4. Применение первого начала термодинамики к биологическим системам

Биосистема не может работать за счет притока тепла извне, то есть она не аналогична тепловой машине. В тепловой машине за счет внешнего притока тепловой энергии (температуры) совершается переход ее в работу, а в биологических системах тепловая энергия приходит не извне, а за счет био-физико-химических процессов в самой системе. Это, прежде всего, распад и гидролиз АТФ с выделением энергии из химических связей. Они заложены в химических связях молекул АТФ и процесс этот обратимый.

АТФ – аденозина трифосфат (adenosinetriphosphate) - присутствующее в клетках соединение, в состав которого входят аденин, рибоза и три фосфатные группы. В химических связях фосфатных групп заключена энергия, необходимая клеткам для выполнения различных видов работы, например, для мышечного сокращения; эта энергия освобождается, когда АТФ расщепляется на АДФ и АМФ. АТФ образуется из АДФ или АМФ с использованием энергии, выделившейся в процессе расщепления углеводов или других питательных веществ.

Живые системы совершают работу за счет убыли внутренней энергии, потеря которой восполняется обменом веществ и энергией. В организме происходят определенные колебания внутренней энергии, обусловлен-ные периодичностью процесса питания и в частности синтезом АТФ. Однако за значительный период, например, за сутки колебания внутренней энергии взаимнокомпенсируются, так что изменение внутренней энергии в целом равно нулю. Вторая особенность живой системы заключается в том, что при терморегуляции организма происходит процесс потери тепла в окружающую среду различными путями. Например, теплообмен и испарение.

Поэтому первое начало термодинамики для биосистем имеет другой вид – уравнение энергетического баланса биосистемы, как выражение первого начала термодинамики: ,

или dQ=dQ_n+dA

где Q - количество теплоты, получаемое за счет усвоения и переработки пищи, Дж;

Qn -тепловые потери в окружающую среду, Дж;

- работа системы организма, Дж.

Живой организм есть открытая термодинамическая система. Энергетический баланс организма находится в полном соответствии с законом сохранения энергии.

Превращение энергии в живых организмах:

1. Химическая в механическую – в мышечных тканях.

2. Химическая в электрическую – во всех клетках.

3. Химическая в световую – в светящихся тканях у рыб и насекомых.

4. Световая в химическую – в фоторецепторах сетчатки глаза, в клетках кожи, в листьях растений (фотосинтез).

5. Механическая акустических волн в электрическую – в органе Корти во внутреннем ухе.

6. Все виды энергии в тепловую – во всех клетках и тканях.

Живой организм имеет только некоторое сходство с тепловой машиной: он так же выделяет теплоту в окружающую среду, т.е. обладает свойством теплопродукции за счет энергии полученной от пищи и, кроме того, выполняет различные виды работы: механическую, электрическую, химическую, осмотическую. Так же как в тепловой машине в организме происходит выделение энергии при сгорании, т.е. при окислении топлива, в живом организме энергия выделяется при окислении пищевых продуктов – белков, жиров и углеводов. Аккумулирование энергии в живом организме происходит в сложных биохимических соединениях, важнейшим из которых является аденозинтрифосфатная кислота (АТФ). В молекуле АТФ, наряду с обычными связями имеются и макроэргические между составными ее частями (Макроэргические – обладающие большей энергией).При разрыве макроэргической связи выделяется энергия от 25 до 33 кДж/моль.

Благодаря саморегулируемой теплопродукции температура тела у теплокровных животных остается постоянной и не зависит от температуры внешней среды.

Для поддержания стационарного температурного состояния живые организмы в ходе эволюции выработали определенные механизмы, которые позволяют увеличивать или уменьшать теплообмен с внешней средой. Так при охлаждении животного в его клетках увеличивается скорость гидролиза АТФ и в мышцы поступает дополнительная энергия, внешний признак – у животных взъерошиваются волосы (у человека – гусиная кожа). При повышении температуры среды - расширение кровеносных сосудов, увеличение потоотделения, учащение дыхания.

Наибольшая роль в установлении (в выравнивании) температуры тела животного принадлежит крови. Перенос тепла потоком крови аналогичен процессам в любом теплообменнике. Кровь выталкивается из левого желудочка сердца, (двигатель), проходит через «нагреватель» (ткани), через «радиатор» (поверхностные части тела, легкие), отдающие теплоту во внешнюю среду, и поступает обратно в сердце, в его правый желудочек. Существуют четыре механизма, определяющие тепловое равновесие в организме: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение, испарение.

Суточный тепловой баланс человека (в покое):

Приход энергии	кДж	Расход энергии	кДж
Белок (56,8 г)	993	Выделения теплоты (общие) -	5757
		с выделенными газами -	180
Жиры (140,0 г)	5476	С калом и мочой -	96
		Теплота испарения при дыхании -	758
Углеводы (79,9г)	1404	Теплота испарений через кожу -	951
		Различные поправки -	46
Всего	7873		7788