Ещё к середине прошлого века установлено противоречие между биофизикой и термодинамикой, связанное с мышечной деятельностью. В последней трети прошлого века были получены данные о жизни термофильных бактерий, которые вступили в ещё более глубокое противоречие с классической термодинамикой. Не понятна природа энергии, порождающей силы Лапласа, обеспечивающие подъём питательных растворов по пучку ксилемы против сил гравитации.

1. КПД мышечного сокращения и КПД Карно. Первое противоречие.

Биофизик Хилл с сотрудниками ещё в первой половине прошлого века экспериментально установил законы мышечного сокращения. Из этих закономерностей вытекало жёсткое противоречие с классической термодинамикой. “Хилл на основании полученных им в эксперименте значений ... нашёл, что КПД примерно равен 40%. Эта цифра слишком велика для тепловой машины, наивысшая температура которой должна быть ограничена теми относительно низкими значениями, которые практически наблюдаются в возбуждённой мышце, ...”. [4]. Байер В. [4] ещё в середине прошлого века показал, что для такого КПД при конечной температуре в 20⁰С требуется по формуле Карно перепад температур в 117⁰С, что не совместимо с жизнью. Термодинамика встала в тупик, до сего дня не способна хоть как то прояснить ситуацию и усиленно замалчивает данную проблему. К настоящему времени даже биофизики перестали акцентировать внимание на проблеме, а просто указывают на нереально высокий КПД мышечной деятельности. Так автор [2] указывает, что КПД мышечной деятельности по современным данным составляет совсем уж запредельную для термодинамики величину в 75%, но при этом не указывает на противоречие с термодинамикой.

Это противоречие ещё больше разъединили биологию и термодинамику. Эти науки и в теоретических построениях и в экспериментальных наработках по принципиальным вопросам эволюционного развития и процессов преобразования энергии не согласуются между собой.

Согласно положений теории термодинамических потенциалов и химической термодинамики, в механическую работу может быть превращена лишь часть тепловой энергии экзотермических реакций - свободная энергия. Другая часть, называемая связанной энергией, передаётся окружающей среде и в термодинамике трактуется как компенсация за преобразование тепла в работу. Соотношение между свободной и связанной составляющими, а следовательно и КПД преобразования зависят от процессов и условий при которых происходит преобразование тепловой энергии в работу. В [13, 14] показано, что происхождение связанной энергии обусловлено процессом расширения системы при преобразовании тепла в работу. Эта работа необходима на проталкивание увеличенного, в результате расширения, объёма рабочего тела в атмосферу, на что затрачивается часть полученной работы. В тепловых машинах частичного снижения связанной энергии добиваются регенерацией, возвращением части связанной энергии в цикл.

“Компенсация за преобразование тепла в работу” - это неизбежная потеря, свойственная всем тепловым машинам, которые для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. В этом природа термического КПД. Если организовать процесс преобразования потенциальной энергии неравновесности тепловой системы в кооперативные потоки кинетической энергии при постоянном объёме рабочего тела, то не нужно будет расширять атмосферу, не нужно тратить работу против сил гравитации и передавать часть подведенного в цикл тепла окружающей среде, а значит, отпадёт необходимость в понятиях термического КПД и компенсации. Остаётся только внутренний относительный КПД, учитывающий процессы диссипации. Эту возможность и использовала живая природа (в частности черепаха).

При этом не возникает ни каких противоречий с формулой Карно. Она выведена для специфического цикла Карно, в котором с одной стороны используются процессы расширения рабочего тела, с другой в принципе невозможна регенерация.

В выше сказанном до банальности простое объяснение высокого КПД черепахи. У неё практически 100% термический КПД, она не расширяет атмосферы, так как в качестве рабочего тела живая клетка использует плазму на 90% состоящую из воды, несжимаемой жидкости. А снижение общего КПД вызвано внутренним относительным КПД, связанным с диссипацией кооперативных потоков энергии, с законом роста энтропии. Нет расширения атмосферы, нет и связанной энергии. Отличительно высокий КПД черепахи видимо объясняется её медлительностью и возможно особенностями морфологии, снижающими диссипацию, связанную с вязкостью гиалоплазмы.

Понимание природы компенсации за преобразование тепла в работу позволяет снять, казалось бы, не разрешимое противоречие между теорией и практикой теплотехники и достижениями биофизики. Живая природа в процессе биологической эволюции выбрала более рациональный путь преобразования тепла в работу, нежели тот путь, по которому идёт человек со времён Герона Александрийского, более двух тысяч лет назад, построившего первую тепловую машину с использованием процесса расширения. Тем самым человек обрёк себя на не разрешимые, в том числе и экологические проблемы. А вот использование биологических принципов преобразования тепла в работу позволит снять и большинство экологических проблем и решить проблему нехватки органического топлива. [12, 13, 14].

Приведём ещё такой аргумент для специалистов в области химической термодинамики. Рассмотрим три объекта: тепловую машину, черепаху и аккумулятор. С точки зрения химической термодинамики они все, для получения полезной работы, используют тепло химических реакций. Причём в работу превращается та часть тепловой энергии, которая именуется свободной энергией. Другая часть полной тепловой энергии, именуемая связанной энергией, теряется бесполезно. Отношение свободной энергии к полной и даёт термический КПД. Этот КПД, помноженный на внутренний относительный КПД объекта, и даёт реальный КПД преобразования тепла в работу. Так вот этот КПД для тепловых машин составляет 30-40%, в лучшем случае 60% для парогазовых установок, последний писк моды в теплоэнергетике. И это при перепадах температур над окружающей средой от нескольких сотен до более 1000 градусов. КПД же черепахи и аккумулятора составляют 80% и 90% соответственно. При этом перепад температур над окружающей средой единицы градусов. А причина столь разительного результата в том, что и черепаха и аккумулятор не используют процессов расширения.

2. Термофилы и второй закон. Второе противоречие.

Изучение условий жизни термобактерий привело к новому противоречию между биологией и термодинамикой. Причём противоречие оказалось даже более существенным, чем при изучении механизмов и эффективности мышечного сокращения. Рассмотрим это противоречие и биологические механизмы, сформировавшиеся в процессе эволюции, которые обеспечивают существование живой материи в экстремальных температурных условиях. При этом течение процессов энергетического обмена и поведение энтропии противоречат устоявшимся положениям термрдинамики.

Суть противоречия. Термобактерии – это прокариоты, простейшие представители живой материи. Тем не менее, им присущи все черты, присущие живым существам. Такие как способность извлекать из окружающей среды и использовать энергию в виде питательных веществ или в виде солнечной или химической энергии, способность к размножению и передаче наследственной информации, приспособляемость к окружающей среде и её изменениям и другие. Рассмотрим подробнее наиболее важные для дальнейшего изложения свойства клеток – обмен с окружающей средой и гомеостаз. Гомеостаз – способность поддерживать относительное постоянство параметров внутренней среды клетки: её объёма, температуры давления, состава, обеспечение устойчивости функций. Важнейшее значение для процессов метаболизма имеет каталитическая активность белков – ферментов. Именно гомеостаз обеспечивает, в том числе, температурный оптимум для каталитической активности белка. Превышение допустимой температуры приводит к денатурации белка и в дальнейшем к гибели клетки. Из литературы известно, что  гипертермофилы развиваются при температуре окружающей среды достигающей как минимум в 122⁰С.  Сравним эту температуру с температурным оптимумом белков – ферментов.

формате PDF (406Кб)