Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu một cách tổng quát về một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học; tìm hiểu các lý thuyết và ứng dụng của sự chuyển pha áp suất — nhiệt độđối với các đại phân tử sinh học. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 ====== ĐẶNG THỊ THANH HẰNG MỘT LÝ THUYẾT NHIỆT ĐỘNG ĐỐI VỚI CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và Vật lí toán Mã số: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN TRÍ LÂN NGUYỄN TRÍ LÂN HÀ NỘI, 2017
Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Tiến sĩ Nguyễn Trí Lân - Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Thầy đã hướng dẫn tận tình, đầy hiệu quả, thường xuyên chỉ bảo, giúp đỡ, động viên, tạo môi trường làm việc tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường ĐHSP Hà Nội II, các thầy cô trong khoa vật lý đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn này. Xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Vật lý đã giúp đỡ, đóng góp, cung cấp cho tôi những kiến thức bổ ích về vấn đề nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình và bạn bè đã cổ vũ động viên, tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn. Hà Nội, tháng 06 năm 201 7 Tác giả ĐẶNG THỊ THANH HẰNG
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Trí Lân. Luận văn không hề trùng lặp với những đề tài khác. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn sinh viên để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Hà Nội, tháng 06 năm 201 7 Tác giả ĐẶNG THỊ THANH HẰNG
Mục lục Mở đầu 1 Lí do chọn đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Mục đích nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Nhiệm vụ nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Đối tượng nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 Nhiệt động học sinh học 6 1.1 Sự chuyển hóa năng lượng trong các hệ sinh học . . . . . . . . . . 7 1.2 Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học . . . . . . . . . . . . 13 1.2.1 Nội dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.2 Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.3 Áp dụng định luật I cho hệ sinh học. . . . . . . . . . . . . 19 1.3 Định luật thứ hai của nhiệt động học. . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.1 Nội dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.2 Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.3 Áp dụng định luật II cho hệ sinh học . . . . . . . . . . . . 25 1.4 Năng lượng tự do Gibbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2 Các đại phân tử sinh học 30 2.1 Một vài nét về đại phân tử sinh học . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1.1 Sự hình thành của đại phân tử sinh học đầu tiên . . . . . . . 30 2.1.2 Khái niệm đại phân tử sinh học . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2 Cấu trúc và chức năng của một số đại phân tử sinh học . . . . . . . 34 2.2.1 Cấu trúc của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.1.1 Cấu trúc sơ cấp hay cấu trúc bậc I . . . . . . . . 35 2.2.1.2 Cấu trúc bậc II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.1.3 Cấu trúc bậc III . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.1.4 Cấu trúc bậc IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2.2 Chức năng của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3 Sự biến tính và cuộn xoắn của protein . . . . . . . . . . . . . . 41 3 Chuyển pha áp suất — nhiệt độ 44 3.1 Nước dạng lỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2 Sự chuyển pha của các đại phân tử sinh học . . . . . . . . . . . . 46 3.3 Các lý thuyết chuyển pha áp suất — nhiệt độ đối với các đại phân tử sinh học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3.1 Giản đồ pha dạng Elliptic của Protein . . . . . . . . . . . . 49 3.3.2 Giới hạn của lý thuyết nhiệt động lực học . . . . . . . . . . 56 3.4 Một vài ứng dụng của giản đồ pha áp suất - nhiệt độ . . . . . . . . 57 3.4.1 Myoglobin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4.2 Ribonuclease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Kết luận 60 Tài liệu tham khảo 61
