BilimTermodinamik

Termodinamiğe Biyolojik ve Sosyolojik Bakış

Termodinamik enerjinin bilimi olarak ve enerji, değişikliklere neden olma yeteneği olarak tanımlanabilir. Isıyı, sıcaklığı, enerjiyi ve enerjilerin kendi aralarındaki etkileşimlerini yani kısaca enerjinin olduğu her şeyi “termodinamik” bilim dalı inceler. Buna evren de dahil. Çünkü evrende de enerji var.

Biyolojik evrim ise bir termodinamik teori ile açıklanabilir. Evrimin arkasındaki biyolojik teoriyi çerçevelemek için kendine öz yasaları bulunan bu bilim dalındaki daha önce bahsettiğimiz dört yasa güçlerini birleştirerek “Evrenin Temel Yasaları”nı oluşturuyor.

Mekanik anlamda termodinamik ile ilgili yapılan ilk çalışmalar 18. yy başlarında Thomas Savery ve Thomas Newcomen tarafından yapılmış olsa da biz burada “biyolojik termodinamik” üzerinde duracağız. Alman-İngiliz tıp doktoru ve biyokimyacı Hans Adolf Krebs’in 1957 tarihli “Energy Transformations in Living Matter (Yaşayan Maddede Enerji Dönüşümleri)”[1] çalışması biyokimyasal reaksiyonların termodinamiği üzerine ilk kapsamlı yayın oldu.

Buna rağmen termodinamik, başından beri doğa kuramları arasında önemli bir konumda bulunur. Günümüzde biyolojik termodinamik, iç biyokimyasal dinamiklerin incelenmesi ile ilgilenmektedir. Canlılar kendi fizyolojik olaylarını devam ettirebilmek için organik bazlar ile genetik materyalini işleyebilen veya işletebilen biyokimyasal zorunlulukları vardır. Canlı organizmalar , yapılar ve hücreler arasında meydana gelen enerji  transdüksiyonlarının ve bunların altında yatan kimyasal proseslerin doğası ve fonksiyonunun nicel çalışmasıdır. 

Evrende bir denge durumu sağlanıncaya kadar değişme eğilimi vardır. Clausius 1865 yılında yeni bir termodinamik özellik bulduğunu anlamış ve bu özelliğe entropi adını vermiştir. [5] Canlı varlıkların oluşumu, tek hücrelilerin birleşerek çok hücreli varlıklara dönüşmeleri de enerji korunumu ve entropi yasası ile ilgilidir. Kapalı bir sistemdeki düzensizliğin ölçüsü olan entropi nedeniyle, mevcut enerjinin tamamı organizmaya yararlı olmayacaktır.

Canlı bir organizma, çevresi ile hem madde hem de enerji alışverişi yapabilen açık bir sistemdir ve yüksek düzenli durumlarını korumak için sürekli enerji girdisine ihtiyaç duyar. Bu mevcut düzeni sürdürme sürecinde, çevreye bir miktar enerji kaybedilir veya dönüştürülür. Böylece enerji aktarıldıkça yapılan işlemler, hücrenin veya organizmanın çevresindeki entropide artışa neden olur. Enerji transferi, evrendeki entropinin artmasına neden olur.

Örneğin, bir insan besin alır, onu bileşenlerine ayırır ve daha sonra bunları hücre, doku, bağ vb. oluşturmak için kullanır. Bu süreç vücuttaki düzeni artırır ve böylece entropiyi azaltır. Bununla birlikte insanlar, vücut sıcaklığı nedeniyle giysilere ve temas ettikleri diğer nesnelere de ısı iletirler, uzaya ısı yayarlar ve atıkları ortadan kaldırır (örneğin, karbondioksit, su ve diğer nefes, idrar, dışkı, ter vb.). Tüm bu süreçler hesaba katıldığında, büyük sistemin (yani insan ve çevresi) toplam entropisi artar.

