• Nie Znaleziono Wyników

Information in biological systems

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Information in biological systems"

Copied!
25
0
0

Pełen tekst

(1)

„Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany

rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią,

nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności

do zatrudniania osób niepełnosprawnych”

Prezentacja multimedialna współfinansowana przez

Unię Europejską w ramach

(2)

Bogdan Walkowiak

Department of Biophysics

Institute of Materials Science and Engineering

Technical University of Lodz

Lecture 2

Thermodynamics of open systems

- information (2)

(3)

Thermodynamic Potentials and Stimulus

Thermodynamic potential - it is a

thermodynamic function, whose change in a

reversible process is equal to a total work done

by a system.

Thermodynamic stimulus – are defined as a

difference between thermodynamic potentials

of interacting thermodynamic systems

(4)

Thermodynamic Stimulus

Thermodynamic stimulus

Flow

Temperature gradient

(dT/dL)

of heat

Pressure gradient

(dP/dL)

of gas or fluid

Concentration gradient

(dC/dL)

of matter

Electric potential gradient (dV/dL)

of current

Fick’s Law (diffusion)

dn/dt = -DS (dC/dL)

Fourier’s Law (heat conduction)

dQ/dt = -lS (dT/dL)

Ohm’s Law (current conduction)

(5)

Substance Transport

(1)

Stream of mass – an amount of substance of interest passing in

the unit of time by a unit of surface positioned perpendicularly

to the stream direction.

source flow out

J = c v

(concentration multiplied by velocity)

The derivative of the stream has

two extreme values:

For existing source (flow in):

dJ/dx >0

For existing receiver (flow out):

dJ/dx <0

(6)

Substance Transport

(2)

Thermodynamic Coupled Processes

The flow velocity depends on the thermodynamic stimuli

(thermodynamic force) causing the flow:

v = w X

where w is a proportionality coefficient

thus:

J = c w X

or:

J = L X

where L is a coefficient of coupling

(phenomenological coefficient)

Generally for a multi-substance transport:

n

J

i

=

S

L

ij

X

j

(7)

Substance Transport

(3)

J

1

= L

11

X

1

+ L

12

X

2

+ ...+ L

1n

X

n

J

2

= L

21

X

1

+ L

22

X

2

+ ...+ L

2n

X

n

.

.

J

n

= L

n1

X

1

+ L

n2

X

2

+ ... + L

nn

X

n

The last formula can be written as:

Stream J

m

is coupled with the stimulus (force) X

n

(8)
(9)

Substance Transport

(an example of coupling)

J

Na

= L

11

(K

+

/Na

+

ATPaza)+L

12

(grad-dyf Na

+

)+L

13

(Ca

2+

/Na

+

exch)

J

ca

= L

21

(Ca

2+

ATPaza)+L

22

(grad-dyf Ca

2+

)+L

23

(Ca

2+

/Na

+

exch)

Forced by the K

+

/Na

+

pump (K

+

/Na

+

ATPase)

gradient of Na

+

ions concentration makes driving

(10)

The 2nd Principle of Thermodynamics in Living Organisms

Entropy of metabolism

dS

i

Entropy of exchange

dS

e

= (dS’

e

- dS”

e

) < 0

In the grow phase of organism

dS

i

/dt < dS

e

/dt

For the adult organism

dS

i

/dt = dS

e

/dt

(11)

Maxwell's Demon

(12)

Maxwell's Demon

An increase in disorder is associated with an appropriate

increase of entropy

Information can be converted into entropy and inversely

Increasing information included in the system we can decrease

entropy of the system, but entropy of environment must

increase then

(13)

Information

Mathematical probability:

number of favourable cases (coincidences)

P =

---number of all possible cases (coincidences)

Information I is a function of probability P

I = f(P)

Must be fulfilled condition:

I = I + I = f(P

1

) + f(P

2

) = f(P

1

P

2

)

It means:

(14)

Flow of Information

source

signal

signal

signal

recipient

generator

transmission

receiver

disturbances

Rate of signal transmission:

- modem 2400 - 100000 bit/s

- reading 45 bit/s

- writing 16 bit/s

- calculation 3 bit/s

Sending a signal is related to

decision-making, i.e. eliminating

the state of uncertainty

(15)

Information Encoding

Amplitude modulation binary code Frequency modulation interval code

There are a huge diversity of ways for information encoding.

All diplomatic correspondences and communications require to be

encoded, and army forces also use coding process for information

exchange. For example ENIGMA was the most famous encoding system

used by German army during the 2

nd

World War. This system was broken

by Polish cryptologists. Simply spiking, every conversation uses selected

language as a code for information passing .

(16)

Control of information flow

Controlled system

Feedback

FEEDBACK

positive feedback - chain reactions leading to system

destruction (disintegration of uranium in nuclear weapon, blood

clotting, microphone – loudspeaker coupling)

negative feedback - system control and stabilization

(thermostat, WC-water reservoir, blood hemostasis (thrombosis

and fibrinolysis)

(17)

System with negative feedback

CONTROLLED PARAMETER

P

TIME

disturbance

INPUT

OUTPUT

CONTROLLED SYSTEM

RECEPTOR

MEMORY

ENERGIA

EFEKTOR

KOMPARATOR

STANDARD

(18)
(19)

Order of Reaction

Probability of reaction realization is proportional to

substrate concentration and reaction rate constants

Zero order:

A A

First order:

A B

Second order:

A+B

C

J

c

= k

1

AB - k

-1

C

Third order:

A+B+C

D

p n + e

+

+

n

(20)

Example of positive feedback

(1)

(21)
(22)
(23)
(24)
(25)

„Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany

rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią,

nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności

do zatrudniania osób niepełnosprawnych”

Prezentacja multimedialna współfinansowana przez

Unię Europejską w ramach

Cytaty

Powiązane dokumenty

Kandydaci/Kandydatki zainteresowani udziałem w realizacji projektu będą składali, w wyznaczonych terminach, w Biurze Projektu lub u Opiekuna merytorycznego z ramienia W-2:

Załącznikiem do niniejszego Regulaminu i jego integralną częścią jest Ordynacja Wyborcza Samorządu Studenckiego Politechniki Łódzkiej, zwana dalej Ordynacją

Uzyskaliśmy tytuł Złotej Szkoły 2022 i 2015, Srebrnej Szkoły w 2021, 2020, 2019 i 2016 w Rankingu Szkół Ponadgimnazjalnych miesięcznika Perspektywy w kategorii technikum

13) podejmuje decyzje dotyczące wydziału, nie należące do kompetencji innych organów Uczelni lub Kanclerza. Dziekan kieruje działalnością wydziału przy pomocy

- cel edukacyjny: zapoznanie z różnymi formami ochrony w Puszczy Białowieskiej oraz zagrożeniami otaczającego środowiska.. Flora i fauna

ogólnokształcące: przygotowujące do egzaminu maturalnego, języki obce: język angielski, język niemiecki..

jęZyKI ObCE język angielski, język niemiecki język angielski, język niemiecki PRZEDMIOTy PUNKTOWANE język polski, matematyka, biologia, geografia język polski, matematyka,

Profesor Stefanowski wyraził zgodę i już 8 maja 1945 roku wyje- chał do Łodzi jako pełnomocnik Ministra Oświaty dla zorganizowania Politechniki Dokumenty związane z