Je viens de voir avec stupeur que le sacro-saint second principe de la thermodynamique est violé par les organismes vivants. En effet l'ADN a tendance a faire évoluer les choses vers des états moins complexes, mieux connues, avec moins d'information pour connaitre le système. J'en reste dubitatif, moi qui ai toujours eu une foi inébranlable dans le deuxième principe. quelqu'un connait des choses a ce sujet
Dernière modification par mh34 ; 19/06/2011 à 19h02.
non, rassure toi, il n'est pas du tout violé, par quoi que ce soit. Le second principe stipule que la variation d'entropie est toujours supérieure à la chaleur échangée que divise la température et c'est tout. On peut décliner cet énoncé de diverses façons, mais ça revient toujours a ça.
En particulier, pour un système isolé (pas d'échange de chaleur) le second principe signifie que son entropie ne peut qu'augmenter.
Les organismes vivants n'étant pas des systèmes isolés, leur entropie peut diminuer sans que cela viole quoi que ce soit. D'ailleurs pas besoin d'aller chercher des systèmes si complexes : un liquide qui cristallise voit son entropie diminuer.
m@ch3
Never feed the troll after midnight!
hummm c'est vrai que ça demande des précisions. Oui évidement l'entropie d'un système ISOLE ne peut que croitre ou rester constante. Je pensais a une cellule isolée... tu penses que la vie ne pourrait pas évoluer ? cad que la cellule a nécessairement besoin d’échanger (travail ou chaleur) pour se "reproduire" (le terme reproduire va faire hurler les biologistes)
Si tu enfermes des organismes vivant dans une boite adiabatique et indéformables, tu signes leur arrêt de mort à plus ou moins long terme.
Il faut un flux d'énergie entrant à faible entropie et un flux d'énergie sortant à forte entropie pour maintenir les structures vivantes, sinon elles meurent. Elles sont en fait assez similaires à des cellules de convection d'une certaine manière.
m@ch3
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t'es sur mach3, je pensais que même pour de l'eau se cristalisant, la déperdition d'energie etait une forme de l'entropie. l'eau perd de l'energie pour se cristaliser, alors qu'elle en gagne en se désordonnant... ça semble inversement proportionnel tout ça... non ?? pas sur d'avoir tout saisi, remarque...
Salut,Envoyé par mach3
C'est vrai ça ? Je me suis posé la question pas plus tard qu'hier...pourquoi est ce que la cellule mourrait ? Est ce qu'une cellule sans ATP meure forcément ?
Salut,
Dans son environnement limité, la cellule va vite dégrader les ressources disponibles. Les déchets vont s'accumuler et la source d'énergie (par exemple l'oxygène si c'est une cellule aéoribie) va s'épuiser. A terme, c'est la mort.
Pour l' ATP, je ne suis pas sur. Tous les eucaryotes l'utilisent comme molécules de transfert de l'énergie. Sans ATP, elles meurent, et très vite même. Pour les procayotes, je ne sais pas. Il y a peut-être des exceptions. Mais de toute façon ce serait remplacé par autre chose dont le manque signifierait la mort.
Quetzal,
L'énergie n'est pas une forme d'entropie mais les deux sont liés.
"Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)
L'ATP n'est qu'un vecteur d'énergie interne aux cellules. L'apport d'énergie à "basse entropie" d'origine externe (lumière solaire, glucides, lipides, etc.) est utilisé pour forcer la transition écrite en raccourci comme ADP + Pi + énergie--> ATP + eau, et ensuite l'ATP est utilisé pour catalyser et apporter l'énergie nécessaire à tout un tas de réactions chimiques.
Il y a d'autres vecteurs, comme la ddp électrique à travers une membrane, mais l'ATP est le plus versatile. Toutes les cellules vivantes utilisent l'ATP comme vecteur, eucaryotes, bactéries et archées.
Dans une cellule morte la production d'ATP cesse et l'ATP disparait parce que c'est une molécule métastable, loin de son état d'équilibre dans les cellules. L'absence d'ATP est une conséquence, pas une cause. La cause est par exemple la cessation des apports d'énergie externes combinée à la fin des réserves internes.
