生物学的熱力学

生物熱力学 （生物システムの熱力学）は、太陽や食物のエネルギーを他の種類のエネルギーに変換する非平衡熱力学システムとして、生物内で発生する熱力学的プロセスの性質と一般法則を説明する科学です。生物の非平衡熱力学的状態は、エネルギーの放出と吸収を伴う制御された生化学反応のサイクルの継続的な交代によって保証され、表現型の適応やその他の多くの特性を提供します。

1935年、生物システムの熱力学に関する最初の科学的著作が出版されました。ハンガリー系ロシア人の理論生物学者エルヴィン・S・バウアー（1890-1938）の著書「理論生物学」です。^[1] E. バウアーは、次の版で「生物学の普遍法則」を定式化しました。「すべてのそして唯一の生物システムは決して平衡状態にはならず、既存の外部条件下で物理法則と化学法則によって要求される平衡に反して、自由エネルギーを犠牲にして一定の作業を行う」。この法則は、生物システムの熱力学の第1法則と考えることができます。

1957年、ドイツ系イギリス人の医師で生化学者のハンス・クレブス   とイギリス系アメリカ人の生化学者ハンス・コーンベルク^[2]は、著書『生体内のエネルギー変換』の中で、生化学反応の熱力学について初めて説明しました。この著書の中で、クレブスとコーンベルクは、生体細胞内で生化学反応の結果として、生体の主なエネルギー源であるアデノシン三リン酸（ATP）が食物から合成される仕組み（クレブス・コーンベルク回路）を示しました。

2006年、イスラエル系ロシア人科学者ボリス・ドブロボルスキー（1945年生まれ）は『生物システムの熱力学』^[3]という本を出版した。この本では、非平衡熱力学の観点から生物の機能の一般原理が初めて定式化され、その基本的な生理機能の性質と特性が説明されている。

生物は、安定した非平衡熱力学的状態を目指す、能動型（エネルギー変換が起こる）の熱力学的システムです。植物の非平衡熱力学的状態は、光合成とそれに続く生化学反応の結果として太陽エネルギー消費の段階が継続的に交代することで実現されます。その結果、日中にアデノシン三リン酸（ATP）が合成され、その後、主に暗闇の中でATPの分解中にエネルギーが放出されます。したがって、地球上の生命が存在するための条件の1つは、1日の明るい時間と暗い時間が交互に繰り返されることです。

動物では、ATP合成と分解の生化学反応の交互サイクルのプロセスが自動的に発生します。さらに、呼吸、心臓の収縮など、臓器、システム、および生物全体のレベルでの生化学反応の交互サイクルのプロセスは、さまざまな周期で発生し、外部ではバイオリズムの形で現れます。同時に、生命活動の特定の条件下で最適な非平衡熱力学的状態の安定性は、リアプノフの安定性理論に従って生化学反応を制御するフィードバックシステムによって提供されます。この生命活動の原理は、B.ドブロボルスキーによって生物システムの熱力学の第2法則の形で次の言葉で定式化されました。

生物システムの非平衡熱力学的状態の安定性は、ATP の合成と切断の制御された反応を通じてエネルギーの消費と放出の段階が継続的に交代することによって確保されます。

この法則から次のような結果が導かれます。

1. 生物においては、いかなるプロセスも連続的に起こることはなく、吸入と呼気、仕事と休息、覚醒と睡眠、合成と分裂など、反対方向で交互に起こる必要があります。

2. 生体の状態は決して静的ではなく、そのすべての生理学的パラメータとエネルギーパラメータは、周波数と振幅の両方において平均値に対して常に連続的に変動している状態にあります。

生物の機能に関するこの原理により、生物は表現型の適応やその他のさまざまな特性を獲得します。

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• Haynie, D. (2001).生物熱力学(教科書). ケンブリッジ: ケンブリッジ大学出版局.
• Lehninger, A., Nelson, D., & Cox, M. (1993). Principles of Biochemistry, 2nd Ed (教科書). ニューヨーク: Worth Publishers.
• Alberty, Robert, A. (2006).生化学熱力学: Mathematica の応用 (生化学分析法)、Wiley-Interscience。

• 細胞熱力学 - Wolfe, J. (2002)、生命科学百科事典。
• 生体エネルギー学