1 Mở đầu Lí do chọn đề tài Sự phát triển của nhiệt động lực học là một vấn đề hấp dẫn trong lịch sử khoa học. Sự áp dụng kiến thức vật lý vào nghiên cứu sinh học đã được thực hiện vào cuối thế kỷ XVIII. Năm 1780 hai nhà khoa học Pháp là Lavoadie và Laplace đã tiến hành thí nghiệm để nghiên cứu tính khả dụng của định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sống. Năm 1929, Berger ghi được điện não đồ của động vật. Lịch sử hình thành Lý sinh đã được Taruxop, giáo sư trường Đại học tổng hợp Lomonoxop khẳng định: "Lý sinh được xem như là một khoa học bắt đầu được hình thành từ thế kỷ XIX". Thế kỷ XX là thế kỷ phát triển mạnh mẽ những nghiên cứu khoa học về Lý sinh trong các lĩnh vực: Nhiệt động học, động học của các quá trình sinh vật, vận chuyển chất qua màng tế bào, quang sinh học và phóng xạ sinh học v.v... Theo Albert Einstein - một nhà vật lý người Mỹ gốc Đức, sống 1879-1955. Ông đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1921 và được mô tả như là "Người đàn ông của thế kỷ" do tạp chí Time bầu chọn vào cuối năm 1999. Ông đã nói rằng: "nhiệt động lực học cổ điển... là lý thuyết vật lý duy nhất tổng quát, trong khả năng ứng dụng và trong các cơ sở lý thuyết của nó, mà tôi tin rằng sẽ không bao giờ bị lật đổ.” C. P. Snow, một nhà vật lý người Anh, ”Nội dung của định luật thứ hai nhiệt động lực học thể hiện sự thiếu hiểu biết của Shakespeare, nhằm nhấn mạnh tầm quan trọng của nhiệt động lực học về nhận thức các tính chất (đặc trưng) cơ bản của thế giới vật chất.” Saibal Mitra, giáo sư vật lí tại Đại học Missouri, cho rằng: Có một số cách khác phát biểu định luật thứ hai, ông nói. ”Ở cấp độ rất vi mô, nó đơn giản phát biểu rằng nếu bạn có một hệ cô lập, thì mọi quá trình tự nhiên trong hệ đó diễn tiến theo hướng làm tăng mức hỗn loạn, hay entropy, của hệ.” Mitra giải thích rằng mọi quá trình đều mang lại sự tăng entropy. Cho dù khi trật tự tăng lên ở một nơi nhất định, chẳng hạn bởi sự tự lắp ráp của các phân tử tạo ra một sinh vật
2 sống, thì khi ta xét toàn bộ hệ bao gồm cả môi trường, luôn luôn có một sự tăng entropy toàn phần. Trong một ví dụ khác, các tinh thể có thể hình thành từ dung dịch muối khi nước bay hơi. Các tinh thể thì trật tự hơn các phân tử muối trong dung dịch; tuy nhiên, nước bay hơi thì hỗn loạn hơn nhiều so với nước lỏng. Quá trình xét tổng thể mang lại sự tăng mức hỗn loạn. Và M. V. Volkenstein, thành viên của Viện Sinh học phân tử và Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, đã viết, ”Khi khảo sát bất kì một hệ vật lý nào, bao gồm cả một hệ sống, bắt đầu là việc mô tả nhiệt động học hiện tượng luận của nó.” Sự quan tâm trong ngành khoa học Lý sinh chưa bao giờ dừng lại và nó ngày càng lớn dần khi khoa học kĩ thuật - đất nước ngày một phát triển. Cụ thể, bước sang thế kỷ XXI, hàng loạt vấn đề đang được đặt ra cho các nhà khoa học cần phải nghiên cứu. Đó là năng lượng sinh học, sự chuyển hoá năng lượng và sử dụng năng lượng của hệ sống? Bản chất và cơ chế hình thành điện thế sinh vật? Hiện tượng phân cực ở trong hệ thống sống xảy ra như thế nào và có gì khác so với ở hệ vật lý? Các chỉ số đặc trưng về vật lý và hoá lý đối với tế bào, mô, cơ quan, cơ thể có mối liên quan như thế nào trong hệ thống tiến hoá? Vấn đề tự điều chỉnh các quá trình sinh học của cơ thể sống trước những thay đổi của yếu tố môi trường cũng đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Sinh học phóng xạ hiện đang thu hút nhiều nhà khoa học đi sâu nghiên cứu nhằm phục vụ cho công tác chọn giống mới, bảo quản lương thực, thực phẩm, công cuộc chinh phục vũ trụ, sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hoà bình và không loại trừ khả năng có cuộc chạy đua vũ trang trong việc nắm giữ "đòn hạt nhân đầu tiên" với tham vọng bá quyền thế giới? Ngày nay, sinh học, hóa sinh, lý sinh và công nghệ sinh học đang thu hút sự chú ý của những người trẻ tuổi, dựa trên phương pháp mà các nhà vật lý và hóa