Merci, (je n'étais pas sûr)
"Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)
Dans le langage courant, le mot "énergie" est utilisé à un sens distinct du sens physique ; il signifie quelque chose comme "énergie à faible entropie"--pour réutiliser l'expression de mach3-- (et le travail peut être vu comme de l'énergie à très très faible entropie). Cela permet d'interpréter correctement des expressions comme "consommer de l'énergie" ou "source d'énergie". Car l'énergie physique se conservant, la consommer n'aurait pas de sens ; et manifestement une source d'énergie n'est pas juste un endroit où il y a de l'énergie (car sinon, l'énergie interne de l'eau des océans serait exploitée, car ça fait un bon paquet).
Par ailleurs "énergie à faible entropie" c'est plus ou moins dire "à haute température" ; on peut prendre la convention que le travail est de l'énergie à température infinie, ça marche assez bien (en particulier la deuxième loi). La consommation de l'énergie électrique du réseau peut alors être vue comme la transformation d'une énergie à haute température (infinie) en énergie à température ambiante (chaleur).
Quasiment tout le vivant fonctionne (= se maintient dans son état instable) en dégradant de l'énergie à 5800 K en énergie à 300 K, plus ou moins directement, en plusieurs étapes. (Au passage, le vivant ne "consomme" pas d'énergie, il se contente de se "brancher en série" dans cette dégradation, qui a lieu même en l'absence du vivant.)
Dernière modification par Amanuensis ; 20/06/2011 à 10h17.
En dérivant un poil le sujet, il y a une autre manière de croire que le vivant ne respecte pas le second principe, ou du moins la loi de Carnot.
Le rendement énergie mécanique sur énergie chimique d'une cellule musculaire est de l'ordre de 30%. Or c'est au-dessus du rendement de Carnot si on cherche à obtenir du travail en brûlant des glucides.
Comment est-ce possible ?
(Ce sujet est développé et expliqué dans un article de Jaynes, dont je devrais être capable de retrouver la référence... Très bon sujet pour mieux comprendre l'entropie et le rendement de Carnot !)
Quand l'eau cristallise elle émet de la chaleur vers l'extérieur (la cristallisation est exothermique en général), donc son entropie diminue, car dS=dQ/T, par définition, avec dS la variation d'entropie, dQ la chaleur échangée (positive si gagnée par le système) et T la température (en général 273K quand l'eau gèle).
Évidemment cette entropie perdue par l'eau en train de congeler fini dans son environnement et toujours avec un petit surplus, les transformations ne peuvent jamais suivre un chemin reversible en pratique et on a dS>dQ/T. La variation d'entropie de l'eau en train de congeler est la même (c'est une constante peu importe le chemin), par contre la chaleur perdue est plus importante que lors d'une transformation reversible, faisant varier l'entropie de l'environnement de manière plus importante : il y a eu création d'entropie.
m@ch3
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Salut,
Le rendement de Carnot est un résultat obtenu sur les machines thermiques. Or il n'y a pas toujours transfert d'énergie sous forme de chaleur. Une pile a combustible, par exemple, a un rendement supérieur à celui obtenu avec un moteur à combustion.
Je ne sais pas si c'est la réponse que tu souhaitais voir développée ?
"Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)
Non mais je crois que même ce point n'est pas clair pour moi...comment définit on une cellule morte ? Franchement les seuls mécanismes naturels que je connaisse pour tuer une cellule reviennent tous à la faire exploser. Ma question est donc, si il n'y a plus d'apport d'energie externe où est le problème pour la cellule ?
Je fais remarquer quand même qu'une grande partie des structures internes à la cellule existent à l'équilibre (ou du reste on trouve des explications dans des contextes d'équilibre). Celles nécessitant ATP ne servent selon moi qu'à la réplication, au transport actif, à la mobilité etc... si ces mécanismes n'ont pas lieu c'est la mort de la lignée, mais pour la cellule selon moi c'est une autre paire de manches.
On peut poser la question différemment, alors. Pourquoi une cellule musculaire n'est pas une machine thermique (il s'agit bien à la base d'utiliser une réaction de combustion glucide + oxygène --> CO2 + eau), et quelle est la différence entre les "machines thermiques" et les "machines non thermiques" utilisant le même vecteur énergétique expliquant la différence de rendement ?
Salut,
En effet, je trouve la question plus troublante posée comme ça.
