Розділ «Біотермодинаміка»

1. Визначення поняття системи, види систем, рівні складності систем.

Система - упорядоченное определенным образом множество элементов, взаимосвязанных между собой и образующих некоторое целостное единство. (Садовский).

Система - это обособленный пространственно, ограниченный хронально, изменяющийся во времени и относительно самодостаточный фрагмент мира и организованная целостность, состоящая из частей (элементов и др.), объединенная разного рода отношениями, которая обладает общим особым качеством (эмерджентность), не равным сумме свойств входящих в это целое частей (О.С.Разумовский)

Види систем

Основание (критерий) классификации	Классы систем
По взаимодействию с внешней средой	Открытые Закрытые Комбинированные
По структуре	Простые Сложные Большие
По характеру функций	Специализированные Многофункциональные (универсальные)
По характеру развития	Стабильные Развивающиеся
По степени организованности	Хорошо организованные Плохо организованные (диффузные)
По сложности поведения	Автоматические Решающие Самоорганизующиеся Предвидящие Превращающиеся
По характеру связи между элементами	Детерминированные Стохастические
По характеру структуры управления	Централизованные Децентрализованные
По назначению	Производящие Управляющие Обслуживающие

В зависимости от структуры и пространственно-временных свойств системы делятся на простые, сложные и большие.

Простые – системы, не имеющие разветвлённых структур, состоящие из небольшого количества взаимосвязей и небольшого количества элементов. Такие элементы служат для выполнения простейших функций, в них нельзя выделить иерархические уровни. Отличительной особенностью простых систем является детерминированность (четкая определенность) номенклатуры, числа элементов и связей как внутри системы, так и со средой.

Сложные – характеризуются большим числом элементов и внутренних связей, их неоднородностью и разнокачественностью, структурным разнообразием, выполняют сложную функцию или ряд функций. Компоненты сложных систем могут рассматриваться как подсистемы, каждая из которых может быть детализирована ещё более простыми подсистемами и т.д. до тех пор, пока не будет получен элемент

Уровень сложности	Пример	Характеристики
Уровень 1	Общие (Structural)	рамочные условия организационной структуры
Уровень 2	Заводная (Clockwork)	Динамичный, движущихся, предсказуемой, должно быть внешнее управление
Уровень 3	Кибернетические устройства, такие как термостат	Динамичный, предсказуемый, способных саморегулирования в определенных пределах.
Уровень 4	Клетки	открытого, динамичного, запрограммированный для самообеспечения при изменении внешних условий
Уровень 5	Растения	открытого, динамичного, генетически детерминированы, способных саморегулирования через широком диапазоне изменения внешних и внутренних условий.
Уровень 6	Животные	открытого, динамичного, генетически детерминированы системой, которая приспосабливается к окружающей среде путем внутренней перестройки и путем создания простой социальных групп.
Уровень 7	Люди	Открытые, динамические, саморегулирующиеся, адаптивные через широкий обстоятельствах, потому что способность к абстрактному мышлению и общаться символически
Уровень 8	Социальная система	более сложные, чем человек, более открыты для влияния окружающей среды, более адаптивной к обстоятельство, потому что коллективный опыт и широкий резервуар знаний и навыков.
Уровень 9	Трансцендентное	Большинство свободно адаптироваться к обстоятельство потому, что она поднимается выше и распространяется за пределы как физических, так и социальных систем.

2. Значення теорії ізоморфізму для дослідження і моделювання біосистем.

Описанием структуры и функций некоторой системы может служить только другая изоморфная по отношению к ней система. Этот постулат имеет в теории систем не меньшее значение, чем законы сохранения в физике или аксиомы в математике. Он позволяет объяснить единство закономерностей природы, относящихся к объектам, которые нам кажутся непохожими и независимыми друг от друга. Если структура одной системы и внешние функции ее элементов изоморфны структуре другой системы и внешним функциям ее элементов, то внешние свойства этих систем неразличимы в области их изоморфизма.

3. Значення теорії ізоморфізму для створення біотехнічних систем.

