Особенности живых организмов с позиции термодинамики

Превращение энергии в процессе обмена веществ в организме осуществляется в полном соответствии с первым и вторым законами термодинамики. Тем не менее живой организм, как объект термодинамических исследований отличается от систем химической термодинамики. Вот некоторые особенности:

• Живой организм – открытая система, непрерывно обменивающаяся с окружающей средой и веществом и энергией.

• Приложение второго закона т/д-ки к живым системам немыслимо без учета влияния биологических закономерностей. Характер изменения энтропии, имеющий решающее значение в неживых системах, в случае биологических систем имеет лишь подчиненное значение.

• Все биохимические процессы, происходящие в клетках живых организмов, протекают при постоянной температуре, давлении, при незначительных перепадах концентраций, без резких изменений объема и др.

Основным источником энергии живого организма является химическая энергия, заключенная в пищевых продуктах, часть которой расходуется на:

• Совершение работы внутри организма, связанной с дыханием, кровообращением, перемещением метаболитов и др.

• Нагревание вдыхаемого воздуха, потребляемой пищи, воды.

• Покрытие потерь теплоты в окружающую среду при непосредственной радиации и испарении влаги с поверхности тела, с вдыхаемым воздухом, с продуктами жизнедеятельности.

• Совершение внешней работы со всеми перемещениями и трудовая деятельность человека.

Главными компонентами пищи являются углеводы, жиры и белки.

Калорийность, то есть энергия, выделяемая в процессе диссимиляции с образованием углекислого газа и воды, составляет в среднем:

Углеводы - 17 кДж/г

Жиры – 40 кДж/г

Белки – 17 кДж/г.

При нормальной трудовой деятельности энергетические затраты человека покрываются за счет углеводов на 60 %, жиров – на 25 %, белков – на 15 %. При правильном питании норма суточного потребления (без учета тяжёлого физического труда) составляет:

Углеводов 400-500 г,

Жиров 60- 70 г,

Белков 80- 100г.

Научной основой для этих расчетов является первый закон термодинамики. С пищей в организм поступают довольно сложные высокомолекулярные соединения, которые имеют много химических связей и нереализованного химического сродства. Такие вещества характеризуются небольшим значением энтропии, высоким значением энергии Гиббса и энтальпии. В процессе усвоения пищи из больших молекул углеводов, жиров, белков, образуются дочерние молекулы с более простой структурой и более прочными химическими связями СО₂, Н₂О, NH₃ и др. Этот процесс диссимиляции вещества, при котором из меньшего числа частиц образуется большее, влечет за собой увеличение энтропии (ΔS > 0). За счет упрочнения химических связей и реализации химического сродства энергия Гиббса системы убывает. Аналогичные изменения претерпевает и энтальпия системы (ΔH<0).

В 1946 г. Американский ученый И. Пригожин предложил одну из основных теорем термодинамики открытых систем: «В стационарной термодинамически открытой системе скорость производства энергии, обусловленного протеканием в ней необратимых процессов, принимает минимальное для данных условий положительное значение.

Поскольку энтропия является мерой рассеяния энергии, теорема Пригожина приводит к важнейшему заключению. Пристационаром состоянии рассеяние энергии Гиббса открытой системой оказывается минимальным. Таким образом, живой организм, представляющий открытую стационарную систему, поставлен природой в выгодные с точки зрения энергообеспечения условия: поддержание постоянства внутренней среды (гомеостазиса) требует минимального потребления энергии Гиббса.