Je dirais que ce qui est important dans le rendement de Carnot n'est pas la combusition mais l'échange de chaleur. Or, si dans le langage courant on a tendance a associer combustion et émission de chaleur, ce n'est pas nécessairement le cas. Dans certaines réactions chimiques comme dans les cellules ou les piles à combustibles, il y a réaction de combusition sans passage par un transfert de chaleur mais plutôt (en tout cas dans ces deux exemples) par transfert d'électrons et protons. Il y a transformation directe d'une énergie chimique (à faible entropie) à une énergie chimique ou électrique (à faible entropie) sans passer par une forme d'énergie à forte entropie.
"Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)
Oui, une grande partie. Mais pas tout. C'est ce qui reste le problème !
Pas seulement. La réparation des dégâts dus aux "radicaux libres" est continue par exemple. Certaines structures sont instables, et renouvelées en permanence. Des molécules de même (l'instabilité de certaines protéines est bien utile : elles disparaissent d'elles-mêmes si non renouvelées, ce qui permet un contrôle dynamique se limitant au contrôle de la génération de ces protéines).Celles nécessitant ATP ne servent selon moi qu'à la réplication, au transport actif, à la mobilité etc...
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À l'appui de ton approche, il y a des cellules sans métabolisme. Il est intéressant de voir ce qu'elles sont.
Un premier exemple sont les cellules ayant perdu la chaîne de synthèse des protéines : les hématiessont des exemples chez l'homme. Elles "vivent", mais avec une durée de vie limitée (120 jours pour les hématies).
Un autre exemple sont les cellules enkystées, plus généralement les "formes de résistance", on en trouve dans pas mal de branches, bactéries, eucaryotes comme archées. Ces cellules subissent une transformation, qui, en gros, revient à ne garder que ce qui peut "tenir" sans consommation d'énergie. Souvent cela passe par une dessication, et/ou un renforcement des couches protectrices, etc.
D'une certaine manière tu as raison, au sens où il y a des cellules "vivant" très longtemps sans apport d'énergie, ou du moins survivant en attendant des jours meilleurs. Mais ce ne sont pas n'importe quelles cellules, elles doivent être "préparées" pour cela. Les autres, celles ne subissant pas cette "préparation", meurent. (Mode de fonctionnement très commun dans les colonies de bactéries comme on en trouve par exemple chez les cyanobactéries : si les choses vont mal, une partie des cellules passent en forme de résistance, le reste meure.)
Autrement dit, l'énergie chimique libérée par l'oxydation n'est pas thermalisée.
Dans le cas d'une machine thermique, l'énergie est thermalisée, c'est à dire passe rapidement sur plein de degrés de liberté, forme sous laquelle elle est difficile à "regrouper" sur un seul degré de liberté (= travail), ce qu'indique le rendement de Carnot.
Un meilleur rendement est possible en agissant à l'échelle microscopique en utilisant "très vite" l'énergie avant qu'elle se thermalise, en la canalisant immédiatement sur un seul degré de liberté.
C'est ce que fait le système myosine/actine, qui n'a pas un rendement mécanique de 30% mais pas loin de 100 % (de mémoire, à vérifier) si on part de l'énergie libérable de ATP/ADP. Le rendement complet plus mauvais est dû à la conversion d'énergie du couple glucide+O2/CO2+H20 au couple ATP/ADP.
Je trouve cette analyse intéressante car elle donne un exemple de lien entre l'entropie et les degrés de liberté.
Vu comme cela, l'avantage du vivant est de travailler à l'échelle microscopique plutôt qu'à celle des dizaines de mètre cube et des GW d'une centrale thermique
C'était effectivement plutot à ce genre de chose que je pensais.
Encore une fois, qu'appelles tu mourir dans ce cas ? En gros est ce une transformation irreversible ?Mais ce ne sont pas n'importe quelles cellules, elles doivent être "préparées" pour cela. Les autres, celles ne subissant pas cette "préparation", meurent. (Mode de fonctionnement très commun dans les colonies de bactéries comme on en trouve par exemple chez les cyanobactéries : si les choses vont mal, une partie des cellules passent en forme de résistance, le reste meure.)
Si je laisse une cellule (genre levure) sans sucre ni rien pendant des mois et que je la remets dans un milieu avec sucre, lumière tout ce qu'on veut après un an est ce que le métabolisme ne reprend pas ?
Sinon pour ta remarque très intéressante sur le rendement en biologie moléculaire
En principe ce mouvement actine/myosine doit bel et bien maximiser une certaine énergie libre configurationnelle pour que ça marche non ?Un meilleur rendement est possible en agissant à l'échelle microscopique en utilisant "très vite" l'énergie avant qu'elle se thermalise, en la canalisant immédiatement sur un seul degré de liberté.
