الديناميكا الحرارية البيولوجية

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

الديناميكا الحرارية البيولوجية (ديناميكا حرارة الأنظمة البيولوجية) هي علم يُفسر طبيعة وقوانين العمليات الديناميكية الحرارية التي تحدث في الكائنات الحية، باعتبارها أنظمة ديناميكية حرارية غير متوازنة تُحوّل طاقة الشمس والغذاء إلى أنواع أخرى من الطاقة. وتُضمن حالة عدم التوازن الديناميكي الحراري للكائنات الحية من خلال التناوب المستمر لدورات من التفاعلات الكيميائية الحيوية المُتحكَّم بها، مصحوبةً بإطلاق وامتصاص الطاقة ، مما يُكسبها خصائص التكيف الظاهري ، بالإضافة إلى عدد من الخصائص الأخرى.

تاريخ

في عام ١٩٣٥، نُشر أول عمل علمي مُخصَّص للديناميكا الحرارية للأنظمة البيولوجية، وهو كتاب عالم الأحياء النظري المجري الروسي إروين س. باور (١٨٩٠-١٩٣٨) بعنوان "علم الأحياء النظري". [ ١ ] صاغ إروين باور "القانون الكوني لعلم الأحياء" في الطبعة التالية: "جميع الأنظمة الحية، دون غيرها، لا تكون في حالة توازن، وتؤدي شغلاً ثابتاً باستخدام طاقتها الحرة، في مواجهة التوازن الذي تتطلبه قوانين الفيزياء والكيمياء في ظل الظروف الخارجية القائمة". يُمكن اعتبار هذا القانون القانون الأول للديناميكا الحرارية للأنظمة البيولوجية.

في عام 1957، وصف الطبيب وعالم الكيمياء الحيوية الألماني البريطاني هانز كريبس وعالم الكيمياء الحيوية البريطاني الأمريكي هانز كورنبرغ [ 2 ] لأول مرة الديناميكا الحرارية للتفاعلات الكيميائية الحيوية في كتابهما "تحولات الطاقة في المادة الحية". وأوضح كريبس وكورنبرغ في أعمالهما كيف يتم في الخلايا الحية، نتيجةً للتفاعلات الكيميائية الحيوية، تصنيع الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) من الغذاء، وهو المصدر الرئيسي للطاقة في الكائنات الحية ( دورة كريبس-كورنبرغ ).

في عام 2006، نشر العالم الإسرائيلي الروسي بوريس دوبروبورسكي (1945) كتاب "الديناميكا الحرارية للأنظمة البيولوجية"، [ 3 ] الذي تم فيه صياغة المبادئ العامة لعمل الكائنات الحية من منظور الديناميكا الحرارية غير المتوازنة لأول مرة، وتم شرح طبيعة وخصائص وظائفها الفسيولوجية الأساسية.

الأحكام الرئيسية لنظرية الديناميكا الحرارية للأنظمة البيولوجية

الكائن الحي نظام ديناميكي حراري نشط (تحدث فيه تحولات الطاقة)، ​​يسعى إلى حالة ديناميكية حرارية مستقرة غير متوازنة. تتحقق هذه الحالة في النباتات من خلال التناوب المستمر بين مراحل استهلاك الطاقة الشمسية نتيجة لعملية التمثيل الضوئي والتفاعلات الكيميائية الحيوية اللاحقة، والتي ينتج عنها تخليق الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) خلال النهار، ثم إطلاق الطاقة أثناء انشطار ATP، خاصةً في الظلام. لذا، يُعدّ تناوب فترات الضوء والظلام أحد شروط وجود الحياة على الأرض.

في الحيوانات، تحدث عمليات دورات متناوبة من التفاعلات الكيميائية الحيوية لتخليق وتحلل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) تلقائيًا. علاوة على ذلك، تحدث عمليات دورات متناوبة من التفاعلات الكيميائية الحيوية على مستوى الأعضاء والأجهزة والكائن الحي ككل، مثل التنفس وانقباضات القلب وغيرها، بفترات زمنية مختلفة وتتجلى خارجيًا في شكل إيقاعات حيوية . في الوقت نفسه، يتم توفير استقرار الحالة الديناميكية الحرارية غير المتوازنة، المثلى في ظل ظروف معينة من النشاط الحيوي، بواسطة أنظمة التغذية الراجعة من خلال تنظيم التفاعلات الكيميائية الحيوية وفقًا لنظرية استقرار ليابونوف . وقد صاغ ب. دوبروبورسكي هذا المبدأ للنشاط الحيوي في صورة القانون الثاني للديناميكا الحرارية للأنظمة البيولوجية بالصيغة التالية:

يتم ضمان استقرار الحالة الديناميكية الحرارية غير المتوازنة للأنظمة البيولوجية من خلال التناوب المستمر لمراحل استهلاك الطاقة وإطلاقها من خلال تفاعلات متحكم بها لتخليق وانشطار ATP.

تترتب على هذا القانون النتائج التالية:

1. في الكائنات الحية، لا يمكن لأي عملية أن تحدث بشكل مستمر، بل يجب أن تتناوب مع الاتجاه المعاكس: الشهيق مع الزفير، والعمل مع الراحة، واليقظة مع النوم، والتخليق مع الانقسام، وما إلى ذلك.

2. حالة الكائن الحي ليست ثابتة أبدًا، وجميع معاييره الفسيولوجية ومعايير الطاقة تكون دائمًا في حالة تقلبات مستمرة بالنسبة للقيم المتوسطة من حيث التردد والسعة.

يوفر هذا المبدأ الخاص بعمل الكائنات الحية لها خصائص التكيف الظاهري وعدد من الخصائص الأخرى.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ [باور إي إس (1935) "علم الأحياء النظري" ML، دار نشر VIEM، 151 صفحة (بالروسية).],1
  2. ↑ [ألبرتي ر (2004). "تاريخ موجز للديناميكا الحرارية للتفاعلات المحفزة بالإنزيمات". مجلة الكيمياء البيولوجية. 279 (27): 27831-6. doi:10.1074/jbc.X400003200 . PMID 15073189. مؤرشف من الأصل في 2008-09-05. تم الاسترجاع في 2007-03-04.],2
  3. ↑ [دوبورسكي، ب. س. (2006). "الديناميكا الحرارية للأنظمة البيولوجية". سانت بطرسبرغ، دار نشر أكاديمية سانت بطرسبرغ الطبية الحكومية التي تحمل اسم إي. ميتشنيكوف. 52 صفحة (بالروسية).],3

للمزيد من القراءة

  • هايني، د. (2001). الديناميكا الحرارية البيولوجية (كتاب مدرسي). كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج.
  • لينينجر، أ.، نيلسون، د.، وكوكس، م. (1993). مبادئ الكيمياء الحيوية، الطبعة الثانية (كتاب مدرسي). نيويورك: دار نشر وورث.
  • ألبرتي، روبرت، أ. (2006). الديناميكا الحرارية الكيميائية الحيوية: تطبيقات برنامج Mathematica (طرق التحليل الكيميائي الحيوي) ، وايلي-إنترساينس.