Глава 3. Термодинамика биологических систем.

Как уже говорилось выше (раздел 1, глава 3), термодинамика занимается изучением макроскопических систем и процессов, в них происходящих, - макропроцессов на основе исследования превращений энергии, сопровождающих эти процессы.

Все живые системы – макроскопические, они состоят из огромного числа молекул и атомов. Объекты, которые в биологии называются микроорганизмами, тоже состоят из очень большого числа атомов и молекул, и, с точки зрения физики, - макрообъекты. Поэтому биологические системы и биологические процессы могут изучаться термодинамическим методом.

Термодинамический метод активно используется в биофизике. Эта глава необходима для понимания вопросов, которые будут рассмотрены в следующих главах.

3.1 Применение первого начала термодинамики к биологическим системам. Прямая и непрямая калориметрия. Энергетический баланс организма.

Проведенные в начале ХХ века исследования по сравнению результатов прямой и непрямой калориметрии неопровержимо доказали применимость к живым объектам первого начала термодинамики – закона сохранения и превращения энергии для макросистем.

Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, обмененное макросистемой с окружающей средой, Qравно сумме изменения внутренней энергии системы ΔUи работы, совершенной системой над внешней средой А.

Q= ΔU+A(3.1)

Прямая калориметрия – измерения энергетических расходов организма на теплоту, отдаваемую им в окружающую среду и на работу, которую совершает живой организм над окружающей средой. В калориметре ( рис. 3.1) теплоту, выделенную за определенное время организмом испытуемого добровольца), можно оценить, например, по нагреванию водяной рубашки калориметра. В калориметр может быть помещен велоэргометр, и можно измерить работу, которую доброволец совершит за это время, периодически крутя педали эргометра, заряжая при этом, например,электрический аккумулятор.

Рис.3.1. Калориметр. ( Объяснения в тексте).

Непрямая калориметрия позволяет определить затраты внутренней энергии на основе измерения энергии, выделяемой при окислении пищи. В основе непрямой калориметрии – закон Гесса: тепловой эффект химической реакции не зависит от промежуточных химических реакций, а определяется только субстратом и продуктом реакции – исходными и конечными веществами. Это соответствует представлению о внутренней энергии как о функции состояния. Если система не совершает работы, изменение внутренней энергии системы Δ Uравно тепловому эффекту реакцииQ.

Q= ΔU

А изменение внутренней энергии системы, а следовательно, в данном случае и тепловой эффект реакции будет определяться только начальным и конечным состояниями системы. Выделяемую при окислении питательных веществ в организме внутреннюю энергию можно рассчитать по так называемой калорийности потребленной пищи. А калорийность пищи определяют, окисляя – сжигая ее в специальных калориметрических бомбах и измеряя тепловой эффект этой реакции. Биохимические реакции в организме очень сложны и имеют много промежуточных стадий, однако выделившаяся при этом энергия будет такой же, как и при сжигании пищи в калориметрической бомбе, если одинаковы начальные и конечные состояния реагирующих веществ. Но не вся введённая в организм пища усваивается, некоторые вещества проходят через организм «транзитом». (Предполагается, что в условиях эксперимента организм не аккумулирует энергию в жировых запасах и, с другой стороны, не «теряет веса»). Поэтому для более точного расчета измеряют еще и количество кислорода, потреблённого организмом, а также количество воды и углекислого газа – конечных продуктов окисления жиров и углеводов и продуктов окисления белков: воды, углекислого газа и мочевины.

Сравнение результатов измерений прямой и непрямой калориметрии показали, что по абсолютной величине выделенная за сутки при окислении пищи энергия |Δ U| с большой точностью равна энергии, израсходованной организмом за это же время в процессах теплообмена с окружающей средой | Q | и совершения работы над окружающей средой |A|

|Δ U| = |Q| + |A| (3.2)

Δ U< 0 т.к. внутренняя энергия пищи при окислении уменьшается,

Q< 0 потому что теплота отдается в окружающую среду, а

A> 0 - работа совершается организмом над окружающей средой.

Поэтому: | Δ U| = - ΔU, |Q| = -Q, |A| =A(3.3)

И уравнение (3.2) можно записать в виде:

.

Q= ΔU+A(3.4)

То есть получено выражение первого начала термодинамики

Итак, эксперимент убедительно показал, что основной закон физики – закон сохранения и превращения энергии для биологических объектов полностью выполняется и основной источник энергии, поддерживающий жизнедеятельность, - окисляемая в организме пища.

(Таким образом, было похоронено долгое время бытовавшее представление о загадочной жизненной силе – «visvitalis». Но до сих пор “средства массовой информации” (СМИ), забиты россказнями о «подпитке энергией из космоса», о деревьях и камнях, «сосущих энергию из человека» или об «энергетических вампирах и донорах» и о многом тому подобном. Правда, в некоторых случаях, например, с «энергетическими вампирами и донорами», по-видимому, можно найти и вполне рациональное объяснение эффекта. Здесь, очевидно, наблюдаются информационные воздействия, влияющие на процессы жизнедеятельности, в том числе, на усвояемость пищи.