C'est ce que fait le système myosine/actine, qui n'a pas un rendement mécanique de 30% mais pas loin de 100 % (de mémoire, à vérifier) si on part de l'énergie libérable de ATP/ADP. Le rendement complet plus mauvais est dû à la conversion d'énergie du couple glucide+O2/CO2+H20 au couple ATP/ADP.
La difference avec le rendement de Carnot n'est elle pas juste que ce n'est pas qu'un flux de chaleur qui génère le travail (notamment parce que la composante énergétique "chimique" est ici presque prédominante) ?
si on se réfère à la définition souvent évoquée pour le vivant (système séparé de l'extérieur par une membrane, qui se reproduit et qui s'auto-entretien grâce à un métabolisme), il semble que la cellule est morte si elle n'a plus de métabolisme.Encore une fois, qu'appelles tu mourir dans ce cas ? En gros est ce une transformation irreversible ?
Si je laisse une cellule (genre levure) sans sucre ni rien pendant des mois et que je la remets dans un milieu avec sucre, lumière tout ce qu'on veut après un an est ce que le métabolisme ne reprend pas ?
D'ailleurs selon cette définition j'ai bien l'impression qu'une "forme de résistance" n'est pas vivante mais morte. Ce qui ne l’empêche de redevenir vivante ensuite : elle est dans une configuration telle que les altérations du temps seront lentes et que le métabolisme pourra reprendre quand les conditions seront réunies.
m@ch3
Never feed the troll after midnight!
Non, à la seconde question, parce que le vivant est continuellement l'objet de transformations irréversible.
La réponse à la question est quelque chose comme la disparition d'une structure définissant la cellule.
Une cellule n'est pas définie par une liste de molécules, mais par l'agencement de celles-ci. Si une cellule est écrasée, les molécules sont là mais plus la structure.
Une forme de résistance n'est pas "morte" selon ma manière de voir. Elle a une structure la définissant comme forme de résistance, et cela inclut la potentialité de refaire partir le métabolisme dans certaines conditions.
Je ne vois pas grande difficulté pour les formes de résistance. Il y a bien un continuum entre le métabolisme "normal" et l'absence de métabolisme dans le cas de la résistance, mais pas de frontière mort/vivant là-dedans.
Si on cherche à définir une cellule "pleinement vivante", elle doit avoir le potentiel de se diviser.
Du coup, la question mort vs. vivant se pose pour des cellules comme les hématies des vertébrés, ou dans les cyanobactéries se spécialisant dans la fixation de l'azote atmosphérique, ou même dans les cellules de mammifères à plein métabolisme mais ayant perdu la faculté de se diviser.
On en arrive à l'idée que le métabolisme et la faculté de se diviser sont suffisamment indépendantes pour qu'il y ait les quatre cas.
En prenant l'idée de structure, les quatre catégories sont "vivantes", et la mort est la perte irréversible de la structure définissant la cellule en tant que cellule.
Les levures vont se mettre sous forme de résistance.Si je laisse une cellule (genre levure) sans sucre ni rien pendant des mois et que je la remets dans un milieu avec sucre, lumière tout ce qu'on veut après un an est ce que le métabolisme ne reprend pas ?
Prenons plutôt un neurone humain. Trois minutes sans oxygène gardé à 37°C, et il meurt.
Ce qui me fait penser à la possibilité de refroidir suffisamment. Si cela permet d'éviter la perte irréversible de structure, on peut appeler cela "ne pas mourir"...
Oui. L'astuce du système est que cela intervient quand l'ATP se met "juste à la bonne place".Sinon pour ta remarque très intéressante sur le rendement en biologie moléculaire
En principe ce mouvement actine/myosine doit bel et bien maximiser une certaine énergie libre configurationnelle pour que ça marche non ?
J'essayais d'aller plus loin que cela. À l'échelle microscopique la différence entre "flux thermique" et "travail" (mouvement) est très ténue : si on prend le mouvement sur un seul degré de liberté d'une molécule, c'est du travail ou de la chaleur ?La difference avec le rendement de Carnot n'est elle pas juste que ce n'est pas qu'un flux de chaleur qui génère le travail (notamment parce que la composante énergétique "chimique" est ici presque prédominante) ?
