14. Энергетический баланс живого организма. Энтропия и живой организм

Энергию в форме химических связей животные получают с пищей. Энергетический баланс животных удалось измерить на основе закона Гесса: тепловой эффект химической реакции, развивающейся через ряд промежуточных стадий, не зависит от пути перехода и определяется только разностью состояний исходных и конечных продуктов. Основным конечным продуктом сгорания пищевых продуктов как в огне, так и при окислении их в организме животного является углекислый газ. Один и тот же корм имеет разную обменную энергию для разных животных, что связано с различием процессов пищеварения у разных животных. Обменная энергия различных кормов тоже различна. В зоотехнической практике рационы животных рассчитываются, исходя из их энергетических потребностей. В холодное время организм регулирует теплопродукцию, уменьшая синтез АТФ. При этом доля первичного тепла существенно увеличивается, так как уменьшается энергия, затрачиваемая на синтез АТФ. Другими словами, организм использует пищу в основном для обогрева. Поэтому зимой сельскохозяйственных животных надо содержать в отапливаемых помещениях и давать подогретые корма и воду. Это уменьшит тепловые потери животных и поддержит их продуктивность. По сравнению с млекопитающими и птицами потребность в энергии у рыб (на килограмм массы) в 1,5-2 раза меньше, это происходит из-за того, что рыбам не нужно тратить энергию на поддержание постоянной температуры тела, а также на преодоление силы тяжести. Поэтому выращивание холоднокровных водных животных выгоднее, чем теплокровных сухопутных.

Растения: вместо высокоэнергетичных молекул пищи растения используют солнечный свет, углекислый газ и воду. В процессе фотосинтеза электромагнитная энергия света частично идет на построение из углекислого газа и воды молекул углеводов (например, глюкозы) и молекул АТФ, частично выделяется в окружающую среду в виде тепла. Поэтому, по большому счету, основным источником энергии для всех живых организмов является солнце. А самый важный биологический процесс, обеспечивающий пищей все живое, – фотосинтез.

Поддерживая внутренний порядок за счет энергии питательных веществ, любой организм всегда «выбрасывает» неупорядоченную энергию в окружающую среду в виде тепла или неусвоенных остатков пищи. Энтропия организма уменьшается (ΔSo < 0), а энтропия окружающей среды увеличивается (ΔSc > 0). При этом оказывается, что полная энтропия системы животное + окружающая среда увеличивается (внешний беспорядок превышает внутренний порядок) . ΔS = ΔSo + ΔSc > 0Итак, организм в целом, в своем взаимодействии со средой обитания, вполне подчиняется законам термодинамики. Известный австрийский физик-теоретик Э. Шредингер, один из создателей квантовой механики, в середине ХХ века отмечал, что у живого должны быть свои физические законы. Но оказалось, что в сложных биохимических реакциях, протекающих в клетке, законы термодинамики не выполняются, например, С молекулы ДНК постоянно списывается часть информации на и-РНК (транскрипция) для синтеза того или иного белка (трансляция). Этот белок синтезируется на рибосомах методом ускоренной конвейерной сборки, так, что скорость соединения аминокислот в белковую цепочку очень большая. Любые ошибки синтеза белка почти мгновенно исправляются контролирующими ферментами. На этом «конвейере» нет ни одного лишнего движения. При этом соблюдаются не абсолютные условия, но сборка проходит идеально. Это происходит из-за того, что в момент образования пептидной связи тепловые движения атомов прекращаются («замораживаются»), что и обеспечивает стопроцентную точность сборки. Это относится не только к синтезу белка, но и ко всем внутриклеточным реакциям подобной сложности (репликация, транскрипция…). Так организм понижает энтропию и создает порядок. На вопрос, почему так происходит, Шредингер и другие физики отвечают: строжайший и точнейший порядок частиц в живом организме рождается не от беспорядка, а от прежде установленного порядка. То есть все молекулярные процессы живого организма изначально запрограммированы.