שינויים

'''השפעות החוק השני של התרמודינמיקה בביולוגיה''' הוא תחום חקר ההשפעות של [[החוק השני של התרמודינמיקה]] בתחומי ה[[ביולוגיה]] בכלל, ובמיוחד בתחום ה[[אקולוגיה]]. החוק עצמו ובעיקר ניסוחים מאוחרים שלו, הוא בעל השפעות נרחבות על ההבנה של היצורים החיים כמו גם של [[המערכת האקולוגית]], שבמינוח [[תרמודינמיקה|תרמודינמי]] מהוות דוגמאות של [[מערכת מפזרת|מערכות מפזרות]].  

'''השפעות החוק השני של התרמודינמיקה בביולוגיה''' הוא תחום חקר ההשפעות של [[החוק השני של התרמודינמיקה]] בתחומי ה[[ביולוגיה]] בכלל, ובתחום ה[[אקולוגיה]] בפרט. החוק עצמו ובעיקר ניסוחים מאוחרים שלו, הוא בעל השפעות נרחבות על ההבנה של היצורים החיים כמו גם של [[המערכת האקולוגית]], שבמינוח [[תרמודינמיקה|תרמודינמי]] מהוות דוגמאות של [[מערכת מפזרת|מערכות מפזרות]].  

כבר בשנת 1886 טען הפיזיקאי בולמצן כי המאבק בין היצורים החיים הוא על [[אקסרגיה]] ועל הורדת [[אנטרופיה]].  

כבר בשנת 1886 טען הפיזיקאי [[בולמצן]] כי המאבק בין היצורים החיים הוא על [[אקסרגיה]] ועל הורדת [[אנטרופיה]].  

בשנת 1944 כתב ארווין שרדינגר (Erwin Schrödinger) ספר בשם "מהם החיים?" (What is Life?) שבו ניסה לקשור בין תהליכים ביולוגיים לבין פיזיקה וכימיה. שרדינגר מבחין בין היכולת של החיים לקיים "סדר מתוך סדר" (התהליך הגנטי של הורשת תכונות ההורים לצאצאים באמצעות הגנים), ובין היכולת של החיים לקיים "סדר מתוך אי סדר". במבט ראשון, נראה כי היצורים החיים מפרים את החוק השני של התרמודינמיקה משום שהם מצליחים לייצר סדר ו[[מערכות מורכבות]] מתוך אי הסדר. לדוגמה, הצמחים הם מבנה מסודר מאוד אשר מסונתזים מתוך מולקולות ואטומים בלתי מסודרים סביבם.   

בשנת 1944 כתב ארווין שרדינגר (Erwin Schrödinger) ספר בשם "מהם החיים?" (What is Life?) שבו ניסה לקשור בין תהליכים ביולוגיים לבין פיזיקה וכימיה. שרדינגר מבחין בין היכולת של החיים לקיים "סדר מתוך סדר" (התהליך הגנטי של הורשת תכונות ההורים לצאצאים באמצעות הגנים), ובין היכולת של החיים לקיים "סדר מתוך אי סדר". במבט ראשון, נראה כי היצורים החיים מפרים את החוק השני של התרמודינמיקה משום שהם מצליחים לייצר סדר ו[[מערכות מורכבות]] מתוך אי הסדר. לדוגמה, הצמחים הם מבנה מסודר מאוד אשר מסונתזים מתוך מולקולות ואטומים בלתי מסודרים סביבם.   

הפתרון לפרדוקס לכאורה זה הוא שהחיים נמצאים בתוך שטף של [[אנרגיה]] (וחומר) שמקורם ב[[אנרגיית שמש|שמש]] ומגיע לכלל היצורים החיים באמצעות ה[[ייצור ראשוני|יצרנים הראשוניים]]. היצורים החיים נשארים בחיים ומשמרים מצב פנימי בעל סדר גבוה על ידי לקיחת [[אקסרגיה|אנרגיה חופשית]] (אקסרגיה) מהחוץ. לכן ניתן להסתכל על החיים (כיחידים או כקבוצה) כעל [[מבנה מפזר]] ששומר על סדר פנימי באמצעות ייצור אנטרופיה גבוה יותר במערכת הגדולה יותר שמקיפה אותו.  

הפתרון לפרדוקס לכאורה זה הוא שהחיים נמצאים בתוך שטף של [[אנרגיה]] (וחומר) שמקורם ב[[אנרגיית שמש|שמש]] ומגיע לכלל היצורים החיים באמצעות ה[[ייצור ראשוני|יצרנים הראשוניים]]. היצורים החיים נשארים בחיים ומשמרים מצב פנימי בעל סדר גבוה על ידי לקיחת [[אקסרגיה|אנרגיה חופשית]] (אקסרגיה) מהחוץ. לכן ניתן להסתכל על החיים (כיחידים או כקבוצה) כעל [[מבנה מפזר]] ששומר על סדר פנימי באמצעות ייצור [[אנטרופיה]] גבוה יותר במערכת הגדולה יותר שמקיפה אותו.  

