2.3. Применение первого начала термодинамики к биологическим процессам. Физические основы терморегуляции организма

Жизнь может поддерживаться только в сравнительно узких интервалах температур: нижний - температура кристаллизации водных растворов, верхний - не выше 60-80 °С, так как при высоких температурах происходит денатурация белков. Имеются в природе отклонения от данных интервалов. Так, известно, что сперматозоиды для искусственного оплодотворения удается сохранить при температуре жидкого азота, а для уничтожения некоторых вирусов содержащие их растворы приходится нагревать до температуры более 100 °С. Однако при очень низких и очень высоких температурах не приходится говорить об активных формах жизни.

Живой организм — открытая термодинамическая система, и поддержание этой системы при постоянной температуре возможно лишь при непрерывном обмене тепловой энергии между организмом и внешней средой, а это возможно при наличии в организме источников тепла. На один из источников "животного тепла" указал французский химик XVIII века А.Л. Лавуазье, который установил, что сущность дыхания заключается в экзотермической (то есть происходящей с выделением энергии) реакции присоединения кислорода воздуха к водороду и углероду, которые находятся в молекулах органических веществ. Поэтому жизнь, по мнению Лавуазье, "замедленное горение". Виды превращения энергии в организме и его органах приведены в таб. 2.1.

Немецкий ученый Ю.Р. Майер в XIX веке обратил внимание, что в жаркую погоду потребление кислорода организмом уменьшается. Цвет венозной крови ярче у людей в тропиках, чем в северных районах. Все это позволило сделать вывод, что выделяющаяся в процессе окисления внутри живого организма энергия частично превращается в тепло, а частично расходуется при совершении организмом механической работы. Таким образом, Майер впервые распространил первое начало термодинамики на живой организм и заложил основы биоэнергетики.

Таблица 2.1

Превращение энергии в живых организмах

Виды превращаемой энергии	Участки организма, в которых эти превращения происходят
Химическая энергия в механическую	Мышечные ткани
Химическая энергия в электрическую	Все клетки
Химическая энергия в световую	Светящиеся ткани у рыб и насекомых
Световая энергия в химическую	Фоторецепторы сетчатки глаза, клетки кожи, бактерии, листья растений (фотосинтез)
Механическая энергия акустических волн в электрическую	Внутреннее ухо
Все виды энергии в тепловую	Все клетки и ткани

Поскольку в основе всех жизненных процессов лежит окисление питательных веществ с последующим выделением организмом веществ метаболизма и теплоты, то необходимо сравнивать количество теплоты, которое выделяет организм, с тем которое можно получить при непосредственном окислении продуктов питания. По закону Г.И. Гесса, тепловой эффект химической реакции, развивающийся через ряд последовательных стадий, зависит лишь от разности энергий исходного и конечного состояний химических систем. Закон Гесса широко используют в биологии для определения теплоснабжения (калорийности) продуктов питания. Продукты сжигают в термостате и определяют количество теплоты, которое образуется при окислении продуктов кислородом. Удельная теплота сгорания белков 24,3 мДж/кг, углеводов - 17,6 мДж/кг.

Доказано, что потребление 1 л кислорода или выделение 1 л углекислого газа организмом сопровождается выделением 21,35 кДж теплоты. Таким образом, тепловыделение в организме любого животного легко посчитать, умножив 21,35 кДж на количество потребляемого кислорода или выделенного углекислого газа в литрах. Теплопродукция является важной физиологической характеристикой, которая характеризует интенсивность обмена веществ.

Непрямая калориметрия — это, когда на голову испытуемому надевают герметическую респирационную камеру, позволяющую измерить количество кислорода, которое потребляется за сутки или величину выделяемого углекислого газа за то же время. Более точные значения дает метод прямой калориметрии. Человека или животное помещают в большой калориметр с теплоизолированными стенками, в котором находится источник кислорода для дыхания, и подсчитывают количество поглощаемого кислорода или выделяемого углекислого газа. Сравнивают с теплосодержанием продуктов питания, которое потребляется животным за время эксперимента. Погрешность эксперимента 0,26%. Таким образом, эксперименты подтверждают, что энергетический баланс организма находится в полном соответствии с законом сохранения энергии и что никаких специфических источников "жизненных сил" в организме не существует.