Биологическая термодинамика (термодинамика биологических систем) — наука, объясняющая природу и общие закономерности термодинамических процессов, протекающих в живых организмах как неравновесных термодинамических системах, преобразующих энергию Солнца и пищи в другие виды энергии. Неравновесное термодинамическое состояние живых организмов обеспечивается непрерывным чередованием циклов управляемых биохимических реакций, сопровождающихся выделением и поглощением энергии, что обеспечивает им свойства фенотипической адаптации и ряд других.
В 1935 году вышла в свет первая научная работа, посвященная термодинамике биологических систем, — книга венгерско-русского биолога-теоретика Эрвина С. Бауэра (1890-1938) «Теоретическая биология». [1] Э. Бауэр сформулировал «Универсальный закон биологии» в следующей редакции: «Все и только живые системы никогда не находятся в равновесии и совершают постоянную работу за счет своей свободной энергии против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях». Этот закон можно считать 1-м законом термодинамики биологических систем.
В 1957 году немецко-британский врач и биохимик Ганс Кребс и британо-американский биохимик Ганс Корнберг [2] в книге «Превращения энергии в живой материи» впервые описали термодинамику биохимических реакций. В своих работах Г. Кребс и Ганс Корнберг показали, как в живых клетках в результате биохимических реакций из пищи синтезируется аденозинтрифосфат (АТФ), являющийся основным источником энергии живых организмов ( цикл Кребса–Корнберга ).
В 2006 году израильско-российский ученый Борис Доброборский (1945) опубликовал книгу «Термодинамика биологических систем» [3] , в которой впервые были сформулированы общие принципы функционирования живых организмов с позиций неравновесной термодинамики, а также объяснены природа и свойства их основных физиологических функций.
Живой организм — термодинамическая система активного типа (в которой происходят энергетические превращения), стремящаяся к устойчивому неравновесному термодинамическому состоянию. Неравновесное термодинамическое состояние у растений достигается непрерывным чередованием фаз потребления солнечной энергии в результате фотосинтеза и последующих биохимических реакций, в результате которых в дневное время суток синтезируется аденозинтрифосфат (АТФ), и последующим выделением энергии при расщеплении АТФ преимущественно в темное время суток. Таким образом, одним из условий существования жизни на Земле является чередование светлого и темного времени суток.
У животных процессы чередования циклов биохимических реакций синтеза и расщепления АТФ происходят автоматически. Причем процессы чередования циклов биохимических реакций на уровнях органов, систем и целостного организма, например, дыхания, сокращений сердца и других, происходят с различной периодичностью и внешне проявляются в виде биоритмов. При этом устойчивость неравновесного термодинамического состояния, оптимального в определенных условиях жизнедеятельности, обеспечивается системами обратной связи через регуляцию биохимических реакций в соответствии с теорией устойчивости Ляпунова . Этот принцип жизнедеятельности был сформулирован Б. Доброборским в виде 2-го закона термодинамики биологических систем в следующей формулировке:
Устойчивость неравновесного термодинамического состояния биологических систем обеспечивается непрерывным чередованием фаз потребления и выделения энергии посредством контролируемых реакций синтеза и расщепления АТФ.
Из этого закона вытекают следующие последствия:
1. В живых организмах ни один процесс не может происходить непрерывно, а должен чередоваться с противоположным направлением: вдох с выдохом, работа с покоем, бодрствование со сном, синтез с расщеплением и т. д.
2. Состояние живого организма никогда не бывает статичным, и все его физиологические и энергетические параметры всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно средних значений как по частоте, так и по амплитуде.
Этот принцип функционирования живых организмов обеспечивает им свойства фенотипической адаптации и ряд других.