生命引擎的动力: 生物热力学
热力学基础
“在这所房子里，我们遵守热力学定律，” 荷马在《辛普森一家》的一集中宣称。从细菌细胞到人类社会，生命的复杂性和多样性遵循热力学的基本定律。了解生物体如何使用和操纵能量来维持和繁殖自己是揭示生命本质的基础。
，生物热力学的核心在于经典热力学原理。第一定律指出，能量不能被创造或毁灭，只能被转化。焓是从该原理得出的，可以定义为在恒定压力下通过化学过程减去或增加的热量。第二定律指出，要使过程自发发生，就需要增加宇宙的熵。四舍五入，热力学第三定律指出，当系统的温度接近绝对零度时，系统的熵接近恒定值。
通常，放热反应 (释放能量并因此具有负焓值的过程) 自发发生。然而，存在在没有外部能量供应的情况下发生吸热反应的情况。在这些情况下，熵是驱动力。吉布的自由能是通过方程连接这两个热力学值的参数:
其中 ∆ g是吉布的自由能，∆ h是过程的焓，T是温度，∆ s是系统熵的变化。负 ∆ g值表示自发发生的振动过程，而正值则需要外部能量。
细胞作为热力学微机械
活生物体具有使用化学梯度产生能量的能力。一些生物可以利用光来利用其新陈代谢 (光合作用) 所需的能量。另一种方法使用还原-氧化 (氧化还原) 反应来从构件之间转移的电子获得能量。储存这种能量的最直接和最常见的方法是在二磷酸腺苷和磷酸离子之间形成化学键，产生三磷酸腺苷 (ATP)。该键是可逆的，并且ATP分子可以在需要能量时裂解。
代谢反应可分为两类:
- 分解代谢:，它包括化学反应，其中复杂的分子被分解成更简单的成分，释放过程中化学键中捕获的能量。
- 合成代谢:它包括代谢途径，导致分子从较小的构建块合成。在这种情况下，需要提供能量。
可以理解，吉布的自由能和生物可利用的底物将决定哪种代谢是可行的。不同的化学反应将产生不同的能量结果，为细胞提供动力。例如，在氧气存在下葡萄糖的氧化释放大量能量，这将导致好氧异养生物具有非常低的倍增时间 (微生物培养物使成员数量加倍所需的时间)。其他反应效率不高，正如我们在氧化还原栏中看到的，
E是反应的电势，其被定义为可从氧化/还原反应获得的每单位电荷的能量。电势 (E) 与吉布自由能之间的关系非常简单，可以通过以下方程式获得:
其中n是转移的电子数，E是F是法拉第常数96，485J/(V & sdot;mol)。
Gibb
化学反应已在热力学上得到广泛表征。然而，由于其固有的复杂性，细胞已经落后了。然而，已经努力尝试表征。
在这项关键工作中，我们可以看到不同微生物物种的 ∆ g值不同。这项工作的直接结论是，为了让细胞自我复制，它们需要分配能量来合成新的生物质。这种过程所需的能量应该来自我们前面提到的氧化还原反应。这些反应的产量将决定有多少能量可用以及细胞是否可以复制。是试图找到吉布自由能与微生物的微生物生长之间的关系，强调热力学在生命中的重要性。
为什么解开生物热力学很重要
尽管生命是细胞中相互联系的化学反应的非常复杂的挂毯，但生命受与基本化学相同的基本原理支配。在为生存而战中，比如能量既不被创造也不被破坏的规律，宇宙趋向于熵奠定了生命的基本规则。吉布的自由能是决定这些化学反应自发性的关键因素。作为微小的生物机器，生物体具有利用自发化学反应释放的能量来驱动新陈代谢的能力。
这就是为什么我们解开生物热力学的基础。这种知识的影响是巨大的。它将帮助我们了解有多少生物可以生长。它将为我们提供优化流程的工具，将能量从细胞重新分配到我们可能感兴趣的产品中。但它也可以提供关于生物可以在什么样的环境中生长的信息，为天体生物学等外来领域打开大门。在这方面，诸如放射性方法和模拟之类的工具可能是不可估量的。
资源:
https://www.nature.com/articles/ismej20147
