जैविक ऊष्मप्रवैगिकी

जैविक ऊष्मप्रवैगिकी ऊर्जा पारगमन (बायोफिजिक्स) का मात्रात्मक अध्ययन है जो जीवित जीवों, संरचनाओं, एवं कोशिका (जीव विज्ञान) में या उनके मध्य होता है एवं इन पारगमनों में अंतर्निहित जैव रसायन प्रक्रियाओं की प्रकृति एवं कार्य करता है। जैविक ऊष्मप्रवैगिकी इस समस्या का समाधान कर सकती है, कि क्या किसी विशेष प्ररूपी विशेषता से जुड़ा लाभ इसके लिए आवश्यक ऊर्जा निवेश के योग्य है।

इतिहास

जर्मन-ब्रिटिश चिकित्सा चिकित्सक एवं बायोकेमिस्ट हंस क्रेब्स (जैव रसायनज्ञ) की 1957 की पुस्तक जीवित पदार्थ में ऊर्जा परिवर्तन (हंस कोर्नबर्ग के साथ लिखित) जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं के ऊष्मप्रवैगिकी पर प्रथम प्रमुख प्रकाशन था। इसके अतिरिक्त, परिशिष्ट में केनेथ बर्टन द्वारा लिखी गई प्रथम बार प्रकाशित थर्मोडायनामिक सारणी सम्मिलित थी, जिसमें रासायनिक प्रजातियों के लिए संतुलन स्थिरांक एवं गिब्स मुक्त ऊर्जा सम्मिलित थी, जो जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं की गणना करने में सक्षम थी जो अभी तक नहीं हुई थी।

विकार से जैविक जीव कैसे विकसित हो सकते हैं, ज्ञात करने के लिए गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी प्रारम्भ की गई है। इल्या प्रिझोगिन ने ऐसी प्रणालियों के थर्मोडायनामिक उपचार के लिए प्रविधियां विकसित की गयी है। उन्होंने इन प्रणालियों को विघटनकारी प्रणालियां कहा, क्योंकि वे विघटनकारी प्रक्रियाओं द्वारा बनाई एवं बनाए रखी जाती हैं जो प्रणाली एवं उसके पर्यावरण के मध्य ऊर्जा का आदान-प्रदान करती हैं, एवं क्योंकि वे विलुप्त हो जाते हैं। यदि विनिमय बंद हो जाता है। यह कहा जा सकता है कि वे स्वयं पर्यावरण के साथ सहजीवन में रहते हैं। जीव विज्ञान में ऊर्जा परिवर्तन मुख्यतः प्रकाश संश्लेषण पर निर्भर हैं। सौर विकिरण से हरे पौधों में प्रकाश संश्लेषण द्वारा ग्रहण की गई कुल ऊर्जा लगभग 2 x 10²³ प्रति वर्ष ऊर्जा के जूल है। हरे पौधों में प्रकाश संश्लेषण द्वारा ग्रहण की गई वार्षिक ऊर्जा पृथ्वी तक पहुँचने वाली सूर्य की कुल ऊर्जा का लगभग 4% है। जल उष्मा के निकट के जैविक समुदायों में ऊर्जा परिवर्तन अपवाद हैं; वे प्रकाश संश्लेषण के अतिरिक्त रसायन संश्लेषण के माध्यम से स्वयं ऊर्जा प्राप्त करते हुए, गंधक को ऑक्सीकरण करते हैं।

जीव विज्ञान में ऊष्मप्रवैगिकी का केंद्र

जैविक ऊष्मप्रवैगिकी का क्षेत्र जीव विज्ञान एवं जैव रसायन में रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी के सिद्धांतों पर केंद्रित है। कवर किए गए सिद्धांतों में ऊष्मप्रवैगिकी का प्रथम नियम, ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम, गिब्स मुक्त ऊर्जा, सांख्यिकीय ऊष्मप्रवैगिकी, प्रतिक्रिया बलगति विज्ञान एवं जीवन की उत्पत्ति की परिकल्पना सम्मिलित हैं। वर्तमान में, जैविक ऊष्मप्रवैगिकी स्वयं को आंतरिक जैव रासायनिक गतिकी के अध्ययन से संबंधित करती है। एटीपी हाइड्रोलिसिस, प्रोटीन स्थिरता, डीएनए बंधन, झिल्ली प्रसार, एंजाइम कैनेटीक्स, एवं ऐसे अन्य आवश्यक ऊर्जा नियंत्रित पथ ऊष्मप्रवैगिकी के संदर्भ में, रासायनिक प्रतिक्रिया के समय कार्य करने में सक्षम ऊर्जा की मात्रा को गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन द्वारा मात्रात्मक रूप से मापा जाता है। भौतिक जीव विज्ञानी अल्फ्रेड लोटका ने विकासवादी सिद्धांत के साथ गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन को एकीकृत करने का प्रयत्न किया।

