Nguyên lý II vốn đƣợc xây dựng cho các hệ cô lập, còn hệ thống sống của chúng ta là một hệ mở, luôn trao đổi cả vật chất và năng lƣợng với môi trƣờng bên ngoài. Chính điều đó khiến cơ thể sống khác hẳn những hệ vô sinh.
Ta quay lại biểu thức của nguyên lý I:
U F TS
Giả sử quá trình diễn ra trong điều kiện nội năng và nhiệt độ của hệ hằng định. Trong các hệ cô lập, lúc đó giảm năng lƣợng tự do và tăng Entropi là hợp lẽ. Tuy nhiên, trong các hệ thống sống, năng lƣợng tự do luôn có thể duy trì và tăng lên nhờ việc oxy hóa thức ăn đƣa từ bên ngoài vào hệ, và từ đó Entropi của hệ có thể duy trì hay giảm xuống, nghĩa là độ trật tự trong cơ thể sinh vật có thể đƣợc bảo trì hay tăng cƣờng. Trƣớc đây, Schordinger đã từng cho rằng cơ thể sống du nhập độ trật tự từ môi trƣờng ngoài qua thức ăn. Tuy nhiên, Metnhicov đã chỉ ra một cách đúng đắn rằng, mỗi cơ thể không những không du nhập mà thậm chí còn từ chối những trật tự xa lạ với mình. Cái mà cơ thể lấy từ môi trƣờng chính là năng lƣợng tự do, rồi từ năng lƣợng tự do ấy tạo ra cấu trúc của riêng mình. Trong thế giới vô sinh cũng có những hệ thống có độ trật tự cao mà cấu trúc tinh thể là một ví dụ điển hình, tuy nhiên ở hệ thống này năng lƣợng tự do lại ở mức cực tiểu, hệ không có khả năng sinh công và điều đó khác xa với sự sống.
Nói tóm lại, có trật tự cao và khả năng sinh công, Entropi không cực đại và năng lƣợng tự do không cực tiểu là một đặc trƣng có tính bản chất của
33
cơ thể sống, và bản chất này có đƣợc là nhờ sự trao đổi liên tục của vật chất và năng lƣợng với môi trƣờng ngoài.
Sự thay đổi năng lƣợng tự do dFvà Entropi dScủa hệ thống mở đƣợc chia thành 2 phần: d F d Si , i ứng với các quá trình lý sinh và hóa sinh xảy ra trong bản thân hệ và d F d Se , e ứng kết quả tƣơng tác với môi trƣờng ngoài
i e i e dF d F d F dS d S d S
Đối với bản thân hệ, không kể đến tƣơng tác thìd Fi 0,d Si 0. Nhƣng trong cơ thể luôn có những quá trình ngƣợc gradient và tăng năng lƣợng tự do, ví dụ việc vận chuyển chất từ nơi có nồng độ thấp đến nơi có nồng độ cao hay sự tổng hợp các chất cao phân tử. Những quá trình này thƣờng có tính cục bộ và luôn kèm theo quá trình thuận Gradient. Ví dụ, sự vận chuyển các ion ngƣợc gradient dẫn tới việc tích lũy năng lƣợng tự do luôn kèm theo việc thủy phân ATP và kết quả là trong khu vực cụ thể đó năng lƣợng tự do của hệ vẫn giảm trong khuôn khổ nguyên lý II. Nếu hệ nhiệt động không mở thì điều này sẽ dẫn đến cân bằng nhiệt động.
Tuy nhiên, do hệ sinh vật là mở, sự suy giảm năng lƣợng tự do khi thủy phân ATP lập tức đƣợc đền bù, thậm chí một cách dƣ giả, bằng năng lƣợng tự do mới đƣa từ bên ngoài vào thông qua thức ăn, còn Entropi mới sản sinh trong hệ sẽ đƣợc đƣa vào môi trƣờng, kết quả là d Fe 0,d Se 0. Lúc này ta nói có lƣợng Entropi âm từ môi trƣờng đi vào cơ thể, ứng với quá trình thực là cơ thể luôn thải chất cặn bã có cấu trúc rất thô sơ cũng nhƣ nhiệt vào môi trƣờng, đồng thời lấy thức ăn từ môi trƣờng.
Có thể có 3 trƣờng hợp sau:
d Se d Si dS 0, hệ ổn định. 0
e i
34 0
e i
d S d S dS , hệ suy thoái.
Nhƣ vậy Entropi của hệ thống sống có thể không đổi, có thể giảm và cũng có thể tăng tùy theo tƣơng quan giữa lƣợng Entropi âm đi vào cơ thể và lƣợng Entropi dƣơng sinh ra trong bản thân cơ thể. Trong moi trƣờng hợp, Entropi của toàn hệ “cơ thể- môi trƣờng” luôn dƣơng và điều đó không mâu thuẫn với nguyên lý II.