Описанием структуры и функций некоторой системы может служить только другая изоморфная по отношению к ней система. Этот постулат имеет в теории систем не меньшее значение, чем законы сохранения в физике или аксиомы в математике. Он позволяет объяснить единство закономерностей природы, относящихся к объектам, которые нам кажутся непохожими и независимыми друг от друга. Если структура одной системы и внешние функции ее элементов изоморфны структуре другой системы и внешним функциям ее элементов, то внешние свойства этих систем неразличимы в области их изоморфизма.

4. Базові принципи теорії систем.

1. Система больше суммы своих частей. Требует всесторонней оценки.

2. Объект исследования , выделенный в качестве системы, должен обладать определённой предсказуемостью.

3. Каждая подсистема является частью системы.

4. Главное свойство системы предполагает подчинение ей свойств подсистем.

5.  Любая система является информационной. 

6. Любая открытая система и её окружение тесно взаимосвязаны.

7. Для рассмотрения высокоорганизованной целостной системы необходимо рассмотрение её подсистем, для построения интегральной модели системы .

8. Система содержит набор свойств и их отношений .

9. Система – это динамическая сеть взаимосвязанных элементов. Изменение одного ведёт к изменению всех остальных. 

10. Объединение подсистем в систему предполагает, что выход одной подсистемы является в ходом для другой. Изменение процессов в одной подсистемы ведёт к изменениям другой.

11. Каждая система стремится к равновесию, когда внутренние и внешние силы (процессы) уравновешивают друг друга. .

12. Исследователь системы может расширять или суживать её границы.

13. Живые системы строго целенаправленны, основаны на обратных связях, и имеют свойство адаптации к изменениям окружающей среды.

5. Перше начало термодинаміки для біосистем.

Тепловой баланс организма или первое начало термодинамики для биологических систем

1 –е начало Т.Д. для биосистем

Внутренняя энергия ΔU = Wпищи. - Q – A

Для гомойотермных организмов ΔU = 0

Wпищи. = Q + A

Где теплопродукция M = Σ Qi

6. Відмінності термодинамічних процесів у тепловій машині і біосистемі.

7. Друге начало термодинаміки для біосистем.

II начало термодинамики: в изолированной системе общее изменение энтропии всегда положительно.

Второе начало термодинамики для открытых систем : в открытых системах продукция энтропии всегда положительна.

Второе начало термодинамики для биологических систем…

8. До якого виду систем належать біологічні об’єкти: відкриті, закриті, ізольовані, рівноважні, стаціонарні .

Стационарные, открытые.

9. Як змінюється ентропія в біосистемах.

10. Закон Е.С.Бауера для живих систем.

11. Теорема Пригожина для біосистем.

12. Пояснити взаємозв’язок протилежно спрямованих енергетичних процесів у біосистемах.

В організмі одночасно відбуваються різні катаболічні та анаболічні процеси, їх узгодженість забезпечує постійність внутрішнього стану організму, яка протидіє різноманітним впливам зовнішнього середовища. Така постійність внутрішнього середовища організму називається гомеостазом. Доросла людина протягом близько 40 років зберігає постійну масу тіла, його склад, хоч за цей час вживає близько б т твердої їжі і 37850 л води. Гомеостаз - це динамічний стан. При дії зовнішніх факторів (зміні температури, кислотності, умов харчування та ін.) відбувається зрушення різних молекулярних процесів, спрямоване на протидію зовнішньому фактору і встановлення гомеостазу на новому рівні. В основі такої здатності до пристосування лежить висока чутливість регуляторних механізмів метаболічних шляхів.

Вважають, що стан біосистем більш влучно характеризувати терміном “енантіостаз”, тобто “постійність функції”, оскільки адаптація організму до виконання певної функції забезпечується за рахунок змін хімічного складу. Наприклад, постійність функціонування біомембран за різних температур забезпечується шляхом змін її жирнокислотного складу.

Таким чином, живі організми - це відкриті системи, які постійно обмінюються речовиною і енергією з оточуючим середовищем. Завдяки цьому вони підтримують високо впорядкований стан внутрішнього середовища на певному стаціонарному рівні.

13. Основний обмін організму людини, визначення поняття та розрахунок.

Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для поддержания нормальной жизнедеятельности организма в состоянии полного покоя при исключении всех внутренних и внешних влияний, которые могли бы повысить уровень обменных процессов. Основной обмен веществ определяют утром натощак (через 12—14 ч после последнего приема пищи), в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в условиях температурного комфорта (18—20° С). Выражается основной обмен количеством энергии, выделенной организмом (кДж/сут).

В состоянии полного физического и психического покоя организм расходует энергию на: 1) постоянно совершающиеся химические процессы; 2) механическую работу, выполняемую отдельными органами (сердце, дыхательные мышцы, кровеносные сосуды, кишечник и др.); 3) постоянную деятельность железисто-секреторного аппарата.

Основной обмен веществ зависит от возраста, роста, массы тела, пола. Самый интенсивный основной обмен веществ в расчете на 1 кг массы тела отмечается у детей. С увеличением массы тела усиливается основной обмен веществ. Средняя величина основного обмена веществ у здорового человека равна приблизительно 4,2 кДж (1 ккал) в 1 ч на 1 кг массы тела.

По расходу энергии в состоянии покоя ткани организма неоднородны. Более активно расходуют энергию внутренние органы, менее активно — мышечная ткань.

Интенсивность основного обмена веществ в жировой ткани в 3 раза ниже, чем в остальной клеточной массе организма. Худые люди производят больше тепла на 1 кг массы тела, чем полные.

У женщин основной обмен веществ ниже, чем у мужчин. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела. Согласно правилу Рубнера основной обмен веществ приблизительно пропорционален поверхности тела.

Отмечены сезонные колебания величины основного обмена веществ – повышение его весной и снижение зимой. Мышечная деятельность вызывает повышение обмена веществ пропорционально тяжести выполняемой работы.

К значительным изменениям основного обмена приводят нарушения функций органов и систем организма. При повышенной функции щитовидной железы, малярии, брюшном тифе, туберкулезе, сопровождающихся лихорадкой, основной обмен веществ усиливается

14. Зв'язок основного обміну організму та споживання кисню.

Біологічне окиснення, тобто ферментативне окиснення органічних речовин в живих системах, полягає в поступовому відщепленні від них атомів гідрогену, а в їх складі електронів. При цьому кінцевим продуктом окиснення карбону органічних речовин є СО2.

Атоми гідрогену, які відщеплюються від субстратів, зв’язуються проміжними переносниками. Ними служать коферменти НАД, НАДФ, ФАД, хінони та ін. Ферменти, які здійснюють відщеплення гідрогену від субстратів, мають спільну назву - дегідрогенази. Механізм перенесення атомів гідрогену за допомогою НАД, флавопротеїдів (ФП) показано в розділі 7.2. Самим поширеним хіноном-переносником гідрогену є убіхінон або коензим Q (KoQ):

Перенесення електронів здійснюється за різними механізмами: шляхом зміни валентності металу перемінної валентності (переважно заліза або міді), зв’язаного безпосередньо з білком (простий кофактор), або у складі комплексу (залізовмісні гемові білки цитохроми): Fe3++e-Fe2+, Cu2++e-Cu+ Іншими переносника служіть білки, які містять так звані залізо-сіркові кластери ([FeS]n), в яких чергуються атоми заліза і сірки, утворюючі замкнені структури, з’єднані з білком через залишки цистеїну, наприклад: [FeS]4:

Кожний кластер зв’язує по одному електрону: [FeS]4 + е « [FeS]4-.

Переносники атомів гідрогену і електронів утворюють в клітині ланцюги, в яких самовільне перенесення електронів здійснюється в напрямку зростання відновного потенціалу.

Окиснення може здійснюватись у безкисневих умовах - анаеробно, і в кисневих -аеробно. Аеробне окиснення дозволяє вилучити з органічної речовини максимальну кількість енергії. При цьому гідроген переноситься в кінцевому рахунку на кисень з утворенням води. Ферменти, які переносять електрони на молекулярний кисень, називаються оксидазами.

15. Джерела енергії в організмі людини та її продукція у стані основного обміну в ккал на кг маси тіла за годину, за добу.