החוקרים אריק שניידר וג'יימס קיי טוענים במאמר משנת 1994 כי קיימת התפתחות תרמודינמית של מספר מערכות שעוברות [[אבולוציה]], הם מנסחים מחדש את החוק, ומרחיבים אותו למערכות רחוקות משיווי משקל. הם מנסים לנסח באמצעות החוק את הקשרים בין [[אבולוציה]], [[מערכות מורכבות|מורכבות]] ו[[מערכות אקולוגיות]].<ref name="Schneider_Kay_1994">[http://www.nesh.ca/jameskay/www.fes.uwaterloo.ca/u/jjkay/pubs/Life_as/text.html Life as a Manifestation of the Second Law of Thermodynamics], Eric Schneider and James Kay, Mathematical and Computer Modelling 19(6-8):25-48. 1994</ref>

החוקרים אריק שניידר וג'יימס קיי טוענים במאמר משנת 1994 כי קיימת התפתחות תרמודינמית של מספר מערכות שעוברות [[אבולוציה]], הם מנסחים מחדש את החוק, ומרחיבים אותו למערכות רחוקות משיווי משקל. הם מנסים לנסח באמצעות החוק את הקשרים בין [[אבולוציה]], [[מערכות מורכבות|מורכבות]] ו[[מערכות אקולוגיות]].<ref name="Schneider_Kay_1994">[http://www.nesh.ca/jameskay/www.fes.uwaterloo.ca/u/jjkay/pubs/Life_as/text.html Life as a Manifestation of the Second Law of Thermodynamics], Eric Schneider and James Kay, Mathematical and Computer Modelling 19(6-8):25-48. 1994</ref>

==מעבר חום, ויחס שטח פנים- מאסה==

==מעבר חום, ויחס שטח פנים- מאסה==

לחוקי מעבר החום יש השפעות רבות הקשורות לגודלם של בעלי חיים ולמארג המזון. כלל אלן וכלל ברגמן, כמו גם תופעות אחרות בביולוגיה, קשורים לקשר בין מהירות זרימת החום לבין היחס בין שטח הפנים של גוף לבין הנפח שלו. ככל שהיחס הזה גדול יותר כך מהירה יותר זרימת החום בין הגוף לבין הסביבה החיצונית - כאשר בהתאם לחוק השני של התרמודינמיקה החום זורם בנסיון להגיע לשיווי משקל של הטמפרטורות.  

לחוקי מעבר החום יש השפעות רבות הקשורות לגודלם של בעלי חיים ול[[מארג המזון]]. '''כלל אלן''' ו'''כלל ברגמן''', כמו גם תופעות אחרות בביולוגיה, קשורים לקשר בין מהירות זרימת החום לבין היחס בין שטח הפנים של גוף לבין הנפח שלו. ככל שהיחס הזה גדול יותר כך מהירה יותר זרימת החום בין הגוף לבין הסביבה החיצונית - כאשר בהתאם לחוק השני של התרמודינמיקה החום זורם בנסיון להגיע לשיווי משקל של הטמפרטורות.  

אם ניקח אובייקט בצורת כדור, שיש לו טמפרטורה חמה מאשר הסביבה, קיימת לגביו זרימה של חום החוצה. אובייקט בעל אותה מסה, אבל בעל צורה אחרת, לדוגמה גליל, או מבנה דמוי דף, יהיה בעל קצב זרימת החום מהירה יותר. הדבר נובע מכך שלצורות אלה יש שטח פנים גבוה יותר יחסית לכדור. עקרון זה הוא הסיבה לדוגמה לעיצוב רדיאטורים בצורה של לוחות רבים - הדבר מאפשר שטח פנים גבוה יחסית למסה, ועל ידי כך הגדלה של מהירות איבוד החום לסביבה, או בלשון אחרת קירור של המים שנמצאים בתוך הרדיאטור.  

אם ניקח אובייקט בצורת כדור, שיש לו טמפרטורה חמה מאשר הסביבה, קיימת לגביו זרימה של חום החוצה. אובייקט בעל אותה מסה, אבל בעל צורה אחרת, לדוגמה גליל, או מבנה דמוי דף, יהיה בעל קצב זרימת החום מהירה יותר. הדבר נובע מכך שלצורות אלה יש שטח פנים גבוה יותר יחסית לכדור. עקרון זה הוא הסיבה לדוגמה לעיצוב רדיאטורים בצורה של לוחות רבים - הדבר מאפשר שטח פנים גבוה יחסית למסה, ועל ידי כך הגדלה של מהירות איבוד החום לסביבה, כלומר קירור של המים שנמצאים בתוך הרדיאטור. מסיבה זו לדוגמה חתולים ישנים כשהם מקופלים במזג אוויר קר ובצורה ישרה במזג אוויר חם. התכרבלות לצורה דומה יותר לכדור מקטינה את אובדן החום לסביבה.  

