2 – Ma’ruza: biologik jarayonlar termodinamikasi

Jarayonlar bog’langanligi. Onzager aloqadorligi.
Jarayenlar bog’langanligi. O’zligidan kechuvchi har qanday jarayen, erkin energiyaning ka­mayishi yo’nalishida amalga oshadi. Masalan, ATF, ADF gacha gidroliznanganda ("makroerg bog’" uzilishi evaziga) G ancha kamayadi. Hujay­rada kechadigan reaksiyalarning ko’pchiligi (biosintez moddalarning aktiv tashilishi va h.k.) erkin energiyasining (G >0) oshishi bilan kechadi. Ular o’znigidan emas, balki G < 0 tip boshqa kimyoviy reak­siyalar bilan bog’lanish hisobiga amalga oshadi. Jarayonlarning bog’la­nishida, energiyani qayta o’zgartuvchi qurilma sifatida, ATFaza komp­lekslari ishlaydi. Modullar va elektr zaryadlarining bog’langan oqimlari biologik sistemalarda amalga oshib turadigan eng muhim oqimlardan hisoblanadi.
Onzager aloqadorligi. Har qanday jarayenni umumlashgan kuch X (sabab) bilan umumlashgan oqim I (jarayon tezligi)ning ko’paytmasi tarzida xarakterlash mum­kin. Shu asosda, jarayon entropiyasining o’zgarishi mazkur xarakterlar ko’paytmasi IX (quvvat) ko’rinishida ifodalanadi. Jarayon xarakteriga bog’lik holda, umumlashgan kuch X turli tabiatga ega bo’lishi mumkin: kimyoviy reaksiyalarda u kimyoviy yaqinlik (A), mexanikaviy jarayonlarda kuch (F), elektr hodisalarda- potensiallar farqi (), issiqlik o’tkazuvchvnlikda u harorat gradiyenti (T) dir.
Agarda muvozanat yaqin sistemada harakatlantiruvchi kuch va u tufayli yuzaga keladigan oqim kuchsiz bo’lsa, ulararo bog’liqlik pro­porsional xarakterga ega bo’ladi, ya’ni Iq L X,
bu yerda L- proporsionallik koeffisiyenti.
Faraz qilaylik, sistemada bir vaqtning o’zida ikki oqim, issiqlik oqimi - I₁ va moddalilg diffuzion oqimi - I₂ hamda umumlashgan kuchlar, haroratlar farqi - X₁ va konsentrasiyalar farqi - X₂ mavjud bo’lsin. N.Ongazerga binoan, muvozanatga yaqin ochiq sistemada, har bir oqim faqat o’z xarakatlantiruvchi kuchigina emas, boshqa oqimni xarakatlantiruvchi kuchiga ham bog’liq bo’lib, bunday aloqadorlik di­agonal koeffisiyentlar tengligi bilan xarakterlanib, oqimlar bir birini qo`llab turadi.
I₁ = L₁₁ X₁ + L₁₂ X₂
I₂ = L₂₁ X₁ + L₂₂ X₂
bu yerda L_ij -proporsionallik koeffisiyentlari.
Muvozanat yaqinida X₂-ning I₁-ga ko’rsatadigan ta’siri, X₁ -ning I₂ -ga ko’rsatadigan ta’siriga teng. Demak, ikki oqim muvozanat nuqtasida o’zaro bog’liq. Erkin energiyaning oshishi bilan kechadigan, oqim o’zligicha mumkin bo’lmay, u faqat ochiq sistemada kechadigan boshqa jarayon hisobiga Amalga oshishi mumkin. Bunday hodisalarga glyukoza yoki aminokislotalarning konsentrasiya gradiyentiga qarshi, Na⁺ gradiyenti evaziga tashilishini misol qilish mumkin. Oqimlar bog’langanligining mezoni sifatida dissipativ funksiya-ning ijobiy kattaligi ish beradi:

Jarayon bog’langanligining mezoni bo’lmish ana shu dissipativ funksiya energiyaning issiqlikka aylanib sochilishini ifodalaydi.
C) Prigojin teoremasi.
Entropiyaning maksimumga intilishi muvozanatni jarayonlar termo­dinamikasining asosiy kriteriysidir.(Klauzius attraktori). Muvo­zanatga yaqin ochiq sistemaga xos ana shunday attraktor mavjudmi? Prigojin teoremasiga binoan, tashqi parametrlarning o’zgarmaslik holida, stasionar holatda entropiya hosil qilish tezligi minimal kattalikka intiladi. (Entropiya hosil qilish tezligi doimiy bo’lib, uning kattaligi minimal). Aynan mana shuning o’zi I.Prigojin teoremasidir. Muvozanatga yaqin turgan ochiq sistemada kechadigan Onga­zer aloqadorlik prinsipiga bo’ysunadigan qaytmas jarayonlar yo’lalishi kriteriysi aynan mana shundan iborat.
Agarda sistema stasiolar holatda bo’lsa, uning dissipativ funksiyasi - minimal bo’lib, g’alayon tufayli sistemaning stasionar nuqtadan har qanday chetlanishi, uning oshishiga sabab bo’ladi. Bunga javoban sistemadagi kuchlar va oqimlar shunday o’zgarishi lozimki, dissipativ funksiya yangidan kamayib, sistema o’z stasionar holatiga qaytadi. Aynan mana shuning o’zi muvozanat yaqinidagi sistema stasi­onar holatning barqarorlik shartidir.
