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高校生物と高校化学を復習中のものです。
エントロピー増大の法則についておさらいしました。
熱力学第二法則とも呼ばれ、第一法則と並び私も真理は実感します。
エネルギー状態が高いほうから低い方へと必然的に移行する、
濃度の濃いほうから低い方へ拡散する(乱雑さが増大する)、など等。
ところが生物を復習していると、例えば、カルシウムポンプと呼ばれる機能が細胞膜にはあるそうで、ナトリウムイオン、カルシウムイオンなどのイオン調節しているそうですが、これらは正にエントロピー増大の法則に反していると感じざるをえません。
熱力学第二法則は無条件にどこでも成り立つものなのか?あるいは成り立つにあたり前提条件は何なのか?
どなたか詳しい方判り易く説明していただけませんか?


●質問者: わにかめ78
●カテゴリ:学習・教育 科学・統計資料
✍キーワード:イオン エネルギー エントロピー カルシウム ナトリウム
○ 状態 :終了
└ 回答数 : 5/5件

▽最新の回答へ

1 ● 潮澤 昴
●2ポイント

カルシウムポンプ/ナトリウムポンプ・ついでにヒートポンプ(エアコンの事)

全てエネルギーを使って少ない所から持って来ています。


2 ● filinion
●37ポイント ベストアンサー

「生物は熱力学第二法則に反している」というのは非常によくある誤解です。

熱力学第二法則は、閉鎖系(エネルギーなどの出入りがない場合)に成立します。

一方、生物は食事をするなどしてエネルギーを取り入れている(閉鎖系ではない)ため、生物だけ見るとエントロピーが増大していないように見えるのです。

食事をしなければ生物は死ぬし、死ねばカルシウムポンプも働きませんよね?

簡単に言えば、エアコンが室温を下げるのが、一見すると熱力学第二法則に反しているように見えるのと同じです。

実際にはエアコンは外部から電力を供給されているから動けるわけで、その点まで考慮して計算すれば、必ずエントロピーは増大しています。

大きな目で見ると、地球上の生物……というか生態系全体は、太陽からのエネルギーを得て存続しているわけですが、太陽は常時大量の水素・ヘリウムを消費し、ものすごい勢いでエントロピーを増大させていますので、太陽系全体として見ると、エントロピーは間違いなく増大しています。

(厳密に言えば太陽系も閉鎖系ではないわけですが)

というわけで、熱力学第二法則は(閉鎖系なら)無条件にどこでも成り立つ、ということになるかと思います。

◎質問者からの返答

という事は、閉鎖系かつ長時間の時間軸で見れば、と言うことですね?


3 ● pahoo
●21ポイント

熱力学第二法則は無条件にどこでも成り立つものです――というより、そう考えないと、物理学の法則の大部分が成立しなくなります。


で、カルシウムポンプの話ですが、これを駆動させるためにはエネルギー(ATP)が必要です。⇒(参考)カルシウムポンプ蛋白質の構造とイオン輸送のメカニズム

細胞が死ぬと、これらイオン輸送メカニズムも停止し、熱力学の法則にしたがってエントロピーは増大します。


4 ● suppadv
●15ポイント

>カルシウムポンプと呼ばれる機能が細胞膜にはあるそうで、ナトリウムイオン、カルシウムイオンなどのイオン調節しているそうですが、


カルシウムポンプ等の逆方向に働くものは、エネルギーを消費して逆方向の輸送を行います。

カルシウムポンプは、ATPのエネルギーを使います。

エネルギーが無ければ、逆方向への輸送は出来ず、イオン調節も出来ません。

エネルギーで考えると、カルシウムの濃度差によるエネルギーだけだと、濃度の薄い方へ動きますが、カルシウムの薄いほうのエネルギーとATPのエネルギーを足すと、濃度の高い方よりエネルギーが高くなるので、濃度の高い方へ移動するのが、エントロピー増大の法則に則った方向の動きとなります。

http://www.spring8.or.jp/pdf/ja/SP8_news/no9_03/p2-4.pdf


5 ● Hyperion64
●25ポイント

シュレディンガーの名言に「生物は負のエントロピーを食らう」ことで生きているというのがあります。低いエントロピーのものを摂取して、高いエントロピーのものを排泄する、その差分であると解釈されてます。

こんな芸当も生物が開放系だからできるのでしょうが、ご指摘のような細胞膜での反拡散的な現象は確かに第二法則に局所的に反しているように見えます。

どこかで帳尻をとっているとしか言えないかもしれません。

化学者は自由エネルギーをもちこんで説明するかもしれないです。エントロピーの増大分を打ち消す分だけ使えるエネルギーが細胞(膜)にあるということでしょう。

http://www.twmu.ac.jp/Basic/physics/entropy.pdf

自分はここで「MaxwellのDeamon」を想起します。気体分子運動論で出てくる仮説上の生き物ですが、

エネルギーを費やすことなく、エントロピーを減少させるという背理がMaxwellにより指摘されました。結局、20世紀の物理学者(ジラードやブリルアンなど)は分子運動の観測行為はDeamon自体のエントロピーを増やすということを示しました。

細胞を一つの生物とみなせば、イオン調節以外で高エントロピーを排泄しているかもしれません。

これをみても細胞がどこかでエントロピーの帳尻合わせをして、第二法則に無矛盾にしているようです。

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