học đã làm cách đây ba mươi, bốn mươi và năm mươi năm trước. Hiện đã có một sự thay đổi lớn trong nhận thức của dư luận và trong phân bổ nguồn tài nguyên cho các nghiên cứu của các trường đại học. Cụ thể, những đột phá trong di truyền học, sinh học tế bào, và y học đang thay đổi cách chúng ta sống, từ việc cải thiện chất lượng của sản phẩm để xoá bệnh; mọi người cũng được khuyến khích tìm hiểu về nguồn gốc và ý nghĩa của cuộc sống. Phát triển nhận thức về hình học của cuộc sống, về quy mô chiều dài mở rộng từ một sinh vật riêng lẻ cho đến một yếu tố cấu trúc của một đại phân tử cá nhân, đã dẫn đến một sự đánh giá lại các nguyên tắc của thiết kế trong tất cả các ngành kỹ thuật, bao gồm cả tính toán. [2] Và một vài thập kỷ sau khi đầu tiên xác định được ở độ phân giải nguyên tử các cấu trúc của DNA sợi kép và protein, nó ngày càng trở nên rõ ràng rằng cả hai thông tin nhiệt động và cấu trúc là cần thiết để đạt được một nhận thức sâu sắc về tính chất chức năng của các đại phân tử sinh học. Protein là một loại máy
3 móc của thiên nhiên có kích thước nano, đang cung cấp nguồn cảm hứng cho sự sáng tạo cho các nhà khoa học lý - sinh - hóa và các kiểm soát của vật chất ở cấp độ nguyên tử. Nhiệt động lực học của protein co - duỗi được sử dụng để minh họa một số điểm chính. Tại sao phải nhấn mạnh protein? Khoảng 50% khối lượng khô của cơ thể con người là protein, không có tế bào nào có thể hoạt động mà không cần protein. Vì protein đảm nhiệm nhiều chức năng liên quan đến toàn bộ hoạt động sống của tế bào, quy định các tình trạng và các tính chất của cơ thể sống. Như ta đã biết, sự sống đầu tiên được phát sinh từ nước. Chất lỏng nước vừa là thành phần cấu tạo vừa là dung môi hòa tan nhiều chất cần thiết cho các hoạt động sống của tế bào, đồng thời nước còn là môi trường của các phản ứng sinh hóa. [28] Do vậy, chất lỏng nước định hướng hay quyết định các tính chất của tất cả các cấu trúc sinh học. Nhà triết học Hy Lạp Thales Miletus (khoảng 550 TCN) được trích dẫn bởi Aristotle (Lý thuyết Siêu hình, 983b) quan niệm toàn bộ thế giới của chúng ta được khởi nguồn từ nước. Nước là bản chất chung của tất cả mọi vật, mọi hiện tượng trong thế giới. Mọi cái trên thế gian đều khởi nguồn từ nước và khi bị phân hủy lại biến thành nước. Thales có nói rằng: ”Mọi vật đều sinh ra từ nước; thứ nhất bản nguyên của mọi động vật là tinh dịch, mà tinh dịch thì ẩm ướt; thứ hai, mọi thực vật đều sống bằng nước và đâm hoa kết trái nhờ nước, sẽ khô héo nếu thiếu nước; thứ ba, bản thân ánh sáng của mặt trời và các thiên thể cùng tiêu thụ hơi nước, giống như bản thân vũ trụ.’’ Chính trong môi trường nước, các tiểu phân tử và ion lắp ráp thành các đại phân tử, đại phân tử tích hợp thành bào quan và hình thể của tế bào, tức toàn bộ khối lượng còn lại của cơ thể sinh vật. Các phân tử đó gồm amino acid, lipid, glucid, protein... Hơn nữa, trong các thí nghiệm sinh hóa - sinh lý, ngoài nhiệt độ thì áp suất cũng thông số rất quan trọng và chúng là các biến nhiệt động. Trong những thập kỷ qua, số thực nghiệm cho áp suất cao được thực hiện trên hệ thống sinh học đã tăng lên đáng kể. Có nhiều lý do để cần đo áp suất hiệu dụng (biểu kiến) trong các hệ thống nhiệt động lực học. Có lẽ lý do quan trọng nhất là nhờ đó có thể tách rời ảnh hưởng của sự thay đổi thể tích và nhiệt năng đối với áp suất, khi chúng xuất hiện cùng lúc trong các thí nghiệm về nhiệt độ. Trong quá trình sinh học phân tử, áp suất rất nhạy cảm với sự thay đổi thể tích của hệ. Do đó, khi thay đổi thể tích liên quan đến các quá trình hóa học (sinh học), có thể sử dụng áp suất như là một biến thực nghiệm. Những lập luận trên cho thấy rõ rằng, một vài hiện tượng đóng vai trò quan trọng được nghiên cứu không chỉ ở các thí nghiệm về nhiệt độ mà còn trong các thí nghiệm áp suất, hoặc cả hai. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ thảo luận về các quá trình khác nhau của nhiệt động lực học (sự biến tính, quá trình chuyển pha,..,) trên mặt phẳng đồ thị áp suất - nhiệt độ (p − T ) của nước ở dạng lỏng.