Güneş, canlı organizmalar için birincil enerji kaynağıdır. Bitkiler gibi bazı canlı organizmalar doğrudan güneş ışığına ihtiyaç duyarken, bitkiler ve diğer fotosentetik organizmaların aksine hayvanlar ve insanlar gibi diğer organizmalar dolaylı olarak güneşten enerji alabilirler. Diğer biyolojik süreçlerde olduğu gibi, enerji transferi yüzde 100 verimli değildir. Güneş ışınlarından yeşil bitkilerde fotosentez tarafından yakalanan toplam enerji yılda Dünya’ya ulaşan toplam güneş ışığının yaklaşık %4’üdür. Bir miktar enerji yansıtılır ve bir kısmı ısı olarak kaybolur. Çevreleyen ortama enerji kaybı, düzensizlik veya entropide artışa neden olur. [4]

Işık enerjisi bitki yapraklarındaki hücreler tarafından emilerek kimyasal enerjiye dönüştürülür. Kimyasal enerji, bitki kütlesini oluşturmak için gerekli olan karmaşık karbonhidratları oluşturmak için kullanılan glikoz formunda depolanır. Glikozda depolanan enerji, hücresel solunum yoluyla da salınabilir. Bu süreç, bitki ve hayvan organizmalarının ATP üretimi yoluyla karbonhidratlarda, lipitlerde ve diğer makromoleküllerde depolanan enerjiye erişmesine izin verir. Bu enerji, DNA replikasyonu, mitoz, mayoz, hücre hareketi, endositoz, ekzositoz ve apoptoz gibi hücre fonksiyonlarını gerçekleştirmek için gereklidir.

Termodinamik açıdan ATP hidrolizi, protein stabilitesi, DNA bağlanması, membran difüzyonu, enzim kinetiği ve diğer bu tür temel kimyasal reaksiyon sırasında iş yapabilen enerji miktarı, Gibbs Serbest Enerjisindeki değişimle niceliksel olarak ölçülür.[2]  Gibbs Serbest Enerjisindeki değişiklik, belirli bir kimyasal reaksiyonun kendiliğinden meydana gelip gelemeyeceğini belirlemek için kullanılabilir.

Termodinamik yasalarına ek olarak, hücre teorisi, gen teorisi, evrim ve homeostaz, yaşam çalışmasının temelini oluşturan temel ilkeleri oluşturur.[4]

biyolojik-sosyolojik termodinamik

Biyolojik termodinamikten farklı olarak bir de “sosyolojik termodinamik” vardır.

Nüfus bilimine göre toplumların yeryüzündeki yayılışlarında değişik sebepler bulunsa da, bunlardan en başta gelen sebeplerden biri de şüphesiz iklim şartlarıdır. Eski zamanlarda hava soğuyunca mağaralara sığınıp fazlaca hareket etmedikleri, sıcak havalkarda ise geniş alanlara yayılıp yeni bölgeler keşfettikleri, böylece bir iş yaptıkları, tarihten bildiğimiz genel bir davranış tarzıdır. Fizik biliminde multi parçacıklı sistemleri inceleyen bilim kuramına “istatistik mekanik” denir.Bu kuramda açıkça anlaşıldğı gibi belirsizlik esastır ve istatistik ortalamalardan hareketle termodinamik sistemlerin davranışlarını açıklar. Termodinamikten en önemli farkı, ikinci yasadaki entropi kavramını atomlarının ve moleküllerinin hareketleri ile ilişkilendirmesidir.