Réfléchir en termes de degrés de liberté me paraît plus clair : si l'énergie chimique (c'est à dire le transfert d'électrons) est gardé sur un seul degré de liberté, c'est du "travail". Dès que cela fait vibrer ou bouger selon deux, trois ou plus d.l. de molécules, on va à la thermalisation, et la possibilité d'un haut rendement est perdue. L'irréversibilité entropique apparaît bien comme la dispersion sur plusieurs degrés de liberté d'une énergie à l'origine sur un seul.
Merci a tous pour le débat j'ai ma réponse en ce qui concerne la thermodynamique du vivant (même si n’étant pas biologiste, j'ai pas tous compris...) Pour le cycle de carnot, je ne comprend pas très bien ce qui pose problème. De façon classique, il est présenté pour une machine ditherme (2 source de chaleur) et son rendement peut atteindre 100 %. Dans le cas du vivant, il faudrait bien attacher de soin a la définition du rendement, et je peut hélas pas vous aider plus.
Cela vient d'où, ça ?
Bah c'est théorique ! (encore un truc de physicien théoricien) Mais si tu prend Tf =0 tu atteins 100 %
Et en prenant Tc égal l'infini aussi, tant qu'on y est.
Le jour où un "physicien théoricien" verra quoi que ce soit avec de telles températures de source froide ou chaude, il dira peut-être cela. En attendant, c'est surtout un "truc" de mauvaise vulgarisation.
(Question bête (que pourrais tout à fait se poser un physicien théoricien, mais peut-être pas un vulgarisateur) : pendant combien de temps une "source froide à 0 K" peut-elle servir de source froide à 0 K ?)
Ne t'emballe pas : je viens juste dire que je ne vois pas du tout d’où viennent les "30 % théorique prévu". Et si tu prend tu prends un thermostat de taille très grande, tu pourra négliger la variation de température de celui ci. Plus concrètement le rendement peut rester sensiblement constant pourvu que la capacité de la source froide soit grande devant celle du système.
Oui mais pour ma part, je voyais plutot ça comme un paysage d'energie libre selon certaines coordonnées réactionnelles pour la myosine.
Une fois l'ATP fixée et hydrolisée le changement de structure électronique induit modifierait ce paysage pour favoriser un certain type de chemin vers un état normalement instable voire inaccessible. La présence d'un thermostat (via l'action du solvant etc...) thermalise rapidement cette réponse électronique pour redonner un paysage semblable au paysage initial et puis le système retourne dans sa configuration de départ.
Je suis d'accord mais je suis un peu étonné qu'on ne puisse pas le traduire en terme de thermodynamique. Je veux dire, si la transition est décrite par un changement momentanée de la tronche du paysage d'energie libre il doit y avoir un moyen non microscopique et générique de décrire les choses non ?Réfléchir en termes de degrés de liberté me paraît plus clair : si l'énergie chimique (c'est à dire le transfert d'électrons) est gardé sur un seul degré de liberté, c'est du "travail". Dès que cela fait vibrer ou bouger selon deux, trois ou plus d.l. de molécules, on va à la thermalisation, et la possibilité d'un haut rendement est perdue. L'irréversibilité entropique apparaît bien comme la dispersion sur plusieurs degrés de liberté d'une énergie à l'origine sur un seul.
Je connais tous les mots (et un peu le sujet) mais j'avoue que ta tentative d'explication ne me parle pas beaucoup. En particulier
me paraît être un alignement de mots.un paysage d'energie libre selon certaines coordonnées réactionnelles
Rien ne sert de penser, il faut réfléchir avant - Pierre Dac
À 0 K "grande" veut dire très exactement "infini". Belle série de contrafactualités ne menant nulle part.
Salut,
Autre aspect important. Proche de 0K la chaleur spécifique devient infime. Ce qui signifie une source d'autant plus volumineuse pour avoir un brin d'efficacité.
Notons aussi que la source froide il faut bien qu'elle vienne de quelque part. Il faut forcément refroidir une source à température ambiante (au mieux à 2.73 K si on fait ça quelque part dans l'espace). Or le rendement doit se calculer comme le rendement net, total, sinon c'est absurde (je peux calculer le rendement entre la sortie du dispositif et le même un chouillat plus loin, j'aurai toujours quasiment 100 %).
Bref, le rendement de Carnot de 100 % est une limite théorique impossible à atteindre.
"Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)