4 Vì những lý do trên, đề tài ”Một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học” được chọn làm luận văn thạc sĩ khoa học của học viên Đặng Thị Thanh Hằng. Mục đích nghiên cứu • Tìm hiểu một cách tổng quát về một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học; • Tìm hiểu các lý thuyết và ứng dụng của sự chuyển pha áp suất — nhiệt độ đối với các đại phân tử sinh học. Nhiệm vụ nghiên cứu • Xây dựng bức tranh vật lý về một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học; • Thực hiện một số tính toán giải tích cho sự chuyển pha áp suất — nhiệt độ đối với các đại phân tử sinh học, đối với các dao động mật độ của nước ở dạng lỏng. Đối tượng nghiên cứu • Nhiệt động học sinh học; • Các đại phân tử sinh học, nước dạng lỏng...; • Các lý thuyết chuyển pha áp suất — nhiệt độ đối với các đại phân tử sinh học. Phương pháp nghiên cứu • Ứng dụng các công cụ vật lý lý thuyết hiện đại như lý thuyết hệ nhiều hạt, lý thuyết các hệ phức hợp, nhiệt động lực học sinh học và vật lý thống kê, ... • Sử dụng các phần mềm tính số và xây dựng đồ thị thể hiện các kết quả giải tích thu được trong và sau quá trình tính toán giải tích đồi với các đối tượng thuộc phạm vi nghiên cứu.
5 • Thảo luận, trao đổi với những nhà nghiên cứu có cùng đối tượng nghiên cứu nhằm làm rõ và nâng cao nhận thức và kỹ năng trong lĩnh vực nghiên cứu.
6 CHƯƠNG 1 Nhiệt động học sinh học Nhiệt động lực học là bộ môn khoa học về biến đổi và chuyển hóa năng lượng nhiệt. Sự tồn tại và mọi hoạt động của cơ thể sống đều liên quan mật thiết tới sự thay đổi và cân bằng năng lượng trong phức hệ ”cơ thể - môi trường”. Các sinh vật sống và các tế bào cấu tạo nên chúng không phải là những cái máy nhiệt mà là những máy chuyển hóa, chúng biến đổi năng lượng hóa học trong các hợp chất hữu cơ thành điện năng, cơ năng, năng lượng thẩm thấu hoặc thành một dạng năng lượng khác nào đó mà sinh vật có thể sử dụng được. Mỗi tế bào, cơ thể sống đều có các cơ chế phức tạp và hiệu quả để biến đổi năng lượng. Năng lượng ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu cho tất cả các quá trình sống trên trái đất. Nhiệt động học sinh học là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng biến đổi và chuyển hoá giữa các dạng năng lượng nhiệt với các quá trình xảy ra trong hệ thống sinh học. Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều cần có sử dụng năng lượng vì vậy nhiệt động học sinh học là lĩnh vực mới rất cần thiết nghiên cứu. Hiện nay, nhiệt động học sinh học có các hướng nghiên cứu chủ yếu sau: • Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan hay toàn bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt động. Xác định hiệu suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liên kết của các cao phân tử sinh học; • Nghiên cứu tính chất nhiệt động của các quá trình diễn ra trong cơ thể sống như quá trình khuếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực...; • Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường lên quá trình chuyển hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với