जैविक प्रणालियों में ऊर्जा परिवर्तन

सूर्य जीवित जीवों के लिए ऊर्जा का प्राथमिक स्रोत है। पौधों जैसे कुछ सजीवों को सीधे सूर्य के प्रकाश की आवश्यकता होती है, जबकि मनुष्य जैसे अन्य जीव सूर्य से अप्रत्यक्ष रूप से ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं। चूंकि इस कथन के प्रमाण हैं, कि कुछ बैक्टीरिया अंटार्कटिका जैसे कठोर वातावरण में झीलों में बर्फ की मोटी परतों के नीचे नीले-हरे शैवाल के प्रमाण के रूप में पनप सकते हैं। कोई प्रभावनहीं पड़ता कि जीवित प्रजातियों का प्रकार क्या है, सभी जीवित जीवों को जीवित रहने के लिए ऊर्जा को पकड़ना, ट्रांसड्यूस करना, एकत्र करना एवं उपयोग करना चाहिए।

आने वाली धूप की ऊर्जा एवं उसकी तरंग दैर्ध्य के मध्य संबंध λ या आवृत्ति ν द्वारा दिया गया है।

$E={\frac {hc}{\lambda }}=h\nu ,$

जहाँ h प्लैंक स्थिरांक (6.63x10^-34Js) एवं c प्रकाश की गति (2.998x10⁸ m/s) पौधे इस ऊर्जा को सूर्य के प्रकाश से ग्रहण करते हैं एवं प्रकाश संश्लेषण से प्रवाहित हैं। प्रभावी रूप से सौर ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। ऊर्जा को स्थानांतरित करने के लिए, जानवर पौधों को खिलाएंगे एवं जैविक बड़े अणु बनाने के लिए पचे हुए पौधों की सामग्री की ऊर्जा का उपयोग करेंगे।

विकास का थर्मोडायनामिक सिद्धांत

जैविक विकास को थर्मोडायनामिक सिद्धांत के माध्यम से समझाया जा सकता है। ऊष्मप्रवैगिकी के दो कानूनों का उपयोग विकास के प्रत्युत्तर जैविक सिद्धांत को प्रस्तुत करने के लिए किया जाता है। ऊष्मप्रवैगिकी का प्रथम नियम कहता है, कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है एवं न ही नष्ट किया जा सकता है। कोई भी जीवन ऊर्जा नहीं बना सकता है किन्तु इसे स्वयं पर्यावरण के माध्यम से प्राप्त करना चाहिए। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम में कहा गया है कि ऊर्जा को रूपांतरित किया जा सकता है एवं यह प्रतिदिन जीवन रूपों में होता है। चूंकि जीव स्वयं पर्यावरण से ऊर्जा लेते हैं, इसलिए वे इसे उपयोगी ऊर्जा में परिवर्तित कर सकते हैं। यह उष्णकटिबंधीय की नींव [क्या यह ट्रॉफिक होना चाहिए?] गतिशीलता है।

सामान्य उदाहरण यह है कि खुली प्रणाली को किसी भी पारिस्थिति तंत्र के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो ऊर्जा के विस्तार को अधिकतम करने की ओर बढ़ता है। सभी वस्तु अधिकतम एन्ट्रापी उत्पादन की दिशा में प्रयत्न करती हैं, जो जैव विविधता को बढ़ाने के लिए डीएनए में परिवर्तनों के विकास के संदर्भ में होता है। इस प्रकार, विविधता को ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम से युग्मित किया जा सकता है। विविधता को प्रसार प्रक्रिया के रूप में भी तर्क दिया जा सकता है जो एंट्रॉपी को अधिकतम करने के लिए गतिशील संतुलन की ओर विस्तृत होता है। इसलिए, ऊष्मप्रवैगिकी उत्तराधिकार की दिशा एवं दर के साथ-साथ विकास की दिशा एवं दर की व्याख्या कर सकती है।

