24

О С Н О В Ы Б И О Э Н Е Р Г Е Т И К И

Все живые организмы на нашей планете могут существовать только при условии непрерывного притока энергии, которая используется для мышечного сокращения, деления клеток, синтеза необходимых соединений и др. Не будет преувеличением сказать, что энергетический обмен является важнейшим компонентом жизнедеятельности всех без исключения живых существ. В живых организмах постоянно осуществляется преобразование различных видов энергии (см. табл.).

Таблица

Биологические преобразователи энергии

Преобразователи энергии Химической в электрическую Химической в механическую Химической в осмотическую Химической в энергию излучения Световой в химическую Световой в электрическую Гидростатической в электрическую Звуковой в электрическую

Органы, в которых происходит преобразование энергии Мозг, нервы, нос, язык Мышцы Почки и все клеточные мембраны Органы святящихся организмов (светляков и др.) Хлоропласты растений Глаз Внутреннее ухо Ухо

Поэтому изучение способов поступления энергии в организм, ее переработки, хранения и использования являются важнейшими проблемами не только биоэнергетики, но и всей биологии.

По современным представлениям источником энергии для биосферы является Солнце, в недрах которого протекают термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Освобождающаяся при этом внутриядерная энергия с помощью электромагнитного излучения в очень широком спектре поступает на Землю. В зависимости от способа питания все организмы делятся на аутотрофы и гетеротрофы. Аутотрофы поглощают энергию квантов оптического диапазона и в результате протекания процесса фотосинтеза запасают ее в сахарах:

6Н₂0 + 6С0₂ + nh  С₆Н₁₂О₆ + 60₂

Образующиеся при этом молекулы глюкозы служат источником энергии для гетеротрофов - организмов, не способных к фотосинтезу - для земноводных, рептилий, птиц, млекопитающих. Хотя углеводы и являются основным энергетическим субстратом, другие вещества (белки, жиры) также могут быть использованы для выделения энергии. В любом случае для нормальной жизнедеятельности организма необходим постоянный обмен веществ с окружающей средой, освобождение энергии в процессе переработки химических соединений и использование ее для совершения работы.

В энергетическом взаимодействии организма со средой важную роль играют системы пищеварения, дыхания, кровообращения, выделения, нервная система и др. Поэтому при заболеваниях всегда имеет место нарушение энергетического обмена в локальных областях или во всем организме. Исследование показателей этого процесса имеет особое значение для оценки состояния организма, тяжести заболевания, для прогноза его исхода. К примеру, изменение температуры организма служит одним из наиболее характерных симптомов нарушения энергетического обмена.

Теоретическим фундаментом, основой биоэнергетики является термодинамика - раздел физики, изучающий энергетические превращения в различных материальных системах.

Основные понятия и законы термодинамики

В термодинамике рассматривают состояния термодинамических систем. Под термо-динамической системой понимают часть пространства, содержащую большое количество атомов или молекул. Из этого определения следует, что все живые организмы соответствуют понятию термодинамической системы. Обратим внимание на то, что в термодинамике не рассматриваются отдельные атомы или молекулы, а только состояние и поведение их совокупности.

Различают открытые, закрытые и изолированные системы. Под изолированной понимают такую, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. В точном смысле этому определению не соответствует ни один реальный материальный объект, так как невозможно обеспечить его полную изоляцию от среды. Хорошим приближением к изолированной системе может служить ракета в космическом пространстве с выключенными двигателями. Если пренебречь очень малым теплообменом с космосом, ракета является изолированной системой.

Под закрытой системой понимают такую, которая может обмениваться с окружающей средой только энергией, но не веществом. К примеру, любое материальное тело, температура которого выше окружающей среды, является закрытой системой, участвующей только в теплообмене.

К открытым термодинамическим системам относятся такие, которые обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией. Согласно этому определению, все живые организмы являются открытыми системами, для которых обмен веществ и теплообмен со средой является обязательным условием нормальной жизнедеятельности.

Любая термодинамическая система характеризуется свойствами, количественное выражение которых называют термодинамическими параметрами. К числу важнейших параметров относятся: температура Т, давление Р, объем V, количество вещества n, выраженное в молях. Термодинамические или макропараметры представляют собой величины, усредненные по микропараметрам, характеризующих состояние отдельных атомов и молекул. Так, например, температура Т связана со средней кинетической энергией Е_к частиц, из которых состоит система: 3/2 kT = E_k, где k - постоянная Больцмана.

Совокупность термодинамических параметров определяет состояние термодинамической системы в каждый момент времени. Если наблюдается изменение этих величин, то имеет место термодинамический процесс, и термодинамическая система переходит в другое состояние. Между макропараметрами существует функциональная взаимосвязь, которая не нарушается при осуществлении термодинамического процесса. Количественное выражение этой зависимости называется уравнением состояния. Одной из наиболее важных таких функций является уравнение состояния идеального газа:

РV = n RT,

где R - универсальная газовая постоянная.

Состояния термодинамических систем однозначно описывает внутренняя энергия - сумма кинетических и потенциальных энергий взаимодействия всех частиц системы. Слагаемыми внутренней энергии являются кинетическая энергия теплового хаотического движения молекул, энергия взаимодействия атомов и молекул, между ядрами и электронами, протонами и нейтронами в ядрах. Из приведенного определения следует, что количественно рассчитать величину всей внутренней энергии для каждого состояния системы очень сложно. Поэтому переход термодинамической системы из одного состояния в другое характеризуют не абсолютными значениями, а изменением внутренней энергии U = U₂ - U₁ (U₁ - внутренняя энергия в первом, U₂ - во втором состоянии). Как показывают наблюдения, процесс перехода системы из одного состояния с внутренней энергией U₁ во второе (c U₂) сопровождается регистрируемыми изменениями в окружающей среде: перемещением материальных тел, изменением их объемов, температуры, электрического сопротивления и др. Способы изменения внутренней энергии системы описывает первый закон термодинамики: увеличение внутренней энергии системы равно количеству полученного тепла и работы, совершенной окружающей средой:

U = Q + A

(здесь обозначено U - увеличение внутренней энергии, Q - количество тепла, полученное системой, А - работа, которую среда выполняет над системой). Если же система отдает тепло в среду или совершает работу, то знак перед Q и А изменяется на противоположный:

U = - Q - A U < 0

Отрицательное значение изменения внутренней энергии - U = U₂ - U₁ показывает, что после совершения процесса внутренняя энергия U₁ уменьшилась до U₂.

Следует особо подчеркнуть, что величины Q и А не являются слагаемыми внутренней энергии, а характеризуют процессы ее изменения в ходе теплообмена и выполнения работы.

Первый закон термодинамики называют еще законом сохранения энергии. Если отсутствует теплообмен и не совершается работа, как это имеет место для изолированной системы, величина внутренней энергии остается постоянной.