7 môi trường. Do vậy, trong chương này sẽ trình bày một cách cơ bản về sự chuyển hóa năng lượng ở mức độ phân tử, nhiệt động lực học hệ sinh học cùng với các ứng dụng của nhiệt động lực học vào hệ sinh học. 1.1 Sự chuyển hóa năng lượng trong các hệ sinh học Nhiều người Hy Lạp cổ đại miêu tả con người như một mô hình thu nhỏ của vũ trụ. Mỗi con người được tạo thành từ cùng một nguyên tố như toàn bộ vũ trụ - đất, không khí, lửa và nước. Tất cả các sinh vật sống được cấu tạo từ hydrogen, các nguyên tố nhẹ nhất, và các nguyên tố nặng hơn như carbon, nitrogen, oxygen, và phosphorus. Hydrogen là nguyên tố đầu tiên được hình thành sau vụ nổ Big Bang. Khi vũ trụ nguội dần đi, hydrogen ngưng tụ để hình thành sao. Sau hàng tỷ năm trước đây, các nguyên tử nặng hơn đã được tổng hợp bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân bên trong của các vì sao.Và được gọi là ”bụi sao”. Hình 1.1.1: Sơ đồ thể hiện cách động vật có vú hấp thụ (chiếm) năng lượng. Mặt trời là nguồn năng lượng chính cho các sinh vật sống. Một số sinh vật sống như cây cần ánh sáng mặt trời trực tiếp trong khi các sinh vật khác như con người có thể có được năng lượng từ mặt trời gián tiếp (hình 1.1.1). Tuy nhiên có bằng chứng cho thấy một số vi khuẩn có thể phát triển mạnh trong môi trường
8 khắc nghiệt như ở Nam Cực như bằng chứng sự sống của các loại tảo xanh bên dưới lớp dày băng trong hồ. Không phân biệt hình thức, tính phức tạp, thời gian hoặc địa điểm, tất cả các sinh vật được gọi là giống nhau ở chỗ chúng phải nắm bắt, tải nạp, lưu trữ và sử dụng năng lượng để sống. Xét đến hiện nay, điều thú vị là hành tinh xanh của chúng ta có ít hơn 1 năng lượng của Mặt Trời xuyên vào các lớp bảo vệ tầng ozone, hơi nước và carbon dioxide trong khí quyển, thực tế chúng bị hấp thụ bởi các nhà máy (tạo nên nguồn năng lượng cho sự hoạt động của hệ sinh thái) (hình 1.1.2). Hình 1.1.2: Sự phân bố nguồn năng lượng mặt trời đến trái đất. Sự trao đổi năng lượng trong hệ sinh vật: nguồn năng lượng cho thế giới sinh vật trên trái đất chủ yếu là mặt trời. [13] Mặt trời phát năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ với các bước sóng khác nhau nhưng chỉ khoảng 30% năng lượng của bức xạ đến được trái đất còn lại bị lớp khí quyển bao quanh trái đất hấp thụ. Với 30% năng lượng đến được trái đất thì phần lớn số đó biến thành nhiệt, một phần biến thành năng lượng phát xạ trở lại vào vũ trụ dưới dạng bức xạ hồng ngoại, một phần làm bốc hơi nước, tạo ra các đám mây và chỉ có ít hơn 1% trong 30% là được các thực vật quang hợp hấp thụ. Tảo và cây xanh là những sinh vật sử dụng trực tiếp năng lượng của ánh sáng mặt trời. Tảo và cây xanh nhờ các lục lạp, trong quá trình quang hợp đã sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng để tổng hợp cacbonhidrat như đường, và được tổng hợp từ carbon dioxide và nước.
9 Hình 1.1.3: Sự hấp thụ quang phổ của các sắc tố quang hợp. Chất diệp lục và các sắc tố khác trong hoạt động của thực vật có thể hấp thu ánh sáng mặt trời, làm cho thực vật có khả năng hấp thụ năng lượng trong khoảng giới hạn tương đối được gọi là hạt photon của ánh sáng (hình 1.1.3). Cụ thể hơn, sắc tố thực vật gồm nhiều loại phân tử đa dạng khác nhau, bao gồm porphyrins, carotenoid, anthocyanin và betalain. Tất cả các sắc tố sinh học đều hấp thu một cách chọn lọc các bước sóng ánh sáng nhất định trong khi phản xạ các bước sóng khác. Phần ánh sáng mà bị hấp thu có thể được sử dụng bởi thực vật để cung cấp năng lượng cho các phản ứng hóa học, trong khi các bước sóng ánh sáng bị phản xạ sẽ quyết định màu nào của sắc tố mà xuất hiện trước mắt. Một phân tử sắc tố, làm bằng hạt nhân nguyên tử và các electron, có một trạng thái liên kết electron đã biết có thể tương tác với một photon trong phạm vi nhìn thấy của phổ điện từ (hình 1.1.4). Khi một photon được hấp thụ, các electron liên kết chuyển sang trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn nhưng kém ổn định hơn. Mối quan hệ giữa năng lượng của ánh sáng E, bước sóng ánh sáng λ, hoặc tần số của ánh sáng ν là: hc E= λ = hν,