उदाहरण

ऊष्मप्रवैगिकी का प्रथम नियम

ऊष्मप्रवैगिकी का प्रथम नियम ऊर्जा के संरक्षण का कथन है। चूंकि इसे परिवर्तित किया जा सकता है, ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है एवं न ही नष्ट किया जा सकता है। प्रथम नियम से हेस का नियम नामक सिद्धांत उत्पन्न होता है। हेस का नियम कहता है कि दी गई प्रतिक्रिया में अवशोषित या विकसित होने वाली ऊष्मा सदैव स्थिर होनी चाहिए एवं प्रतिक्रिया के प्रविधियां से स्वतंत्र होनी चाहिए। चूंकि कुछ मध्यवर्ती प्रतिक्रियाएं एंडोथर्मिक हो सकती हैं एवं अन्य एक्सोथर्मिक हो सकती हैं, यदि प्रक्रिया साधारण हुई होती तो कुल ऊष्मा विनिमय के समान होती है। यह सिद्धांत कैलोरीमीटर का आधार है, उपकरण जिसका उपयोग रासायनिक प्रतिक्रिया में ऊष्मा की मात्रा निर्धारित करने के लिए किया जाता है। चूंकि सभी आने वाली ऊर्जा भोजन के रूप में शरीर में प्रवेश करती है एवं अंततः ऑक्सीकृत होती है, कैलोरीमीटर में भोजन के ऑक्सीकरण द्वारा उत्पादित ऊष्मा को मापकर कुल ताप उत्पादन का अनुमान लगाया जा सकता है। यह ऊष्मा किलोकैलोरी में व्यक्त की जाती है, जो पोषण स्तर पर पाई जाने वाली खाद्य ऊर्जा की सामान्य इकाई है।

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम मुख्य रूप से इस कथन से संबंधित है, कि दी गई प्रक्रिया संभव है या नहीं है। दूसरा कानून कहता है कि कोई भी प्राकृतिक प्रक्रिया तब तक नहीं हो सकती जब तक कि ब्रह्मांड की एन्ट्रॉपी में वृद्धि न हो। भिन्न प्रविधियां से कहा गया है, पृथक प्रणाली सदैव अव्यवस्था की ओर प्रवृत्त होगी। जीवित जीवों को प्रायः त्रुटि से दूसरे कानून की अवहेलना माना जाता है, क्योंकि वे स्वयं संगठन के स्तर को बढ़ाने में सक्षम होते हैं। इस त्रुटिपूर्ण व्याख्या को ठीक करने के लिए, किसी को केवल थर्मोडायनामिक प्रणाली एवं सीमा (थर्मोडायनामिक) की परिभाषा का उल्लेख करना चाहिए। जीवित जीव खुली व्यवस्था है, जो स्वयं पर्यावरण के साथ पदार्थ एवं ऊर्जा दोनों का आदान-प्रदान करने में सक्षम है। उदाहरण के लिए, मनुष्य भोजन लेता है, इसे उसके घटकों में तोड़ता है, एवं उनका उपयोग कोशिकाओं, ऊतकों, स्नायुबंधन आदि के निर्माण के लिए करता है। यह प्रक्रिया शरीर में क्रम को बढ़ाती है, एवं इस प्रकार एन्ट्रॉपी को अर्घ्य करती है। चूंकि, मनुष्य भी (1) कपड़ों एवं अन्य वस्तुओं के संपर्क में ऊष्मा का संचालन करते हैं, (2) शरीर के तापमान एवं पर्यावरण में अंतर के कारण संवहन उत्पन्न करते हैं, (3) अंतरिक्ष में ऊष्मा विकीर्ण करते हैं, (4) ऊर्जा युक्त पदार्थों का उपभोग करते हैं (अर्थात, भोजन), एवं (5) अपशिष्ट (जैसे, कार्बन डाइऑक्साइड, पानी, एवं सांस, मूत्र, मल, पसीना, आदि के अन्य घटकों) को समाप्त करते है। जब इन सभी प्रक्रियाओं को ध्यान में रखा जाता है, तो बड़ी प्रणाली (अर्थात, मानव एवं उसका पर्यावरण) की कुल एन्ट्रॉपी बढ़ जाती है। जब मानव जीवित रहना बंद कर देता है, तो इनमें से कोई भी प्रक्रिया (1-5) नहीं होती है, एवं प्रक्रियाओं में कोई बाधा (विशेषकर 4 या 5) शीघ्रता से रुग्णता एवं मृत्यु दर का कारण बनती है।

