I закон термодинаміки біологічних систем вказує, що будь-яка біологічна система є відкритою термодинамічною системою. Цей закон встановлює кількісні співвідношення між кількістю тепла, роботою і зміною внутрішньої енергії термодинамічної системи, але не визначає напрямок термодинамічних процесів.
Пристосованість другого закону класичної термодинаміки до біологічних систем можна пояснити наступним чином. Живий організм необхідно розглядати не ізольовано від зовнішнього середовища, а у взаємодії з ним. Як відомо, процеси, які самостійно протікають в ізольованій системі, приводять її до стану термодинамічної рівноваги. При цьому стані градієнти енергії вирівняні, працездатність системи дорівнює нулю, а її ентропія максимальна. Проте добре відомо, що біологічні системи, доки вони функціонують, ніколи не досягають такого стану. Вони завжди характеризуються працездатністю, а їх ентропія не є максимальною. Це пов’язано з тим, що біосистеми є не ізольованими, а відкритими системами. Вони постійно обмінюються енергією із зовнішнім середовищем. При цьому вільна енергія потрапляє до організму у вигляді харчових продуктів, різних випромінювань тощо, а виділяється найчастіше в деградованій тепловій формі або у вигляді низькоенергетичних сполук Оскільки приплив вільної енергії сприяє зменшенню ентропії системи (збільшуються градієнти енергії, зменшується кількість деградованої форми енергії), то говорять, що організм споживає негативну ентропію і виділяє
позитивну ентропію.
Організм, будучи відкритою системою, отримує енергію ззовні і запасається нею, як правило у вигляді багатих на енергію сполук (наприклад, АТФ). При цьому ентропія системи знижується. Ця енергія використовується для здійснення корисної роботи. Через те, що усі процеси, які протікають у живих тілах, носять необоротний характер, то під час їх ентропія збільшується. При цьому частина енергії виділяється у довкілля у деградованому вигляді (тепловій формі або у вигляді бідних на енергію кінцевих продуктів метаболізму). Тому при розгляді пристосованості другого принципу термодинаміки до біосистем слід сприймати організм разом з ділянкою середовища, яка забезпечує його нормальне функціонування протягом певного часу. Така система отримала назву умовно ізольованої системи. До неї другий принцип термодинаміки повністю прикладається. В окремих ділянках цієї системи ентропія, здавалося б всупереч другому принципу термодинаміки, може навіть зменшуватися (наприклад, у зелених листях при фотосинтезі). Проте це зменшення відбувається за рахунок зростання ентропії в іншій частині такої системи (наприклад, у джерелі світла, від якого світлова енергія потрапляє у листя). В результаті загальна ентропія такої системи відповідно до другого принципу термодинаміки не зменшується, а має тенденцію до збільшення. Таким чином, другий принцип термодинаміки застосовується і до біосистем. Протікання процесів у них відбувається відповідно до цього принципу, і ентропії тут належить важлива роль. Отже, перший закон термодинаміки встановлює кількісне співвідношення між теплом, роботою і зміною внутрішньої енергії термодинамічної системи, але не визначає напрямок термодинамічних процесів. Цей закон виконується для будь-якої системи. Другий закон термодинаміки є статичним законом і справедливий лише для систем з великою, але кінцевою, кількістю часток. Цей закон вказує на найбільш ймовірний напрямок ходу процесів у термодинамічній системі.
31.
