The thermodynamics and evolution of complexity in biological systems.

TEMA: La termodinámica de la Complejidad en Biología

La termodinámica, como refinado por Boltzmann, vieron la naturaleza como en descomposición hacia una muerte segura del trastorno aleatoria de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Esta buscando el equilibrio, visión pesimista de la evolución de los sistemas naturales se contrasta con el paradigma asociado a Darwin, de complejidad creciente, la especialización y organización de los sistemas biológicos a través del tiempo. La fenomenología de muchos sistemas naturales muestra que gran parte de la mundo está habitado por estructuras coherentes de no equilibrio, tales como células de convección, auto catalítico las reacciones químicas y la vida misma. Living sistemas exhiben una marcha lejos de desorden y de equilibrio, en estructuras muy organizadas que existen cierta distancia del equilibrio.

termodinámicas Preliminares

La termodinámica se ha demostrado que se aplican a todos los sistemas de trabajo y de la energía que incluye el clásico sistemas de temperatura-volumen-presión, sistemas de cinética química, sistemas electromagnéticos y cuántico. Termodinámica se pueden ver como abordar el comportamiento de los sistemas en tres situaciones diferentes: 1) de equilibrio, (termodinámica clásica), es decir, las acciones de un gran número de moléculas en un cerrado sistema, 2) sistemas que están a cierta distancia de equilibrio, y volverá al equilibrio, es decir, moléculas en dos frascos conectados con una llave de paso cerrada; un frasco tiene más moléculas que el otro y al abrir la llave de paso el sistema llegará a su estado de equilibrio de un número igual de moléculas en cada matraz, y 3) los sistemas que se han movido fuera del equilibrio y están limitado por gradientes para ser a cierta distancia desde el estado de equilibrio, es decir. dos vasos interconectados con un gradiente de presión de mantenimiento más moléculas en un matraz que el otro. La exergía es un concepto central en nuestra discusión del orden del desorden. Como ya se mencionó, la energía varía en su calidad o la capacidad para realizar trabajo útil. Durante cualquier proceso químico o físico de la calidad o la capacidad de energía para realizar el trabajo se pierde irremediablemente. Exergía es una medida de la máxima la capacidad de un sistema de energía para realizar un trabajo útil a medida que avanza a un equilibrio con su entorno (Brzustowski y Golem, 1978, Ahern, 1980). La primera ley de la termodinámica surgió de los esfuerzos para comprender la relación entre calor y trabajo. La primera ley dice que la energía no se crea ni se destruye y que la energía total dentro de una cerrada o aislados sistema permanece sin cambios. Sin embargo, la calidad de la energía en el sistema (es decir, la exergía contenido) puede cambiar. La segunda ley de la termodinámica establece que si existen procesos en curso en el sistema, la calidad de la energía (la exergía) en que el sistema se degrada. El segundo ley también puede expresarse en términos de la medida cuantitativa de la irreversibilidad, la entropía, que para cualquier proceso es mayor que cero. La segunda ley también se puede establecer como: cualquier proceso real sólo puede proceder de una dirección que se traduce en un aumento de entropía.

Sistemas disipativas

 Estos principios señalados anteriormente retención para sistemas aislados cerrados. Sin embargo, una clase más interesante de fenómenos pertenecen a la tercera clase de sistemas que están abiertos a los flujos de energía y materiales y residir o en estados cuasi estable a cierta distancia de equilibrio (Nicolis y Prigogine, 1977, 1989). Sin vida sistemas organizados (como las células de convección, tornados y láser) y los sistemas de vida (a partir de células ecosistemas) dependen de los flujos de energía para mantener fuera de su organización y disipar la energía gradientes para llevar a cabo estos procesos de auto-organización. Esta organización se mantiene a costa de el aumento de la entropía del sistema más grande "global" en la que está incrustada la estructura. En estos sistemas de disipación, el cambio total de la entropía en un sistema es la suma de la producción interna de entropía en el sistema (que es siempre mayor o igual que cero), y el intercambio de entropía con el medio ambiente que puede ser positivo, negativo o cero. Para el sistema para mantenerse en una estado estacionario de no equilibrio del intercambio de entropía debe ser negativa, y más grande que la entropía producido por los procesos internos, tales como el metabolismo. Las estructuras disipativas que son estables en un intervalo finito de condiciones se representan mejor por ciclos de retroalimentación positiva auto-catalíticos. Células de convección, huracanes, reacciones químicas y autocatalytic los sistemas vivos son todos ejemplos de estructuras disipativas lejos del equilibrio que exhiben coherente comportamiento. La transición en un fluido calentado entre la conducción y la aparición de convección (células de Bénard) es una ejemplo de organización coherente emergente pulso en respuesta a una entrada de energía externa (Chandrasekhar, 1961). En los experimentos de células Bénard, la superficie inferior de un fluido es calentado y la superficie superior se mantiene a una temperatura más fría. El flujo de calor inicial a través del sistema es por molécula para interacción molécula. Cuando el flujo de calor alcanza un valor crítico el sistema se vuelve inestable y la acción molecular del fluido se vuelve coherente y emerge un movimiento convectivo que resulta en gran hexagonal coherente, estructurada en espiral patrones de superficie (células de Bénard). Estas estructuras aumenta la tasa de transferencia de calor y la destrucción de gradiente en el sistema. Esta transición entre no coherente, a estructura coherente es la respuesta del sistema a los intentos para moverla fuera del equilibrio (Schneider y Kay, en prensa). Esta transición entre no coherente, molécula a molécula de transferencia de calor, al coherentes resultados de la estructura de más de 10 22 moléculas que actúan de una manera muy organizada. esto aparentemente improbable ocurrencia es el resultado directo del gradiente de temperatura aplicado, la dinámica de la sistema que nos ocupa, y es la respuesta del sistema a los intentos para moverla fuera del equilibrio. Para hacer frente a esta clase de sistemas fuera del equilibrio que hemos propuesto un corolario de Kestin unificada Principio de la Termodinámica. Su prueba muestra que estado de equilibrio de un sistema es estable en el Sentido de Lyapunov. Implícito en esta conclusión es que un sistema se resistirá a ser retirado del estado de equilibrio. El grado en que un sistema ha sido movido de equilibrio se mide por el gradientes impuestas en el sistema.

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