бактерии могут процветать в суровых условиях, таких как Антарктида, о чем свидетельствуют сине-зеленые водоросли под толстыми слоями льда в озерах. Независимо от типа живых существ, все живые организмы должны улавливать, преобразовывать, хранить и использовать энергию, чтобы жить.
Связь между энергией падающего солнечного света и его длиной волны λ или частотой ν определяется выражением