İkinci yasaya göre “Kapalı sistemlerde sistem termodinamik dengeye ulaşana kadar entropi artar. Denge oluştuğunda veya tersinir hal değişiminin sınırlı durumlarında sabit kalır, fakat asla azalmaz.” Termodinamik denge, en basit tanımıyla, sıcaklığın sabit kaldığı durumdur.[5]  Bunu şöyle açıklayabiliriz; bir kabın içinde sıcak su molekülleri, diğerinde soğuk su molekülleri bulunsun. Farklı bir kapta bunları karıştırırsak bir süre sonra sistem sabit bir sıcaklıkta dengeye gelecektir. Parçacıklar bakımından sistem önce düzenlidir sonrasındaysa parçacıklar karışmıştır. Yani karmaşa artmış, düzen bozulmuştur. Ama kısa sürede, sistem farklı bir denge durumuna ulaşarak, yeniden düzeni sağlamıştır.

İnsan topluluklarında da benzer durumlar vardır. Birbirlerine komsu fakat ayrı durumda olan toplumlar olası [3] bir savaş durumunda birbirlerine karışırlar ve kaos ortamı oluşur. Ancak savaş sonrası, barış sağlandığında yeni bir düzen kurulur ve sosyal denge sağlanmış olur. Sosyal karmaşa durumunda toplumun entropisi artmakta, sosyal dengeye ulaşıldığında ise sabit kalmaktadır. Bu da gösteriyor ki, bir mühendislik kavramı olan “termodinamik denge” ile bir sosyoloji kavramı olan “sosyal denge” arasında önemli benzerlikler vardır.

“İstatistik mekanik” kuramında mikroskopik bir parçacığın belli bir konumda durma süresi o sistemin hacmi ile doğru orantılıdır. Şişirilmiş bir balonda eğer balonun hacmi sabitse içindeki hava veya gaz molekülleri çok fazla yer değiştirmezler. Ancak balonu şişirmeye devam edersek, içine yeni gaz molekülleri eklendikçe içerideki gazın hareketi artar ve moleküller uzun süre aynı noktada kalamazlar. Birinci yasa ile ikinci yasa ilişkilidir, çünkü sistemin enerjisi arttığında sıcaklık artar ve ısınan gaz genişleyerek daha geniş bir hacim kaplar.

Bu durum insan topluluklarında nüfus artışında neden göçlerin de arttığını aslında açıklıyor. İnsan toplumlarında da enerji artısı teknik ve teknolojinin gelişimine bağlı olduğundan, gelişme ve hızlanma insanların daha hareketli olmasına ve daha kolay yer değiştirmelerine neden olur. Öncelikle rüzgar enerjisini kullanarak yelkenli gemileri geliştiren ve ardından petrolün yakıt olarak kullanılışı, insanlığı tüm dünyayı keşfe çıkartmış, çok daha geniş alanlara yayılmayı daha da kolaylaştırmıştır.

Öte yandan insanlar dış tehlikeler arttığında, dağınık durumdan toplu yasam tarzına geçerek iş bölümünü arttırarak, enerji kaybını minimuma indirmişlerdir. Düzenin yerel olarak artması entropinin yerel olarak azaldığına ve ardından sabit kaldığına işarettir. Ilya PrigogineOrder Out of Chaos” adlı kitabında bakterilere bol miktarda besin sağlandığında dağınık yaşadıklarını, besin miktarı azaltılınca bir araya gelerek çok parçacıklı ve düzenli yeni bir yapı oluşturduklarını anlatmıştır.[3]

Kaynak
1. Alberty R (2004). “Enzim katalizli reaksiyonların termodinamiğinin kısa bir tarihi” . J Biol Chem . 279 (27): 27831-6. doi : 10.1074 / jbc.X400003200 . PMID 15073189 .2. MJ Farabee. “Reaksiyonlar ve Enzimler”. On-Line Biyoloji Kitabı . Estrella Dağ Topluluğu Koleji. Arşivlenmiş orijinal 2012-12-28 tarihinde 345
Daha Fazla Göster

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu

Reklam Engelleyici Algılandı!

Sitemizin gelişmesine katkı sağlamak ve size daha iyi bir hizmet sunabilmek için lütfen kullanmış olduğunuz eklentiyi kapatın ve sayfayı yenileyin.