10 Hình 1.1.4: Phổ điện tử.
11 trong đó: h là hằng số Plank (6.63 × 1034 Js) và c là tốc độ ánh sáng trong chân không (2.998 × 108 ms−1 ). Cả h và c là các hằng số cơ bản của tự nhiên. Lá cây là nơi thực hiện quá trình quang hợp ở thực vật. Quang hợp là quá trình thu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời, carbon dioxide, nước của thực vật, tảo và một số vi khuẩn để tạo ra hợp chất hữu cơ (C6 H12 O6 (glucose, oxygen và nhiệt) phục vụ bản thân cũng như làm nguồn thức ăn cho hầu hết các sinh vật trên Trái Đất. Bằng cách này, năng lượng mặt trời được chuyển thành năng lượng hóa học. Năng lượng hóa học này được lưu trữ trong các phân tử carbohydrate như đường, và được tổng hợp từ carbon dioxide và nước. Ví dụ như mỗi phân tử cellulose gồm những đường đa được cấu tạo từ các liên kết glucose. Các phân tử glucose nối với nhau ở vị trí β − 1.4 bằng cầu nối oxy. Cellulose có hình dạng sợi dài, nhiều sợi liên kết song song với nhau thành chùm nhờ các liên kết hydrogen giữa các nhóm −OH. Cellulose là một hợp chất hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất và là kho lưu trữ của hơn một nửa của tất cả cacbon của sinh quyển. Động vật ăn cỏ như gấu trúc và các động vật ăn tạp như gấu ăn thực vật, sử dụng năng lượng của các nguyên liệu thực vật để tiêu hóa và chuyển hóa sản xuất các đại phân tử sinh học, chúng cần giữ cho cơ thể tồn tại hoặc tạo ra các tế bào mới. Các tế bào máu đỏ được sản sinh từ tế bào “mẹ” trong tủy xương gọi là hồng huyết cầu - là loại tế bào máu có chức năng chính là hô hấp, chuyên chở hemoglobin1 , qua đó đưa O2 từ phổi đến các mô. Quá trình này bắt đầu từ tế bào gốc vạn năng, biệt hóa thành các các dòng hồng cầu, bạch cầu và tiểu cầu. Máu có các chức năng chính là hô hấp, dinh dưỡng, đào thải, bảo vệ và điều hòa hoạt động cơ thể. Năng lượng của các phân tử hữu cơ được giải phóng trên các động vật trong một loạt các phản ứng trong đó glucose, chất béo và các hợp chất hữu cơ khác đang bị đốt cháy để tạo thành carbon dioxide và nước, vật liệu, và nhiệt. Động vật chỉ sử dụng năng lượng của các thức ăn tiêu hóa cho vận động, duy trì nhiệt độ cơ thể, tạo ra ánh sáng (ví dụ như đom đóm), chống lại nhiễm trùng do vi khuẩn sinh vật, và sinh sản. Các quá trình sinh học đều liên quan đến một số lượng lớn các phản ứng sinh hóa cụ thể, để các phản ứng đó có thể xảy ra phải có năng lượng. Sự chuyển hóa năng lượng [25] được phác thảo trên đề cập đến ít nhất là hai trong số các nhu cầu cho cuộc sống như: các cơ chế để kiểm soát năng lượng dòng chảy, ví dụ, màng tế bào - protein liên kết tham gia vào quá trình quang hợp; và các cơ chế cho việc lưu trữ và truyền tải thông tin sinh học, cụ thể là, polynucleic axit. Vai trò quan trọng của các cơ chế trong quá trình sống có hàm ý rằng trật tự là một đặc tính cơ bản của cơ thể sống. 1 Hemoglobin là một protein phức tạp chứa phần tử sắt có khả năng thu nhập, lưu giữ và phóng thích ôxy trong cơ thể động vật hữu nhũ và một số động vật khác.
12 Việc duy trì trật tự trong sự sắp xếp của một "hệ" sinh vật sống phải đòi hỏi năng lượng đầu vào đáng kể và định kỳ. Một khía cạnh đáng chú ý của hệ sinh học là các cấu trúc của các enzyme protein, chúng điều chỉnh năng lượng của dòng chảy, thông tin trong và giữa các tế bào đã được mã hóa bởi các axit nucleic, các phân tử lưu trữ thông tin. Sự ảnh hưởng qua lại giữa năng lượng và thông tin là một chủ đề đáng quan tâm trong nhiệt động lực học sinh học, thật vậy, chúng có trong hầu hết các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ. Các cuộc thảo luận trước cũng cho thấy, trong tự nhiên,dòng năng lượng mang một số điểm tương đồng với sự vận động của tiền tệ trong nền kinh tế: năng lượng "thay đổi bàn tay" (di chuyển từ mặt trời thực vật với động vật...) và được "chuyển đổi thành các loại khác nhau của tiền tệ" (lưu trữ như năng lượng hoá học, năng lượng điện,...). Năng lượng sinh học là những quá trình phản ứng cung cấp, chuyển hóa và tiêu hao năng lượng, có tác dụng điều hòa và thúc đẩy trao đổi chất của cơ thể