Энтропия – мера необратимого рассеивания энергии. Обычно эта концепция завязывается на идеи о порядке/хаосе и фундаментальных свойствах материи. С одной стороны, Шрёдингер в книге «Что есть жизнь?» подводил к тому, что жизнь – это способность противостоять энтропии (моя сильно упрощенная интерпретация). То есть в его интерпретации жизнь – умение противостоять хаосу.
Говард Блуд в своей книге «The God Problem: How a Godless Cosmos Creates» умело аргументировал, что самоорганизация в сложные структуры является неотъемлемой характеристикой самой материи.
Дело в том, что методология научного познания происходит из общей философии. И даже такие вещи как философское понимание термина энтропия влияют на нашу интерпретацию наблюдаемых процессов.
Энтропия в биохимии
Энтропия в том числе определяет дельту свободных энергий Гиббса. Отрицательная ∆G – говорит о том, что свободная энергия конечных продуктов реакции будет ниже свободной энергии изначальных реактантов, что делает эту реакцию выгодной. Даже если хотите, термодинамически выгодной. Отрицательная ∆G еще не гарантирует спонтанного протекания реакции (как обещают на рисунке выше). Но это уже другая история.
Энтропия в этой формуле и представления о нем как о хаосе может привести к непониманию ряда концепций.
Энтропия и гидрофобный эффект
Гидрофобный эффект – это агрегация в воде неполяризованных (гидрофобных) молекул с уменьшением общей площади контакта с водой и выталкиванием воды из гидрофобной сердцевины образования.
Энтропия как концепция хаоса и рассеянной энергии «поплыла» для меня на гидрофобном эффекте. Поляризованные молекулы могут взаимодействовать с водой (которая диполь), зачастую усиливая дипольный момент воды. Но это очень динамическая структура. Агрегация молекул жира в воде никак в моей голове не связывалась с ростом хаоса в системе. Скорее система теряла в динамике и от этого в общей энергии.
При этом гидрофобный эффект обладает отрицательной ∆G как раз за счет энтропии. Мне помогали это (а затем и агрегацию гидрофобной части белков) понять фразой lowest energy state. Но это мало что объясняет, это скорее просто пересказ формулы свободной энергии Гиббса. Термодинамические выгодная реакция так или иначе двигается в сторону меньшего количество свободной энергии. Со временем в голову пришла следующая мысль
Энтропия – это фундаментальное свойство материи, суть которого в том, что материя принимает состояние, где дальнейшее рассеивание энергии будет наименьшим.
Такой взгляд на проблему позволил мне объединить в своей голове и общей филосфоский взгляд и биохимический. Хотя с точки зрения философии мне ближе Блум, чем Шредингер. Самоупорядочивание до состояние минимально возможного в заданных условиях рассеивания энергии вряд ли может считаться хаосом. И такое понимание не противоречит и факту наличия «темной материи» и «темной энергии».
Энтропия и эффект Оже (Auger Effect)
Мое субъективное понимание этой концепции позволяет мне самому себе объяснять энтропию и в физических эффектах.
Разогнанный электрон (или фотон, что интереснее) может «выбить» электрон из нижних подуровней атома;
В дальнейшем может быть два события:
- Электрон с верхнего подуровня займет вакантную нишу, спустивший на подуровень ниже (что как раз объясняется энтропией и переходом в более низкой энергетическое состояние);
- Энергия выкинет из атома электрон с верхнего подуровня «на свободу»
Эффект Оже в биологических системах может быть интересен возможностью целенаправленно уничтожать ДНК за счет дестабилизации деоксирибозы. Очевидная область применения эффекта Оже – борьба с раковыми опухолями.