1. Немцева Елена Владимировна Биология клетки: биофизика Сибирский федеральный университет Институт фундаментальной биологии и биотехнологии 2011 6а
2. Лекция 6 а Информация и термодинамика биологических систем
3. Что такое информация? «Я бросил игральный кубик пять раз и каждый раз выпадало два очка» В каком случае я получил больше информации? «Из колоды, содержащей 32 карты, я наугад выбрал одну, и она оказалась дамой пик» «Я взвесил образец на весах с точностью 10 грамм. Вес оказался равным 100 грамм. Я повторил взвешивание на весах с точностью 1 грамм, и вес оказался равным 99 грамм» Для упрощенной ситуации количество информации: р – вероятность события до получения сообщения, р 1 – вероятность после получения сообщения Информация Информация и термодинамика биологических систем 1
4. Что такое информация? «Я бросил игральный кубик пять раз и каждый раз выпадало два очка» «Из колоды, содержащей 32 карты, я наугад выбрал одну, и она оказалась дамой пик» «Я взвесил образец на весах с точностью 10 грамм. Вес оказался равным 100 грамм. Я повторил взвешивание на весах с точностью 1 грамм, и вес оказался равным 99 грамм» Для упрощенной ситуации количество информации: р – вероятность события до получения сообщения, р 1 – вероятность после получения сообщения Информация Информация и термодинамика биологических систем 2
5. Пусть задано м а кроскопическое состояние некоторой системы (газ в сосуде), то есть указано значение ТД параметров. Формула Планка-Больцмана для связи энтропии со стат. весом: Каждому м а кросостоянию соответствует набор м и кросостояний (например, способов, которыми можно разместить молекулы газа в сосуде). Число м и кросостояний W , соответствующих данному м а кросостоянию, называется статистическим весом или термодинамической вероятностью данного макросостояния. Количество информации, которое надо получить о системе, чтобы однозначно определить ее микросостояние: Связь информации и энтропии Информация и термодинамика биологических систем 3
6. Упорядоченность построения многоклеточного организма из клеток Тело человека содержит примерно 10 13 клеток. Если среди них нет одинаковых и их нельзя менять местами, то возможно 10 13 ! вариантов, и количество информации для построения одного «верного»: Понижение энтропии при построении организма человека из клеток: При испарении 1 г воды энтропия повышается примерно на 1 эе ( ! ) Упорядоченность построения клеток из биополимеров: Количество биополимеров в одной клетке составляет примерно 10 8 . Если среди них нет одинаковых и их нельзя менять местами, то количество информации, необходимой для построения одной клетки из готовых биополимеров: А для всех клеток организма – 2,6 10 22 бит, что соответствует понижению энтропии примерно на 6 10 -2 эе. Биологическая упорядоченность Информация и термодинамика биологических систем 4 1 2
7. Упорядоченность построения белков и ДНК из мономеров: Организм взрослого человека содержит около 7 кг белков и 150 г ДНК, что соответствует примерно 3 10 25 аминокислотных и 3 10 23 нуклеотидных остатков. Создание единственной последовательности из 20 3 10 25 возможных для белка требует 10 26 бит информации. Для ДНК - 6 10 23 бит. Повышение энтропии на 300 эе обеспечивается испарением 170 г воды. ИТОГ: Упорядоченность биологической организации человеческого тела «стоит» 301,5 эе и подавляющий вклад вносит упорядоченное распределение аминокислотных остатков в белках. Согласно физическим критериям, любая биологическая система упорядочена не больше, чем кусок горной породы того же веса. В пересчете на энтропию получаем для белков и ДНК 300 и 1,4 эе соответственно. Биологическая упорядоченность Информация и термодинамика биологических систем 5
8. В основе ощущения особой упорядоченности биологических структур лежит то обстоятельство, что она имеет смысл Изучение неживой материи КАК? ПОЧЕМУ? Изучение объектов живой природы КАК? ПОЧЕМУ? ДЛЯ ЧЕГО? Осмысленно то, что имеет цель Системы, создающие осмысленную упорядоченность, обладают одним общим свойством: они содержат компоненты, конструкции, продолжительность жизни которых превышает время одного цикла работы системы. С точки зрения статистической физики наличие конструкции означает наличие границ между областями фазового пространства, пересечение которых запрещено для фигуративных точек статистической системы в течение данного промежутка времени. Биологическая упорядоченность Информация и термодинамика биологических систем 6
9. Статьи по теме: Л.А. Блюменфельд Информация, термодинамика и конструкция биологических систем (СОЖ , 1996) Г.Р. Иваницкий XXI век: что такое жизнь с точки зрения физики (УФН, 2010) Биологическая упорядоченность Информация и термодинамика биологических систем 7