गिब्स मुक्त ऊर्जा

जैविक प्रणालियों में, सामान्य ऊर्जा एवं एन्ट्रापी में परिवर्तन होता है। इसलिए, ऐसे राज्य कार्य को परिभाषित करने में सक्षम होना आवश्यक है जो इन परिवर्तनों के साथ-साथ खाता हो। यह राज्य फंक्शन गिब्स मुक्त ऊर्जा, G है।

G = H − TS

जहां:

• H तापीय धारिता (SI इकाई जूल) है।
• T तापमान (एसआई इकाई केल्विन) है।
• S एंट्रॉपी (एसआई इकाई जौल प्रति केल्विन) है।

गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन का उपयोग यह निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है कि कोई रासायनिक प्रतिक्रिया अनायास हो सकती है या नहीं। यदि ∆G ऋणात्मक है, तो प्रतिक्रिया सरल प्रक्रिया हो सकती है। इसी प्रकार, यदि AG धनात्मक है, तो अभिक्रिया अनायास होती है। यदि वे मध्यवर्ती विचार करते हैं तो रासायनिक प्रतिक्रियाएं "युग्मित" हो सकती हैं। इस स्थिति में, समग्र गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन प्रत्येक प्रतिक्रिया के लिए ∆G मानों का योग मात्र है। इसलिए, प्रतिकूल प्रतिक्रिया (सकारात्मक ∆G₁) दूसरी, अत्यधिक अनुकूल प्रतिक्रिया (ऋणात्मक ∆G₂ जहां ∆G₂ का परिमाण > ∆G₁ का परिमाण) उदाहरण के लिए, इक्षुशर्करा बनाने के लिए फलशर्करा के साथ ग्लूकोज की प्रतिक्रिया का ∆G मान +5.5 kcal/mol होता है। इसलिए, यह प्रतिक्रिया अनायास नहीं होगी। ADP एवं अकार्बनिक भास्वीय लवण बनाने के लिए (ATP)एटीपी के टूटने का -7.3 kcal/mol का ∆G मान होता है। इन दो प्रतिक्रियाओं को साथ में युग्मित किया जा सकता है, जिससे ग्लूकोज एटीपी के साथ मिलकर ग्लूकोज-1-भास्वीय लवण एवं ADP बना सकते है। ग्लूकोज-1-भास्वीय लवण तब फलशर्करा देने वाले इक्षुशर्करा एवं अकार्बनिक भास्वीय लवण के साथ बंधन में सक्षम होता है। युग्मित अभिक्रिया का ∆G मान -1.8 kcal/mol है, जो दर्शाता है कि अभिक्रिया अनायास घटित होगी। गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन करने के लिए युग्मन प्रतिक्रियाओं का यह सिद्धांत जैविक जीवों में सभी एंजाइमी क्रियाओं के प्रत्युत्तर मूल सिद्धांत है।

यह भी देखें

• जैव ऊर्जा
• पारिस्थिति ऊर्जावान
• हैरिस-बेनेडिक्ट समीकरण
• घृष्टता (जीव विज्ञान)

करीब से सुनना

• हेनी, डी. (2001). जैविक ऊष्मप्रवैगिकी (पाठ्यपुस्तक)। कैम्ब्रिज: कैम्ब्रिज यूनिवर्सिटी प्रेस।
• लेहिंगर, ए., नेल्सन, डी., एवं कॉक्स, एम. (1993)। जैव रसायन के सिद्धांत, दूसरा संस्करण (पाठ्यपुस्तक)। न्यूयॉर्क: वर्थ पब्लिशर्स।
• रॉबर्ट ए. अल्बर्टी|अल्बर्टी, रॉबर्ट, ए. (2006). जैव रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी: गणित के अनुप्रयोग (जैव रासायनिक विश्लेषण के प्रविधियां), विली-इंटरसाइंस।

बाहरी संबंध

• Cellular Thermodynamics - Wolfe, J. (2002), Encyclopedia of Life Sciences.
• Bioenergetics