Джерелом енергії для всіх життєвих процесів і функцій є обмін речовин.

Обмін речовин характеризується складними біохімічними реакціями, які полягають в засвоєнні поживних речовин, що надходять із навколишнього середовища, складних перетвореннях цих речовин та виділенні в навколишнє середовище відпрацьованих продуктів.

Процес засвоєння організмом речовин, створення з них нових та відновлення порушених клітин і тканин називається асиміляцією. Процес розпаду складних органічних речовин на прості сполуки називається дисиміляцією. У процесі дисиміляції виділяється енергія, яка використовується для підтримання життєдіяльності органів і систем організму та на виконання роботи. Процеси асиміляції і дисиміляції перебувають у відносній рівновазі. Співвідношення між кількістю енергії, яка надходить до організму з їжею, і витраченою енергією називається енергетичним балансом. Посилення діяльності призводить до посилення процесів дисиміляції. Щоб зберігалась рівновага між надходженням і витрачанням речовин та енергії, необхідно збільшити надходження поживних речовин для посилення процесів асиміляції.

Обмін речовин і обмін енергії — єдиний процес. Кожна органічна сполука, що входить до складу живого організму, має певний запас потенційної енергії. Речовини з великою енергією біологічного окислення називаються макроергічними. Серед останніх особливо велику роль в енергетичному обміні відіграє аденозинтрисфосфорна кислота (АТФ). Вона утворюється з інших макроергічних сполук і нагромаджується в клітинах організму. Найбільша кількість АТФ в скелетних м’язах (0,2—0,5%). Суточный расход энергии у здорового человека значительно превышает величину основного обмена и складывается из следующих компонентов: основного обмена; рабочей прибавки, т.е. энергозатрат, связанных с выполнением той или иной работы; специфического-динамического действия пищи. Совокупность компонентов суточного расхода энергии составляет рабочий обмен. Мышечная работа существенно изменяет интенсивность обмена. Чем интенсивнее выполняемая работа, тем выше затраты энергии. Степень энергетических затрат при различной физической активности определяется коэффициентом физической активности - отношением общих энергозатрат на все виды деятельности в сутки к величине основного обмена. По этому принципу все население делится на 5 групп.

Группа	Особенности профессии	Коэффициент физической активности	Суточный расход энергии, кДж (ккал)
Первая	Умственный труд	1,4	9799 - 10265(2100 - 2450)
Вторая	Легкий физический труд	1,6	10475 - 11732(2500 - 2800)
Третья	Физический труд средней тяжести	1,9	12360 - 13827(2950 - 3300)
Четвертая	Тяжелый физический труд	2,2	14246 - 16131(3400 - 3850)
Пятая	Особо тяжелый физический труд	2,5	16131 - 17598(3850 - 4200)

16. Розрахунок продукції енергії в організмі людей з різною масою тіла.

Основний обмін речовин – це кількість енергії у кілокалоріях або кілоджоулях, виділеної організмом за одиницю часу. У дорослої людини це становить приблизно 1 ккал на 1 кг маси тіла за годину, при цьому обмін речовин залежить від статі, віку, росту, маси тіла та інших факторів.

Основний обмін доволі вередливий: він може змінюватися при недостатньому або надмірному харчуванні, збільшенні або зменшенні фізичних навантажень, впливу на організм кліматичних факторів, порушенні функцій ендокринних залоз, при захворюваннях, що супроводжуються лихоманкою.

Основний обмін в однієї й тієї ж людини в різні дні може змінюватися приблизно на 10%. З віком він знижується на 7-10% кожні десять років, а до старості досягає свого мінімуму.

Крім того, жінкам пощастило менше, ніж чоловікам: процеси обміну у них протікають повільніше. Навіть при однаковому зрості з чоловіком у жінки маса тіла менша, м’язева система розвинута слабше, а жирова тканина – сильніше.

