พลังงาน กฎเทอร์โมไดนามิกส์และเอนไซม์
สิ่งแวดล้อมเข้าไปใช้ในร่างกายโดยกระบวน เมแทบอลิซึม (metabolism) ซึ่งประกอบไปด้วย
กระบวนการสังเคราะห์สารอินทรีย์ (anabolism) และ กระบวนการสลายสารอินทรีย์
(catabolism) ซึ่งเกิดขึ้นโดยอาศัยกลไกภายในตัวของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ และจะขับสสารที่เป็น
ของเสียและพลังงานที่ใช้ไม่ได้กลับคืนสู่สิ่งแวดล้อม หากพิจารณาตามหลักของเทอร์โม-
ไดนามิกส์ ซึ่งเป็นศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนรูปของพลังงานในสสารทั้งมวลเราจะเห็น
ได้ว่าสิ่งมีชีวิตมีลักษณะเป็นระบบเปิด (open system) ซึ่งมีการถ่ายเทมวลและพลังงานกับ
สิ่งแวดล้อมอยู่ตลอดเวลากระบวนการสังเคราะห์สารอินทรีย์และสลายสารอินทรีย์์ เป็น
กระบวนการที่ประกอบขึ้นด้วยปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ภายในเซลล์โดยอาศัยเอนไซม์เป็น ถึงแม้ว่า
กระบวนการเมแทบอลิซึมทั้งหลายในเซลล์สิ่งมีชีวิตจะมีความซับซ้อนมากกว่าปรากฏการณ์
ทางเคมีที่เกิดขึ้นในหลอดทดลอง แต่เราก็สามารถนำหลักการทางเทอร์โมไดนามิกส์มาอธิบาย
การหมุนเวียนเปลี่ยนแปลงทางสสารและพลังงานของชีวิตได้
| การเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตเป็นไปตามกฎสองข้อ ของเทอร์โมไดนามิกส์ |
กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์มีพื้นฐานมาจากกฎการอนุรักษ์พลังงาน (principle
of conservation of energy) ซึ่งกล่าวว่า พลังงานสามารถเปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่ง
ได้แต่ไม่สามารถสร้างหรือทำให้พลังงานหายไปได้
้
กระแสไฟฟ้าขึ้นมาแต่มันทำหน้าที่ในการเปลี่ยนรูปพลังงานให้มาอยู่ในรูปที่เราสามารถ
นำมาใช้ได้ หรือการที่พืชสังเคราะห์แสงก็เป็นการเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานเคมี
มันทำหน้าที่แปลงรูปพลังงานไม่ได้สร้างพลังงานขึ้นมาใช้เอง การทำงานของรถยนต์ก็เป็น
การเปลี่ยนพลังงานเคมีในรูปของน้ำมันเชื้อเพลิงไปเป็นพลังงานกลที่ทำให้รถแล่นได้
ร่างกายของเราก็เช่นกันมันทำหน้าที่ี่เปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีจากสารอาหารไปเป็นพลังงาน
เคมีในรูปสารเก็บพลังงานหมุนเวียนในเซลล์ ซึ่งกล้ามเนื้อสามารถนำไปใช้ให้้เกิดงานกล
ในการเคลื่อนที่
| |
คุณคิดว่ารถยนต์สามารถนำพลังงานจากเชื้อเพลิงมาใช้ได้ เต็มเม็ดเต็มหน่วยหรือไม่ แล้วร่างกายล่ะนำพลังงาน จากอาหารมาใช้ได้ทั้งหมดหรือเปล่า |
สารอาหารไปเป็นพลังงานกลในขณะที่สิ่งมีชีวิตเคลื่อนที่ จะมีพลังงานส่วนหนึ่งจะสูญเสียไป
เสมอในรูปของพลังงานความร้อน ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนพลังงานเคมีของน้ำมันเชื้อเพลิง
ไปเป็นพลังงานกล ประมาณ 25% ของพลังงานเคมีเท่านั้นที่ทำให้เกิดงานกลได้ ส่วนอีก 75% จะสูญเสียไปในรูปของพลังงานความร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม ประสิทธิภาพในการ
เปลี่ยนแปลงพลังงานดังกล่าวเป็นไปตาม กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ ซึ่งกล่าวว่า
พลังงาน รูปต่างๆ เช่นพลังงานกล หรือพลังงานไฟฟ้า ล้วนมีความโน้มเอียงที่จะเปลี่ยนรูป
เป็นพลังงานความร้อน กฎข้อนี้ให้หลักเกณฑ์เกี่ยวกับทิศทางของการเปลี่ยนแปลง คือว่า
กระบวนการใดๆ ก็ตามจะมีการปลดปล่อยพลังงานออกมา ซึ่งอาจจะนำไปใช้เป็นประโยชน์
์ได้แค่เพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น ส่วนที่เหลือจะกลายสภาพเป็นพลังงานความร้อน และหากไม่นำ
พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาไปใช้ให้เป็นประโยชน์ ในที่สุดพลังงานก็จะเปลี่ยนสภาพเป็น
ความร้อนไปหมด ซึ่งสิ่งมีชีวิตโดยทั่วไปไม่สามารถนำพลังงานความร้อนมาใช้ให้เกิดงานได้
เนื่องจากการทำให้ความร้อนเปลี่ยนกลับไปเป็นพลังงานรูปอื่นๆ ได้อย่างสมบูรณ์นั้นต้องอาศัย
การถ่ายเทความร้อนไปยังแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ร่างกายสิ่งมีชีวิตมีอุณหภูมิที่ค่อนข้างคงที่
จึงนำพลังงานจากความร้อนมาใช้ไม่ได้เลย
| |
สัตว์เลือดเย็นสามารถนำพลังงานความร้อนมาใช้ให้เกิดงานได้หรือไม่ |
แลกเปลี่ยนมวลนั้น การเปลี่ยนแปลงพลังงานต่างๆ จะเกิดขึ้นในทิศทางที่จะเพิ่มความ
ไม่เป็นระเบียบเรียบร้อยหรือเอนโทรปี (entropy) ของระบบนั้น แต่เราจะเห็นว่าธรรมชาติิของ
สิ่งมีชีวิตหลายอย่างดูจะขัดแย้งกับหลักในข้อนี้ สิ่งมีชีวิตสามารถรักษาหรือเพิ่มความเป็น
ระเบียบเรียบร้อยขององค์ประกอบต่างๆ ของมันได้เป็นอย่างดี แต่เมื่อไรก็ตามที่มันสิ้นชีวิตลง
การเปลี่ยนแปลงในทางที่จะไปเพิ่มเอนโทรปีจะเกิดขึ้นทันที จนกระทั่งในที่สุดซากของมัน
ได้ถึงสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกส์กับสิ่งแวดล้อม แต่ในขณะที่มีชีวิตอยู่่กระบวนการเมแท-
บอลิซึมของมันจะทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถรักษาระดับเอนโทรปีไว้ไม่ให้เพิ่มเร็วเกินไป และ
การหมุนเวียนเปลี่ยนแปลงของมวลและพลังงานโดยกระบวนการเมแทบอลิซึมจะทำให้
้เอนโทรปีส่วนเกินซึ่งจะต้องเกิดขึ้นจากกิจกรรมต่างๆ ของเซลล์ถูกคายออกมาให้กับ
สิ่งแวดล้อม ดังนั้นกระบวนการทั้งหลายในสิ่งมีชีวิตจึงไม่ขัดแย้งกับกฎข้อที่สองของ
เทอร์โมไดนามิกส์แต่อย่างใด