===כלל אלן===

===כלל אלן===

ברגמן השתמש בחוק מתמטי הקובע כי ככל שגוף גדול יותר, כך קטן יותר היחס בין שטח הפנים שלו לבין נפח הגוף שלו (וגם למסה שלו - שכן  עבור אותו הרכב חומרים, המסה שלו גדלה בהתאם לנפח גופו). לגבי גוף כדורי לדוגמה, המסה והנפח תלויים בחזקה השלישית של רדיוס הכדור, ואילו שטח הפנים שלו תלוי בחזקה שניה של הרדיוס. כך לדוגמה, נדמיין כדור שהרדיוס שלו גדל פי 2. דבר זה יגרום לגידול שטח הפנים שלו פי 4, אבל נפח הכדור יגדל פי 8.  

ברגמן השתמש בחוק מתמטי הקובע כי ככל שגוף גדול יותר, כך קטן יותר היחס בין שטח הפנים שלו לבין נפח הגוף שלו (וגם למסה שלו - שכן  עבור אותו הרכב חומרים, המסה שלו גדלה בהתאם לנפח גופו). לגבי גוף כדורי לדוגמה, המסה והנפח תלויים בחזקה השלישית של רדיוס הכדור, ואילו שטח הפנים שלו תלוי בחזקה שניה של הרדיוס. כך לדוגמה, נדמיין כדור שהרדיוס שלו גדל פי 2. דבר זה יגרום לגידול שטח הפנים שלו פי 4, אבל נפח הכדור יגדל פי 8.  

חום הגוף נוצר על ידי תהליכי בערה פנימיים בתאים, והוא תלוי בכמות התאים החיים, או במסה של גוף החיה (בלי להתחשב בפרווה או שערות, שאינן מורכבים מתאים חיים). לעומת זאת, איבוד החום לסביבה, תלוי (מלבד גורמים נוספים כמו מפל הטמפרטורות שהוזכר, ואיכות הבידוד של מעטפת החיה) בשטח הפנים של עור או פרוות החיה - ככל ששטח הפנים גדול יותר כך החיה מאבקת כמות גדולה יותר של חום.

חום הגוף נוצר על ידי תהליכי בערה פנימיים בתאים, והוא תלוי בכמות התאים החיים, או במסה של גוף החיה (בלי להתחשב בפרווה או שערות, שאינן מורכבים מתאים חיים). לעומת זאת, איבוד החום לסביבה, תלוי (מלבד גורמים נוספים כמו מפל הטמפרטורות שהוזכר, ואיכות הבידוד של מעטפת החיה) בשטח הפנים של עור או פרוות החיה - ככל ששטח הפנים גדול יותר כך החיה מאבקת כמות גדולה יותר של חום. עם זאת כאשר החיה גדולה יותר, הנפח והמסה שלה גדלים מהר יותר לעומת שטח הפנים שלה. כיוון שכך, ככל שבעל החיים גדול יותר, כך קל לו יותר לשמור על טמפרטורה קבועה של הגוף.  

 

כיוון שכך, ככל שבעל החיים גדול יותר, כך קל לו יותר לשמור על טמפרטורה קבועה של הגוף - שכן היחס בין שטח הפני שלו לבין המאסה שלו לבין שטח הפנים שלו קטן יותר.  

מסיבה זו לדוגמה, חדפים אוכלים בכל יום מזון במשקל 1.5 ממשקל גופם, בעוד פילים, שזקוקים אמנם למזון בכמות גדולה בהרבה, ניזונים ממזון בעל משקל שמהווה אחוזים בודדים ממשקל גופם. יחסית למשקל גופם (ויחסית למשקל מזונם), כמות החום שבורחת מהחדפים היא עצומה, ולכן הם צריכים לאכול ללא הרף. מסיבה זו, כנראה, גם אין יונקים קטנים יותר מאשר החדף וציפורים קטנות יותר מיונק הדבש - שמירה על טמפרטורת חום קבועה יחסית עבור חיות קטנות (כמו חרקים) היא משימה בלתי אפשרית.

מסיבה זו לדוגמה, חדפים אוכלים בכל יום מזון במשקל 1.5 ממשקל גופם, בעוד פילים, שזקוקים אמנם למזון בכמות גדולה בהרבה, ניזונים ממזון בעל משקל שמהווה אחוזים בודדים ממשקל גופם. יחסית למשקל גופם (ויחסית למשקל מזונם), כמות החום שבורחת מהחדפים היא עצומה, ולכן הם צריכים לאכול ללא הרף. מסיבה זו, כנראה, גם אין יונקים קטנים יותר מאשר החדף וציפורים קטנות יותר מיונק הדבש - שמירה על טמפרטורת חום קבועה יחסית עבור חיות קטנות (כמו חרקים) היא משימה בלתי אפשרית.