Энергия и работа живых систем. Этапы преобразования энергии в живом организме

Энергия. Различают потенциальную энергию, зависящую от положения или состояния тела, и кинетическую энергию, т. е. энергию движения и внутреннюю энергию.

В живом организме потенциальная энергия представлена главным образом в форме химической энергии связей между атомами и молекулах биоорганических соединений. Например, количество потенциальной энергии, заключенной в связях между атомами С, Н и О в молекуле глюкозы, составляет около 285 000 Дж на 1 моль вещества.

Потенциальная энергия химических связей обусловлена расположением валентных электронов на орбиталях с высоким энергетическим уровнем, куда они попадают при образовании молекул биоорганических соединений в процессе химических реакций. При превращениях, совершающихся в живом организме, электроны, образующие химические связи в молекулах первичных веществ, переходят с более высокого на более низкий энергетический уровень. Высвобождающаяся энергия, может быть использована для образования новых химических связей или же с помощью специальных биологических преобразователей превратиться в другие виды энергии: электрическую, электромагнитную и т.д. Такое постоянное взаимопревращение различных видов энергии обусловливает способность организма поддерживать разнообразные жизненные функции.

Первичным источником энергии для всех биологических процессов на Земле служит солнечный свет. Энергия солнечного света возникает из ядерной энергии. В недрах Солнца при очень высоких температурах атомы водорода превращаются в атомы гелия с выделением энергии в виде гамма-лучей. В результате взаимодействия гамма-лучей с электронами снова выделяется энергия в виде фотонов солнечного света. На Земле энергия солнечного света улавливается содержащимся в хлоропластах зеленых растений пигментом хлорофиллом и превращается в ходе реакций фотосинтеза в химическую энергию, которая используется для синтеза из двуокиси углерода и воды углеводов и других сложных биоорганических соединений.

Некоторое количество энергии накапливается и в процессах за счёт окисления восстановленных неорганических соединений, но вклад этих процессов в энергетику невелик.

Энергия, накопленная в химических связях биоорганических молекул, может высвободиться только в процессе реакций обмена веществ. Химическая энергия углеводов и других питательных веществ выделяется в процессе биологического окисления в количестве, соответствующем энергии, израсходованной на синтез этих веществ. Одна часть энергии, выделяющейся при биологическом окислении, превращается в доступную для дальнейшего использования энергию макроэргических связей АТФ, другая превращается в тепло и не может быть использована в дальнейшем.

Эффективность преобразования энергии принято оценивать по величине коэффициента полезного действия (КПД), который представляет собой отношение полезной энергии, используемой для выполнения работы, ко всей затраченной энергии.

Эффективность преобразования энергии в биологических процессах относительно невысока. Вместе с тем затраты энергии на осуществление биологических функций составляют весьма значительную величину. Человек во время бега потребляет столько энергии на единицу веса, сколько большой океанский пароход. Спортсмен, выполняющий напряженную мышечную работу, затрачивает в сутки около 21 000 кДж энергии.

В состоянии полного покоя затраты энергии составляют 7500-8000 кДж в сутки. Эти затраты энергии (в кДж) на поддержание процессов жизнедеятельности распределяются следующим образом:

Синтез белков, углеводов и жиров.... .1800

Синтез АТФ ………..3800

Поддержание ионных градиентов ...... 900

Работа сердца и дыхательных мышц ..1100

Таким образом, в состоянии покоя энергия расходуется в основном на синтез биоорганических соединении и на перенос ионов. Даже при полном покое поддержание жизни представляет собой очень тяжелую работу.

Неизбежность значительных затрат энергии на осуществление процессов жизнедеятельности при относительно низких значениях КПД вытекает из законов термодинамики.