|
|
Окончание табл. 15. 1 |
Система тела |
Изменение |
Последствия |
Мочевыделительная |
Уменьшается размер и функ- |
Продукты жизнедеятель- |
система (см. главу 1 2) |
циональность почек |
ности накапливаются в |
|
|
крови |
|
Уменьшается объем мочево- |
Возникает недержание |
|
го пузыря |
мочи |
|
У мужчин увеличивается |
Повышается риск образа- |
|
простата |
вания камней в почках |
|
|
Более частая потребность |
|
|
в мочеиспускании |
|
|
Чаще возникают инфек |
|
|
ции мочевыводящих |
|
|
путей |
410 ЧАСТЬ 5 Праздник жизни: воспроизводство и развитие
ВЭТО Й ЧАСТИ •••
»Рассмотрим физические концепции, которые составляют основу анатомии и физиологии
»Опишем важные для физиологии химические концепции
»Узнаем наиболее интересные факты о человеческом теле
Гла ва 1 6
Д е с я ть ( и л и о кол о то го ) х и м и ч ес ки х ко н це п ц и и ,
свя з а н н ы х с а н ато м и е и
иф и з и ол о г и е й
В ЭТО Й ГЛ А В Е...
» Поймем п р и роду энерги и >> Рассмотрим свойства жидкости, осмос и пол я рн ость
» П олуч и м п редста вление о перен осе электронов в п роцессе окислител ьно-восста новител ьных реа кци й
Биология - это сфера особого применения законов химии и физики. Биология следует законам физических наук и никогда их не наруша
ет, но понять природу объектов и явлений бывает непросто из-за их сложности и других особенностей биологической химии и физики.
Эта глава содержит обзор некоторых принципов химии и физики, кото рые имеют особое применение в анатомии и физиологии. Некоторые из этих принципов совпадают - например, вероятность является одним из факто ров, управляющих процессом диффузии. Несмотря на то что приведенное ниже объяснение очень глубоких и сложных вопросов является чрезвычайно упрощенным, мы надеемся, что оно поможет вам лучше понять анатомию и физиологию.
Энергию нельзя создать и уничтожить __
Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только изменить форму. Во время любого процесса суммарная энергия в системе остается неизменной. Этот закон является одним из фундаментальных понятий в физике, химии и биологии.
Энергия - это наша возможность вносить изменения или выполнять ра боту. Она существует во многих формах, таких как тепло, свет, химичес кая и электрическая энергия. Световую энергию можно уловить с помощью химических связей, например в процессе фотосинтеза. В физиологических процессах энергия в связях АТФ трансформируется в работу при разруше нии химических связей - в частности, чтобы перемещать какие-то объекты и вырабатывать тепло. (А откуда появилась энергия в АТФ? По большому счету, от солнца в результате фотосинтеза.)
Хотя суммарная энергия в системе всегда остается неизменной, коли чество энергии, доступной для биологических процессов, меняется. Клетки могут использовать энергию только в определенных конкретных формах. Физиологический процесс, в котором участвует АТФ, не задействует всю энергию, хранящуюся в этих химических связях, но оставшаяся энергия не позволяет использовать ее в другом физиологическом процессе. Она потеря на для физиологии главным образом в виде тепла, выделяемого в окружаю щую среду.
414 ЧАСТЬ 6 Великолепные десятки
Все распадается_ _ _ _ _ _ _ _ _
В нашей вселенной энергия нужна для организации порядка - например, для создания атомных и молекулярных образований, которые мы называем материей. Без непрерывного привнесения (поддержания) энергии материя распадается. Для жителей реального мира это не новость. Как сказал бы физик, все системы стремятся к энтропии (беспорядку). Это второй закон термодинамики.
Энергия всегда движется от точки более высокой концентрации к точке меньшей концентрации, а не наоборот. Например, если два соседних объек та имеют разные температуры, тепло течет только от более теплого объекта (больше энергии) к более холодному (меньше энергии). Состояние порядка содержит больше энергии, чем состояние беспорядка, благодаря энергии, ко торая пошла на создание состояния порядка.
Поскольку живые системы очень упорядочены, второй закон термо динамики имеет глубокие последствия для физиологии. Этот закон означает, что физиологический гомеостаз (поддержание баланса)
ЗАПОМНИ! является активным процессом, который требует энергии. Энергия, которая применяется для активизации любого физиологического процесса, требует разрушения химических связей в АТФ. Это оз начает, что физиологические реакции протекают только в одном на правлении - они необратимы (в отличие, например, от ионов на трия и хлора, которые появляются в воде после растворения соли, а затем при удалении воды самопроизвольно реорганизуются обратно в кристаллы соли).
Высшим физиологическим следствием второго закона является неизбеж ность смерти.