sinh vật. Trong hô hấp nội bào, sự chuyển hóa năng lượng là sự chuyển hóa năng lượng hóa học trong các liên kết của chất hữu cơ đã được tế bào tổng hợp thành năng lượng trong các liên kết cao đó là adenosine triphosphate (ATP) dễ sử dụng. ATP chính là nguồn cung cấp năng lượng sinh học chủ yếu của mọi cơ thể sinh vật, là cầu nối giữa hai quá trình đồng hóa và dị hóa. Nó được tạo thành trong quá trình phân giải các chất khác nhau như oxygen hóa các chất trong ty thể, đường phân và lên men, quang hợp ở diệp lục của thực vật xanh và các quá trình vận chuyển ion ở vi khuẩn... Động vật sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời một cách gián tiếp thông qua việc ăn thức ăn các sản phẩm quang hợp hoặc ăn thức ăn các động vật khác. Tế bào phân hủy thức ăn, giải phóng năng lượng có trong thức ăn và dự trữ năng lượng này dưới dạng ATP để dùng cho các quá trình sinh công sinh học của tế bào. Như vậy, bản chất của dòng năng lượng có thể đạt được từ một cái nhìn toàn cảnh về các vai trò sinh học của ATP, các hợp chất hữu cơ nhỏ được gọi là "đồng tiền năng lượng của tế bào”. ATP còn có chức năng sinh học trong hiện tượng co cơ, tham gia vào quá trình tổng hợp axit deoxyribonucleic (ADN), kiểm soát phản ứng hóa học và để gửi tin nhắn...cũng như sản sinh và duy trì tính phân bố không đều các chất giữa tế bào với môi trường xung quanh. Như vậy, ATP là có tầm quan trọng cơ bản và tập trung trong cuộc sống. Sự phân bố năng lượng trong hệ sinh vật: [26] trong hệ sinh vật sống, kho năng lượng chính là đại phân tử, trong đó năng lượng được lưu trữ dưới dạng liên kết cộng hóa trị và liên kết hóa học không cộng hóa trị, và nồng độ, các chất hòa tan, chủ yếu là các ion, trên các vị trí đối diện của một màng tế bào. Hình 1.1.3 cho
13 thấy một loại phân phối năng lượng. Đối với một số lượng nhất định của năng lượng mặt trời mà thực sự đạt đến bề mặt của hành tinh chúng ta, nhiều photon có bước sóng 500 nm hơn 250 hoặc 750 nm. Quang phổ mặt trời là một loại phân phối năng lượng. Theo thuyết động học phân tử chất khí, nhiệt độ càng cao các phân tử chuyển động càng nhanh. Vậy tốc độ sự phân phối năng lượng có liên quan đến nhiệt độ. Như vậy, năng lượng không tự sinh ra cũng không tự mất đi mà nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác từ vật này sang vật khác nhưng tổng năng lượng luôn được bảo toàn không thay đổi. Đây cũng chính là định luật đầu tiên của nhiệt động lực học. 1.2 Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học 1.2.1 Nội dung Nội năng U của một hệ nhiệt động là toàn bộ năng lượng chứa trong hệ. Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho mức độ vận động của vật chất bên trong hệ. Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách định lượng luôn theo cùng một tỉ lệ thành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh khả năng sinh công của một hệ. Năng lượng chứa trong hệ gồm năng lượng chuyển động nhiệt, năng lượng dao động của các phân tử, nguyên tử, năng lượng chuyển động của các electron, năng lượng hạt nhân... Như vậy, năng lượng tương tác của hệ với bên ngoài và động năng chuyển động của cả hệ không được tính vào nội năng. Với mỗi trạng thái của hệ tương ứng có một nội năng xác định, khi hệ thay đổi trạng thái thì nội năng thay đổi; nói cách khác là một hàm trạng thái2 của hệ. Nội năng không thể đo được trực tiếp. Điều quan trọng không phải là nội năng U mà chính là độ biến thiên nội năng dU của nó khi hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. Thông thường, người ta giả thiết rằng nội năng của một hệ bằng không ở nhiệt độ không tuyệt đối (T = 0 K). Nếu hệ biến đổi qua các trạng thái khác nhau rồi quay trở về trạng thái ban đầu (hệ thực hiện một chu trình) thì: ∆U = 0. Nếu hệ biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, ta có: ˆ U2 ∆U = dU U1 (1.2.1) = U2 − U1 . 2 Hàm trạng thái của hệ là đại lượng mà sự biến thiên giá trị của nó trong bất cứ quá trình nào cũng chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụ thuộc vào quá trình diễn biến.