Для розрахунку основного обміну використовуються такі формули:

- для чоловіків: основний обмін = (ріст, см × 5) + (вага, кг × 14) + 66 – (вік × 6,8)

- для жінок: основний обмін = (ріст, см × 1,8504) + (вага, кг × 9,556) + 655 – (вік × 4,7)

Тобто, основний обмін тридцятирічної жінки ростом 170 см та вагою 65 кг становитиме: (170 × 1,8504) + (65 × 9,556) + 655 – (30 × 4,7) = 1450 ккал. При втраті кожних десяти кілограмів він зменшується на 100 калорій. Тому важливо скорочувати раціон поступово. Як пришвидшити?

Існує кілька простих, але доволі ефективних способів надати прискорення «сплячому» обміну.

17. Енергетична цінність харчових продуктів: білків, жирів, вуглеводів – в ккал/г.

Запас енергії в їжі виражається її калорійністю, тобто здатністю вивільняти при окисленні ту чи іншу кількість енергії.

Для окислення різних поживних речовин потрібна різна кількість кисню. При окисленні 1 г вуглеводів вивільняється 5,05 ккал енергії, 1 г білка — 4,85 ккал, 1 г жирів — 9,3 ккал. Проте якщо на окислення 1 г вуглеводів потрібно 830 мл кисню, 1 г білка — 970 мл, то на 1 г жирів — 2030 мл кисню. Кількість енергії, яка вивільняється при використанні 1 л кисню, називається калоричним еквівалентом. Він становить від 4,7 до 5,05 ккал.

18. Добова потреба організму людини в енергії, розрахунок з урахуванням основного обміну та виконуваної роботи.

В термодинамике объектом исследования служит система, под которой понт мают совокупность материальных объектов (тел), отграниченную в той или иной степени от окружающей среды. Различают изолированные системы, не обменива’ющиеся энергией и веществом с этой средой, и открытые системы, в которых такой обмен происходит. Живые организмы относятся к открытым системам.

Состояние любой системы характеризуется некоторыми параметрами. Одшй из них не зависят от массы или числа частиц в системе (иначе говоря, от размеров системы), другие пропорциональны этим аргументам. Первые получили название интенсивных термодинамигеских параметров. К ним относятся давление, темпер ратура и т. п. Параметры второй группы называются экстенсивными. Это объем, энергия, энтропия и др.

Энергию системы (W) можно представить состоящей из двух частей: W_ц которая зависит от движения и положения системы как целого, и U не зависящей от этих факторов:

Вторую составляющую (U) называют внутренней энергией системы. Она включает энергию теплового движения частиц, химическую энергию, ядерную энергию.

В системах, химический состав которых в ходе энергетических преобразова­ний остается неизменным, при вычислении внутренней энергии можно учитывать только энергию теплового движения и взаимодействия частиц. Такой системой является идеальный газ.

Первое начало термодинамики представляет собой одну из форм записи закона сохранения энергии. Оно было сформулировано независимо друг от друга Ю. Р. Майером (1842), Д. П. Джоулем (1843) и Г. Л. Гельмгольцем (1847). Двое из них (Майер и Гельмгольц) были врачами и, закладывая основы термодинамики, рассматривали преобразования энергии как в неживой природе, так и в биологи­ческих системах. Следовательно, термодинамика с первых своих шагов была тесно связана с биологией и медициной. Значение закона сохранения энергии высоко оценил Ф. Энгельс, причисливший его к трем великим открытиям XIX в.

Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внут­ренней энергии системы может произойти при обмене энергией с окружающей средой. Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами — посредством передачи тепла и путем совершения работы:

Эта формула и выражает первое наголо термодинамики.

Нужно обратить внимание на знаки в формуле. Принято считать положи­тельным то тепло, которое система получает из окружающей среды. Работу же считают положительной, когда система производит ее над окружающими телами. Например, когда газ, расширяясь, толкает поршень, работу считаем положитель­ной; если же газ сжимается поршнем, то работу считаем отрицательной.

19. Вплив енергетичного балансу в організмі людини на динаміку його маси

Обмін речовин і енергії при різних рівнях функціональної активності організму

Основний обмін. Під основним обміном (ОО) розуміють мінімальний рівень енерговитрат, необхідних для підтримки життєдіяльності організму в умовах відносно повного фізичного та емоційного спокою. У стані відносного спокою енергія витрачається на здійснення функцій нервової системи, що постійно йде синтез речовин, роботу іонних насосів, підтримання температури тіла, роботу дихальної мускулатури гладких м'язів, роботу серця і нирок.

