Термодинамика биологических систем
В биологических системах, с течением времени, уменьшается количество выполненной работы - организм человека сохраняет свою способность выполнять работу (жить) в течение всей своей жизни.
Любая система, которая находится в состоянии обмена веществом и энергией с окружающей средой, но которая не изменяется со временем, называется стационарной системой..
Организм является открытой термодинамической системой, которая стремится сохранить свое относительное постоянство внутренней среды.
Изменение энтропии в биосистемах возникает в следующих случаях:
1. Изменения энтропии, вызванные взаимодействием между системой и внешней средой - dSe. Например, проникновение питательных веществ в организм из окружающей среды или выброс веществ в окружающую среду организмом.
2. Изменения энтропии, вызванные биохимическими процессами в системе - dS. Например, энтропия изменяется из-за разложения высокомолекулярных питательных веществ.
В результате процессов, происходящих в организме человека, энтропия меняет свое значение за еденицу времени. Скорость энтропии в организме представляет собой алгебраическую сумму скорости энтропии, которая происходит в организме, и скорости отрицательной энтропии из окружающей среды в организм.
Поскольку dS / dt = 0 для стационарного организма, изменения энтропии внутренней среды равны отрицательным изменениям энтропии, происходящим из окружающей среды:
Данное уравнение называется уравнением стационарного состояния.
Если на какую-либо часть биосистемы влияет изменение ее стационарного состояния, один или несколько новых процессов могут быть вовлечены в этот процесс. Эта особенность стационарной системы называется самостабилизацией.
Распределение энергии Гиббса открытой системы в стационарном состоянии имеет минимальное значение. Следовательно, биосистемам нужна минимальная энергия для поддержания их гомеостаза.
Потребность организма в энергии зависит от пола, возраста, времени года, вида его деятельности и т.д. Энергетические потребности организма включают углеводы, жиры и белки. В процессе их усвоения организм выделяет разное количество энергии, и его ценность находится в пределах:
Белки и углеводы 16,5— 17,2 kJ/g или 4,0—4,1 kkal/g; жиры 37,7—39,8 kJ/g или 9,0—9,5 kkal/g.
В среднем потребление энергии организмом человека оценивается в 55–60% углеводов, 20–25% жиров и 15–20% белков. Для этого в организме человека подвергаются диссимиляции 320-500 г углеводов, 60-70 г жиров и 80-100 г белков в течение 24 часов.
Питательные вещества имеют структуру высокомолекулярных соединений, а их химические связи нестабильны (разрыв связей не требует большого расхода энергии). Эти вещества имеют малую энтропию и большие значения G и энтальпии. Их усвоение продолжается с образованием относительно простых веществ (CO2, H2O, NH3, CO(NH2)2, C2H5OH и т.д.), которые имеют небольшие размеры.
Рисунок- 8.1. Колориметрическая установка
1- Внешний стакан, 2- внутренний стакан, 3 –специальная пробка, 4- термометр, 5- воронка, 6- мешалка