Все движется_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Частицы в растворе находятся в постоянном движении и постоянно стал киваются друг с другом. Такое движение называется броуновским дви:жени ем. Чем выше температура, тем чаще и сильнее столкновения. Это причина, по которой любая реакция, которая мо:жет произойти, рано или поздно про изойдет, потому что большинство частиц, необходимых для реакции, рано или поздно столкнутся (см. раздел "Вероятность имеет решающее значение" ниже). Это особенно важно при рассмотрении всех молекул (таких как глю-
ГЛАВА 1 6 Десять (или около того) химических концепций... 415
коза и ионы), которые перемещаются через мембраны путем простой или облегченной диффузии.
Броуновское движение также является механизмом энтропии. Каждое из молекулярных столкновений преобразует энергию в молекулах в тепло - именно в форме тепла энергия переносится в окружающую среду.
Вероятность имеет решаю щее значен ие _
Все, что может произойти, - произойдет в некоторых случаях. А в неко торых - не произойдет. Сколько будет таких случаев, зависит от множества факторов. Если раствор содержит большое количество каждой из двух моле кул, необходимых для реакции, эти типы молекул будут часто сталкиваться. Таким образом, концентрация влияет на вероятность того, что реакция дейст вительно произойдет. Чем выше температура раствора, тем чаще молекулы сталкиваются и ускоряют реакцию. Но все возможные в конкретном случае реакции с высокой долей вероятности никогда не произойдут. Просто по чистой случайности часть этих молекул не встретятся со своей молекулой контрагентом. Такова жизнь. Этот шанс или случайность можно количест венно оценить как вероятность. Как с этой гипотетической реакцией, так и со всем остальным, связанным с биологией и физиологией: вероятность, а не определенность, имеет решающее значение.
Кстати, существование самой жизни крайне маловероятно. А вероятность существования уникальности, которая вам присуща, еще более низкая.
Полярность заряжает жиз нь_ _ _ _ _
Считается, что молекула является полярной, когда положительный и от рицательный электрические заряды находятся с разных ее сторон из-за не равномерного распределения электронов. Например, молекула воды является полярной, потому что кислород захватывает электроны, концентрируя отри цательный заряд на атоме кислорода. Таким образом, молекула воды имеет положительный заряд на одном конце и отрицательный на другом, подобно магниту. Она привлекает и удерживает другие полярные молекулы. Метан является неполярным, потому что углерод равномерно делит электроны с че тырьмя атомами водорода.
Полярность лежит в основе ряда физических свойств вещества, включая поверхностное натяжение, растворимость, температуру плавления и кипения. В физиологии полярность определяет, какие молекулы образуют связи, а ка-
416 ЧАСТЬ 6 Великолепные десятки
кие не смешиваются, как масло и вода. А если более конкретно, для изуче ния физиологии, липиды и вода не смешиваются. Живые клетки используют этот принцип для контроля потока веществ в клетку и из нее.
Липиды представляют собой большую и разнообразную группу органичес ких соединений, включающую жиры и масла. Все липиды имеют гидрофоб ные свойства, т.е. они не смешиваются с водой. Почему? Потому что липид неполярный, поэтому он не может образовывать связи с водой. Молекулы воды отталкивают неполярные молекулы в сторону, чтобы приблизиться к другим полярным молекулам.
Представьте себе вечеринку, на которой некоторые люди устраиваются вокруг телевизора, чтобы посмотреть игру, а другие собираются на кухне. Те, что смотрят игру, - это полярные существа (одни болеют за одну, а другие - за другую команду), а собравшиеся на кухне - неполярные (по тому что у них есть общий интерес к неполярным предметам, таким как биологическое развитие и влияние тепла на сложные органические вещест ва). Чтобы развить аналогию: после того как полярные существа заняли свои позиции вблизи других полярных существ (на диване), они сохраняют свое состояние и положение относительно тех, с кем они связаны, одновременно вибрируя на месте. Неполярные существа перемещаются относительно друг друга (слоняясь по кухне), и они легко и часто задерживают и отпускают друг друга (дети). Другой набор полярных существ (подростки) осущест вляет различные физиологические процессы в уединении, отдельно как от неполярных, так и от других полярных существ.
Вода - уни кал ьное явление_ _ _ _
Без сомнения, вода - это самая важная молекула в физиологии. Она со ставляет около 60% веса тела взрослого человека. Сильная полярность воды наделяет ее характеристиками, которые делают воду уникальной для обеспе чения ее многочисленных функций.
Вода имеет высокую удельную теплоемкость. Теплоемкость вещества - это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1 градус Цельсия. Поскольку вода имеет высокую удельную теплоемкость, она может поглощать тепло, выделяемое в ходе наших актив ных физиологических процессов, не повышая температуру тела.
Полярность воды также отделяет молекулы друг от друга, растворяя их. Поэтому вода является отличным методом транспортировки (например, в крови). Это также делает ее идеальной средой для химических реакций.
