2.3.1. Теплопродукция организма

Живой организм в какой-то степени сходен с тепловой машиной. Он выделяет теплоту в окружающую среду, то есть обладает свойством теплопродукции за счет энергии, полученной от продуктов питания или от фотосинтеза, и, кроме этого, выполняет различные виды работы: механическую, электрическую, химическую, осмотическую. В конечном счете, все виды энергии превращаются в теплоту, которая выводится в окружающую среду и энтропия при этом возрастает.

Химическая энергия - это работа, совершаемая клеткой при синтезе высокомолекулярных веществ (белков, нуклеиновых кислот и др.) из низкомолекулярных (жиры, углеводы), которые поступают в организм извне, при воспроизводстве клеток, а также при других происходящих в организме химических реакциях.

Механическая работа – это работа, выполняемая мышцами при их сокращении и затрачиваемая на перемещение тела в пространстве.

Электрическая работа имеет место в мембранах клеток при генерации биопотенциалов, при проведении возбуждения в нервных клетках.

Работа по оптическому высвечиванию расходуется на люминесценцию, то есть свечение организмов, некоторые из которых могут светиться долго. Многие ткани испускают сверхслабое свечение.

Осмотическая работа совершается при активном транспорте веществ через клеточные мембраны против градиента концентрации.

Аккумулирование энергии в целом организме происходит в сложных биохимических соединениях. Важнейшим из них является АТФ. Разрыв макроэнергетической связи в молекуле АТФ приводит к выделению энергии от 25 до 38 кДж/моль. С точки зрения термодинамики, молекулу АТФ как систему можно считать богатой энергией, а молекулу АДФ - системой с меньшей энергией. Синтез АТФ происходит в мембранах митохондрии и заключается в присоединении к АДФ фосфатной группы при участии фермента за счет энергии окисления органических веществ. Этот процесс носит название окислительного фосфорирования.

В клетках, в зависимости от их типа, находится несколько сотен митохондрий. В растительных клетках синтез АТФ осуществляется под действием энергии света, в результате чего образуется кислород и АТФ. Этот процесс называется фотофосфорированием. Сопряженный с ним процесс синтеза органических веществ называется фотосинтезом. При увеличении теплоотдачи теплокровными животными возрастает теплопродукция, что необходимо для поддержания температуры тела. Выделение теплоты происходит в скелетных мышцах и внутренних органах и зависит от возраста, пола, питания, степени акклиматизации и мышечной нагрузки. Общее количество теплоты, выделяемой человеком за год, примерно равно 4 ГДж.

М. Клейер (1932 г.) показал, что теплопродукция, то есть количество теплоты, выделяемое в единицу времени:

Q_Т =Q/t, (2.20)

где Q_T зависит от массы животного и может быть выражено следующей эмпирической формулой:

. (2.21)

По экспериментальным данным М. Клейера, n=0,75.

Прологарифмируем уравнение (3.21):

lgQ_T=lgk+n·lgM. (2.22)

В логарифмических координатах графиком этой зависимости будет прямая линия, на которую хорошо ложатся точки, полученные экспериментально для разных животных (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Зависимость теплопродукции от массы животных

В 1967 году А.И. Быховский предположил, что теплопродукция организма может быть выражена как сумма двух членов:

1) Q_B - теплопродукция, связанная с взаимодействием клеток организма между собой и пропорциональная общей массе организма (М);

2) Q_С - теплопродукция, которая обусловлена взаимодействием организма с окружающей средой, то есть пропорциональна площади его поверхности: .

таким образом,

, (2.23)

где a и b – эмпирические коэффициенты.

Удельной теплопродукцией называется величина, численно равная количеству теплоты, которая выделяется единицей массы животного в единицу времени. g=Q_T/M, или, после преобразований, .

Опытные данные позволили вычислить значения коэффициентов: a=41,9 кДж/(кг·сутки); b=244 кДж/(кг·сутки).

Таким образом, с увеличением размеров и массы животного увеличивается отношение его поверхности к объему, а чем больше удельная поверхность, тем большее количество теплоты уходит из тела во внешнюю среду. Поэтому для поддержания постоянной температуры теплопродукция должна возрастать. Для компенсации большой потери теплоты мелким животным требуется повышение интенсивности метаболизма и, следовательно, потребление большого количества пищи. Этим объясняется прожорливость грызунов и птиц. Некоторые певчие птицы потребляют за сутки количество пищи, равное их собственной массе, тогда как хищники (лев, тигр) съедают в сутки пищи всего 5-8% от собственной массы.