Ta’kidlash muqimki, biologik sistemalar muvozanatdan uzoqdagi sistemalardir. Ular oqimlar bilan kuchlar aro proporsionallik yoki Ongazer aloqadorligi qoidasiga amal qilmaydi. Bunday sistemalarda erkin energiyaning G q 1-2 kkal/mol kattaliklari bilan xarkterlanadigan biokimyoviy jarayonlarga xos o’tishlar sodir bo’ladi. Ongazer aloqadorligi esa faqat energiyaning G  0,2 kkal/mol o’zgarish bilan kechadigan jarayonlarga taaluqlidir. Shu bilan birga muvozanatdan uzoqdagi jarayonlar stasiolar holati uchun I.Prigojin teoremasi haq bo’lmay, bunday sistemalarda, chiziqli jarayonlar termodinamikasiga xos bo’lmagan avtotebranishli rejim qaror topadi.
Muvozanatlanmagan termodinamik jarayonlar kechishining xarakteri.
Kuchli darajada muvozanatlanmagan termodinamik oqimlar bilan kuchlar o’rtasidagi aloqa chiziqli bo’lmaydigan, demak, Ongazer aloqadorligiga bo’ysunmaydigan sistemalar termodinamikasi bir qator tadqiqotchilar, birinchi navbatda I.Prigojin va P.Gnensdorf tomonidan rivojlantirildi.
Mazkur yangi, hali ham oxiriga yetkazilmagan nochiziq jarayonlar termodinamikasi deb nom olgan ta’limot turli tabiatga ega, kuchli darajada muvozanatlanmagan ochiq sistemalarda o’zligidan tartiblan­gan strukturalar paydo bo’ladi, ya’ni ularda o’zligidan tashkillanish ro’y beradi, deb ta’kidlaydi.
Nemis olimi G.Xaken, shu xil o’zligidan tashkillanish jarayonlari uchun umumiy bo’lgan, "sinergetika" atamasini taklif etdi (synergeia- yunoncha birgalikdagi yoki kooperativ harakat). Sinergetikaning fizikaviy mohiyati shundan iboratki, muvozanatdan uzoqdagi nochiziq sohada, sistema o’z barqarorligini yo’qotadi, kat­ta bo’lmagan funksiyalar, sistemani ko’p sonni zarrachalarning birgalikdagi harakati orqali yangi rejimga olib chiqadi. Kuchli da­rajada muvozanatlanmagan sistemalarda bunday o’zligidan tashkilla­nishning qaror topish hodisasi fizika, kimyo, ayniqsa, biologiyada muhim ahamiyatga ega. Tirik organizmlar va ularning organ­sistemalari kuchli darajada muvozanatlanmagan mikrosistemalar bo’lnib, ularda har doim turli gradiyentlar konsentrasiya, harorat, elektr va bosim gradiyentlari mavjud.
Mazkur xulosa, dunyoqarash nuqtai-nazaridan ham katta ahamiyatga ega. Sinergetika, tabiat qonunlari asosida betartib sistemalarda qanday qilib muayyan bir tartiblangallikning paydo bo’lishi va paydo bo’lgan tartiblanganliklarning murakkabnasha borib rivojlanishini izohnab beradi. M.Eygen, kuchli darajada muvozanatlanmagan murak­kab sistemalarda kodlar tarzida yozingan informasiya shakllangan strukturalarning o’ziga o’xshaganini yaratish jarayenini boshqarib turi­ladi, deb ko’rsatdi. Nochiziq termodinamikaning rivojlanishi natija­sida, hayotning paydo bo’lishiga doir fizikaviy gipotezani ilgari surishga imkon yaratindi. Nochiziq termodinamika ikkinchi qonunining statusini tubdan o’zgar­di. Haqiqatdan ham, bu qonun, ko’rib o’tganimizdek, muvozanatga yaqin qaytmas jarayonlar faqat strukturaning inqirozigina emas, mu­vozanatdan uzoqdagi qaytmas jarayonlar tufayli ham strukturalar paydo bo’lishini bashorat etadi. Termodinamikaning ikkinchi muqaddima­si barcha o’zida real jarayonlarning qaytmasnigini aks ettirish bilan birga materiyaning taraqqiyet qonunini ham ifodanaydi. Ikkinchi muqqadimaning mana shu tarzda tushuninishi, mazkur qonun (berk sis­temalarda entropiyaning oshishi, demak, tartiblanmaganlikning oshishi haqidagi qonun) bilan tirik tabiatda, murakkabnasha boruvchi va o’z-o’zni hosil qiluvchi strukturalar paydo bo’lishi va ularning rivojlanishi hoqidagi Darvin ta’limoti o’rtasidagi juz’iy zidlikka barham berdi.
Ta’kidlash lozimki, bu yerda so’z tirik sistemaning ochiq emas, balki uning tashqi muhit bilan birgalikda yopiq sistema hosil qili­shi haqida, ya’ni tirik sistema murakkablik darajasining oshishi ba­robari sistema entropiyasining oshib borishi haqida boryapti.
Gnensdorf-Prigojin kriteriysiga binoan, muvozanatdan uzoqdagi ochik sistemalarda tartiblangallik qaytmas jarayonlar tufayli, no­chiziq sohada, sistema parametrlari ma’lum bir kritik darajadan oshganda paydo bo’ladi. Prigojin bunday tartiblangan strukturani dissipativ struktura deb atadi. Dissipativ strukturalarning fazoviy, zamonaviy va fazo-zamoniy strukturalar deb ataladigan tur­lari mavjud.