Поэтому почти все наши метаболические реакции происходят в воде.
ГЛАВА 1 6 Десять (или около того) химических концепций... 417
Жидкости и твердые тела_ _ _ _ _ _ _
Физиологические процессы в целом происходят в жидкостях, и свойства жидкостей очень важны в этих процессах.
В повседневном разговоре "жидкость" - то, что обычно имеет водную основу, например сок, бульон или чай. В физике и химии водный раствор - это один тип жидкости, независимо от того, хотели бы вы его выпить или нет. Воздух - это еще один вид жидкости. Жиры - это жидкости, даже когда они твердые. Например, масло - это одно и то же вещество как в хо лодном, так и в теплом виде, как и всякая другая форма жира. С технической точки зрения стекло и чистые металлы являются жидкостями!
Соль, напротив, твердое вещество. Да, кристаллы соли (NaCl) высыпают ся струйкой из контейнеров на каждой кухне и в столовой, но это не делает соль жидкой. Это связано с молекулярной структурой. В твердых телах атомы плотно упакованы в геометрически точную форму, которая называется крис таллической решеткой. В качестве примера можно привести хлорид натрия: равное количество ионов натрия и хлора, каждый из которых связан с шестью другими ионами, все притягивают друг друга так сильно, как того требуют и позволяют силы полярности (электрического заряда). Твердые тела жесткие на молекулярном уровне; связанные вместе в кристаллической решетке, все атомы в молекуле остаются на месте относительно окружающих их молекул.
В жидкостях наблюдается больше движения. Их компоненты объединяют ся по-разному - углекислый газ и молекулярный кислород (02) сжижаются из воздуха в воду и растворяются обратно в воздух (в легких). Жидкости принимают ту форму, в которой находятся. Воздух втекает в ваши альвеолы и наполняет их. Водяная масса в вашем желудке меняет форму при каждом его сокращении. Газообразные жидкости легко сжимаются, потому что их молекулы расположены далеко одна от другой. Однако сжимаемость жид костей очень ограничена, поскольку сжатие может повлиять на межмолеку лярные соединения.
Под давлен ием____________
Закон Бойля-Мариотта описывает обратную зависимость между объемом и давлением газа. Если ничто другое не изменяется, например температура, то увеличение объема приводит к снижению давления. Когда давление пада ет в фиксированном пространстве, создается вакуум.
К механизмам дыхания также применим закон Бойля-Мариотта. Когда диафрагма сжимается, она увеличивает объем легких, что снижает давление.
418 ЧАСТЬ 6 Великолепные десятки
Вакуум втягивает воздух через верхние дыхательные пути. Этот закон также является движущей силой сердечного цикла - открытия и закрытия клапа нов для перемещения крови через камеры сердца.
Окисл ител ьно-восстановител ь н ые реакци и
Концепция окислительно-восстановительных реакций в основном такова: электрон переносится из одного химического объекта (атома или молекулы) в другой. О частице, которая получает этот электрон, говорят, что она восста новлена. О частице, которая высвобождает электрон, говорят, что она окисле на. В окислительно-восстановительной реакции восстановление одной час тицы всегда уравновешивается окислением другой. Эти частицы называются
окислительно-восстановительной парой. Такая реакция изменяет состояние окисления обеих частиц. В некоторых случаях окисленная частица подвер гается другой реакции, чтобы получить другой электрон. Обратите внима ние на то, что это не просто обратный ход окислительно-восстановительной реакции, а новая реакция, в которой принимает участие другой "донорский" электрон и которая часто требует ферментного катализатора.
В биологических системах окислительно-восстановительные реакции жестко контролируются и имеют очень большое значение. Химическая энер гия хранится в электронных связях и высвобождается (становится доступной для работы) путем окислительно-восстановительных реакций. Такие реак ции обычно являются частью сигнальных путей. Изменение степени окис ления некоторых молекул несет информацию. Изменение степени окисления частицы может влиять на ее полярность, которая, в свою очередь, влияет на ее растворимость в воде и, следовательно, на ее способность проникать в клетку или покидать ее через клеточную мембрану. Частица с повышен ным уровнем растворимости также может стать более доступной для мета болизма, что очень важно для некоторых ионов металлов, таких как железо и кальций.
Окислительно-восстановительные реакции играют решающую роль в двух важнейших реакциях в биологии: фотосинтезе и клеточном дыхании. Фотосинтез, говоря языком окислительно-восстанови ЗАПОМНИ! тельных механизмов, - это восстановление углеводов до глюкозы и окисление молекул воды до молекулярного кислорода с исполь
зованием световой энергии. (Молекулярный кислород - это 0 атомы кислорода из двух молекул воды, соединенных вместе.) Во время клеточного дыхания глюкоза окисляется до СO а 0 вос станавливается до воды.
ГЛАВА 1 6 Десять (или около того) химических концепций... 419
