Первое начало термодинамики и живые организмы

Все стороны деятельности клетки осуществляются на основании энергетических затрат. Единственным источником жизни в организме является энергия, заключенная в химических связях молекул жиров, белков и углеводов, поступающих в организм с пищей. В результате окислительных процессов происходит ступенчатое освобождение этой энергии, а затем часть ее рассеивается в виде тепла, а часть — накапливается в виде микроэргических связей (это происходит в молекулах АТФ — адезинтрифосфорной кислоты).

Энергетические процессы живого организма происходят в строгом соответствии с первым началом термодинамики.

Первое начало термодинамики. Из курса физики известно, что работа и теплота являются единственно возможными формами передачи энергии от одного тела к другому, а выполненная работа и переданное телу количество теплоты однозначно определяют изменение энергии тела в любом процессе. Иначе говоря, если мы сообщим телу (системе) некоторое количество теплоты ΔQ, то оно может пойти только на увеличение внутренней энергии ΔЕ тела (системы) и на совершение телом (системой) работы ΔА против внешних сил, т. е. ΔQ = ΔE + ΔA.

Первое начало термодинамики является законом сохранения энергии и поэтому всеобщим законом природы, т. е. законом, действие которого распространяется и на живые организмы. Рассмотрим первое начало применительно к некоторым изопроцессам.

Так, при изотермическом процессе, когда T = const, внутренняя энергия не изменяется (E = const), поэтому ΔЕ = 0. В этом случае ΔQ = ΔA, т. е. при изотермических процессах вся подведенная к телу (системе) теплота идет на совершение телом (системой) работы против внешних сил.

При адиабатическом процессе не происходит теплообмена — ΔQ = О, тогда ΔA = -ΔЕ. При адиабатическом процессе тело (система) совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии.

Живой мир и первое начало термодинамики. Благодаря терморегуляции температура тела человека и теплокровных животных поддерживается постоянной (в определенных пределах). Существенной частью терморегуляции является теплообмен с окружающей средой. Теплообмен, как любая передача теплоты, осуществляется с помощью теплопроводности, конвекции, испарения и лучеиспускания (поглощения).

Очень многие факторы влияют на теплообмен человека с окружающей средой: состояние окружающей среды (влажность, температура, ветер и др.), состояние самого человека (покой или подвижность, возбужденность), наличие и качество одежды и др.

Многочисленные эксперименты, проведенные физиологами, убедительно доказали: живые организмы подчиняются первому началу термодинамики — закон сохранения энергии справедлив и для живого мира. Биофизические опыты над собакой в биокалориметре описаны в школьных учебниках, поэтому мы на этом останавливаться не будем, а приведем данные, иллюстрирующие приход и расход энергии человеческим организмом в одном из экспериментов. В левом столбике — приход, в правом — расход энергии:

При изотермическом процессе внутренняя энергия организма должна быть постоянной, это условие выполняется в организме достаточно хорошо, если пренебречь ростом организма. Но тогда и теплопродукция организма — приток энергии — должна равняться потере энергии в различных ее формах. Теплопродукция обусловлена биохимическими реакциями, в результате которых освобождается энергия, связанная в пище. Необходимо, однако, учесть, что энергетически используемая доля пищи никогда не приближается к 100% —часть продуктов заменяет ткани, другая затрачивается на рост, третья откладывается в организме (жир, гликоген в печени и т. д.).

Поэтому нельзя считать, что вся усваиваемая организмом пища идет только на покрытие текущих энергетических расходов. С этими оговорками проиллюстрируем теплоотдачу (потерю тепла) организма с помощью данных, полученных в лабораторных условиях:

Как видно из этой таблицы, организм теряет тепло главным образом через кожу. Если температуру, свойства кожи и некоторые другие факторы считать неизменными, то потеря теплоты окажется прямо пропорциональной величине поверхности организма. Энергия, получаемая за счет поглощаемой пищи, должна восполнять в основном как тепло, потерянное через поверхность, так и энергию, которую мы расходуем при движении. Таким образом, минимальное количество пищи должно быть прямо пропорциональным поверхности.

Мы уже путешествовали с вами в сказочную страну великанов, созданную Джонатаном Свифтом. Теперь наш путь в не менее интересную страну — Лилипутию. Если размеры живого организма уменьшаются в 12 раз (как это было бы в стране Лилипутии), то лилипуту с такой же температурой, как у обычного человека, потребуется пища в объеме, составляющем (1/12)² обычного рациона человека (пропорционально поверхности). Однако объем самой пищи уменьшится в (1 /12)³ раз, поэтому лилипуту понадобится в 12 раз больше пищи (по отношению к своим размерам), чем человеку нормальных размеров. Обитатели страны Лилипутии всегда должны были бы испытывать чувство голода и жажды.

Нечто подобное мы можем встретить у мелких млекопитающих например у мышей. Указанные выше причины объясняют тот факт, что совсем маленьких теплокровных животных нет — они не смогли бы запасти и переварить необходимое для их существования количество пищи. Многие животные имеют очень небольшие размеры (например, насекомые), но температура их тела не выше температуры окружающей среды—в этом случае не нужно компенсировать пищей потерю тепла через кожу в окружающую среду.