La termodinámica biológica (termodinámica de los sistemas biológicos) es una ciencia que explica la naturaleza y las leyes generales de los procesos termodinámicos que ocurren en los organismos vivos como sistemas termodinámicos de no equilibrio que convierten la energía del Sol y de los alimentos en otros tipos de energía. El estado termodinámico de no equilibrio de los organismos vivos está asegurado por la alternancia continua de ciclos de reacciones bioquímicas controladas, acompañadas de la liberación y absorción de energía, lo que les proporciona las propiedades de adaptación fenotípica y una serie de otras.
En 1935 se publicó el primer trabajo científico dedicado a la termodinámica de los sistemas biológicos: el libro del biólogo teórico húngaro-ruso Erwin S. Bauer (1890-1938) "Biología teórica". [1] E. Bauer formuló la "Ley universal de la biología" en la siguiente edición: "Todos y sólo los sistemas vivos nunca están en equilibrio y realizan un trabajo constante a expensas de su energía libre en contra del equilibrio requerido por las leyes de la física y la química en las condiciones externas existentes". Esta ley puede considerarse la primera ley de la termodinámica de los sistemas biológicos.
En 1957, el médico y bioquímico alemán-británico Hans Krebs y el bioquímico británico-estadounidense Hans Kornberg [2] describieron por primera vez la termodinámica de las reacciones bioquímicas en el libro "Transformaciones energéticas en la materia viva". En sus trabajos, H. Krebs y Hans Kornberg demostraron que en las células vivas, como resultado de las reacciones bioquímicas, se sintetiza trifosfato de adenosina (ATP) a partir de los alimentos, que es la principal fuente de energía de los organismos vivos ( ciclo de Krebs-Kornberg ).
En 2006, el científico israelí-ruso Boris Dobroborsky (1945) publicó el libro "Termodinámica de los sistemas biológicos", [3] en el que se formularon por primera vez los principios generales de funcionamiento de los organismos vivos desde la perspectiva de la termodinámica del no equilibrio y se explicaron la naturaleza y propiedades de sus funciones fisiológicas básicas.
Un organismo vivo es un sistema termodinámico de tipo activo (en el que se producen transformaciones de energía) que tiende a alcanzar un estado termodinámico estable de desequilibrio. El estado termodinámico de desequilibrio en las plantas se logra mediante la alternancia continua de fases de consumo de energía solar como resultado de la fotosíntesis y las reacciones bioquímicas posteriores, como resultado de lo cual se sintetiza trifosfato de adenosina (ATP) durante el día y la posterior liberación de energía durante la descomposición del ATP principalmente en la oscuridad. Por lo tanto, una de las condiciones para la existencia de vida en la Tierra es la alternancia de las horas de luz y oscuridad del día.
En los animales, los procesos de alternancia de ciclos de reacciones bioquímicas de síntesis y descomposición de ATP se producen de forma automática. Además, los procesos de alternancia de ciclos de reacciones bioquímicas a nivel de órganos, sistemas y todo el organismo, por ejemplo, la respiración, las contracciones del corazón y otras, se producen con diferentes períodos y se manifiestan externamente en forma de biorritmos. Al mismo tiempo, la estabilidad del estado termodinámico de no equilibrio, óptimo en determinadas condiciones de actividad vital, se garantiza mediante sistemas de retroalimentación a través de la regulación de las reacciones bioquímicas de acuerdo con la teoría de estabilidad de Lyapunov . Este principio de la actividad vital fue formulado por B. Dobroborsky en forma de la 2ª ley de la termodinámica de los sistemas biológicos en la siguiente redacción:
La estabilidad del estado termodinámico de no equilibrio de los sistemas biológicos está asegurada por la alternancia continua de fases de consumo y liberación de energía a través de reacciones controladas de síntesis y escisión de ATP.
De esta ley se desprenden las siguientes consecuencias:
1. En los organismos vivos ningún proceso puede ocurrir de forma continua, sino que debe alternarse en sentido opuesto: inhalación con exhalación, trabajo con reposo, vigilia con sueño, síntesis con escisión, etc.
2. El estado de un organismo vivo nunca es estático, y todos sus parámetros fisiológicos y energéticos están siempre en un estado de fluctuaciones continuas respecto a los valores medios tanto en frecuencia como en amplitud.
Este principio de funcionamiento de los organismos vivos les proporciona las propiedades de adaptación fenotípica y una serie de otras.