14 Công W là số đo phần năng lượng trao đổi giữa hai hệ sau quá trình tương tác mà kết quả là làm thay đổi mức độ chuyển động định hướng của một hệ. Ví dụ như hệ khí trong xi lanh giãn nở đẩy pittong chuyển động thì hệ khí đã truyền năng lượng cho pittong dưới dạng công. Hay khi đá một quả bóng làm cho nó chuyển động thì quả bóng đã nhận được năng lượng dưới dạng công. Công phụ thuộc vào quá trình biến đổi, nếu hệ ở một trạng thái xác định không có trao đổi năng lượng thì công bằng 0. Trong hệ sinh học cũng luôn tồn tại các quá trình thực hiện công. Công sinh học là công mà cơ thể sinh vật sinh ra trong quá trình sống của chúng. Công sinh học có nhiều dạng [15]. Ví dụ như công sinh ra khi hô hấp là công được thực hiện bởi các cơ hô hấp để thắng tất cả các lực cản khi thông khí. Công của tim thực hiện khi đẩy máu vào mạch và đẩy máu chuyển động thoe một chiều xác định,..Công tổng hợp các chất cao phân tử sinh vật từ các phân tử lượng thấp hơn như tổng hợp protein, axit amin, axit nucleic từ mononucleotit hay tổng hợp gluxit từ monosacarit...Công điện sinh ra khi xuất hiện điện thế sinh vật, khi dẫn truyền xung thần kinh... Nhiệt lượng Q là phần số đo năng lượng trao đổi giữa hai hệ sau quá trình tương tác thông qua sự trao đổi trực tiếp năng lượng giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn trong các hệ đó. Như phần năng lượng truyền từ vật nóng cho vật lạnh khi tiếp xúc là nhiệt lượng. Nhiệt lượng cũng phụ thuộc vào quá trình biến đổi. Như vậy, công và nhiệt là những đại lượng dùng để đo mức độ trao đổi năng lượng chứ bản thân chúng không phải là một dạng năng lượng. Khi hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác theo những con đường khác nhau thì công và nhiệt trong những quá trình đó có giá trị khác nhau. Như vậy, công và nhiệt là những hàm của quá trình. Định luật I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu của các tác giả như M. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer (1836), R. Majo (1842), Helmholtz (1849), Joule (1877)... Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là một trường hợp riêng của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng [16] vận dụng vào các quá trình vĩ mô. Định luật I chính là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng vào hiện tượng nhiệt, khẳng định rằng năng lượng luôn được bảo toàn. Nói cách khác, tổng năng lượng của một hệ kín là không đổi. Các sự kiện xảy ra trong hệ chính là sự chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong toàn vũ trụ, tổng năng lượng không đổi, nó chỉ có thể chuyển từ hệ này sang hệ khác. Giá trị năng lượng chỉ được bảo toàn khi quá trình xảy ra là quá trình thuận nghịch và hiệu suất của quá trình đạt 100%. Đối với quá trình bất thuận nghịch, hiệu suất của quá trình nhỏ hơn 100% thì ngoài phần năng lượng truyền cho hệ phải cộng thêm phần năng lượng đã toả ra môi trường xung quanh.
15 Quá trình nhiệt động của một hệ có thể thu được bằng các tác động công cơ học lên hệ hoặc cung cấp nhiệt cho nó. Định luật I nói rằng công cơ học và nhiệt là các dạng của năng lượng và do vậy quá trình nhiệt động phải tuân theo định luật bảo toàn năng lượng. Gọi Q là nhiệt lượng mà hệ thu được và W là công thực hiện bởi hệ. Định luật I phát biểu rằng với mọi quá trình nhiệt động, Nội năng U (năng lượng có bên trong mọi vật) được xác định bẳng tổng động năng và thế năng của các phần tử cấu tạo nên vật. Nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối: ∆U = Q + W. (1.2.2) tức là U là hàm của trạng thái có nghĩa là theo định nghĩa toán học, giá trị của U chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ như nhiệt độ, thể tích, áp suất. Công thức (1.2.2) được xây dựng vào năm 1847 bởi nhà vật lý và sinh lý học người Đức nổi tiếng Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894). Ý tưởng về sự bảo toàn năng lượng đã được đề xuất năm 1842 bởi nhà sinh lý học người Đức Julius Robert von Mayer (1814 – 1878). Điều thú vị ở đây đó là một nhà sinh lý học đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết lập một trong các khái niệm quan trọng nhất của nhiệt động lực học. Với quá trình cực nhỏ: dU = dQ − dW, trong đó dU là vi phân toàn phần, dQ v` a dW không phải vi phân toàn phần do Q và W không phải là các hàm trạng thái. Vi phân toàn phần có thể biểu diễn theo các vi phân của các tham số nhiệt động (p,V,T): X ∂U dU = dXi , (1.2.3) i ∂Xi với Xi là các tham số độc lập. Ngoài ra, ta có thể viết: ! ! ∂U ∂U dU = dp + dV, ∂p V ∂V p