Енерговитрати організму зростають при фізичній і розумовій роботі, психоемоційному напруженні, після прийому їжі, при зниженні температури.

Енергетичні витрати організму в умовах фізичного навантаження.

Інтенсивність обмінних процесів в організмі значно зростає в умовах фізичного навантаження. Різниця між величинами енерговитрат організму на виконання різних видів робіт та енерговитрат на основний обмін складає так звану робочу надбавку. Гранично допустима по тяжкості робота, виконувана на протязі ряду років, не повинна перевищувати за енерговитратами рівень основного обміну для даного індивідуума більш, ніж у три рази.

Розумова праця не вимагає настільки значних енерговитрат, як фізичний. Енерговитрати організму зростають при розумовій роботі в середньому лише на 2-3%. Розумова праця, що супроводжується легкої м'язової діяльністю, психоемоційним напруженням, призводить до підвищення енерговитрат вже на 11-19% і більше.

Регуляція обміну речовин і енергії

У регуляції обміну речовин і енергії виділяють регуляцію обміну організму речовинами та енергією з навколишнім середовищем і регуляцію метаболізму в самому організмі.

Кінцевою метою регуляції обміну речовин і енергії є задоволення відповідно до рівня функціональної активності потреб цілісного організму, його органів, тканин і окремих клітин в енергії та різноманітних пластичних речовинах.

Регуляція обміну речовин і енергії - це мультіпараметріческая регулювання, що включає в себе регулюючі системи безлічі функцій організму (наприклад, дихання, кровообігу, виділення, теплообміну та ін.)

Роль центру в регуляції обміну речовин і енергії відіграє гіпоталамус. Це обумовлено тим, що в гіпоталамусі локалізовані нервові ядра і центри, що мають безпосереднє відношення до регуляції голоду і насичення, теплообміну, осморегуляції. У гіпоталамусі ідентифіковані полісенсорна нейрони, що реагують зрушеннями функціональної активності на зміни концентрації глюкози, водневих іонів, температури тіла, осмотичного тиску, тобто найважливіших гомеостатичних констант внутрішнього середовища організму. У ядрах гіпоталамуса здійснюється аналіз стану внутрішнього середовища організму і формуються управляючі сигнали, які за допомогою еферентних систем пристосовують хід метаболізму до потреб організму.

Під керуючим впливом гіпоталамуса знаходиться і використовується в якості еферентної системи регуляції обміну речовин і енергії - ендокринна система. Гормони гіпоталамуса, гіпофізу та інших ендокринних залоз мають прямий вплив на зростання, розмноження, диференціювання, розвиток та інші функції клітин. Гормони беруть участь у підтриманні в крові необхідного рівня таких речовин, як глюкоза, вільні жирові кислоти, мінеральні іони.

Тепловий обмін

Вивільняється в організмі при біологічному окисленні енергія поживних речовин перетворюється в тепло, яке при його накопиченні в тканинах веде до підвищення температури тіла. Швидкість біологічного окислення зростає при збільшенні температури. Чим інтенсивніше протікання, обмінних процесів, тим більше теплоутворення в організмі. Але незважаючи на таку взаємозалежність обмінних процесів і теплотворення самоускоренія обміну і приросту температури тіла не відбувається. Це пояснюється тим, що приріст температури тіла над рівнем температури навколишнього середовища супроводжується збільшенням віддачі тепла і, отже, обмеженням впливу температури на обмінні процеси.

При охолодженні організму з'являється збільшенні амплітуди і частоти електроміографічному активності, зростання тонічного напруження м'яза, проте видимих ​​скорочень м'яз при цьому не робить. У теплорегуляційні тонус послідовно залучаються м'язи підборіддя, шиї, верхнього плечового пояса, тулуба, згиначі кінцівок. Останнім пояснюється прийняття певної пози (згортання в клубок), що зменшує площу поверхні тіла, що контактує з зовнішнім середовищем, і знижує інтенсивність тепловіддачі.

При триваючому охолодженні організму, коли починається зниження його внутрішньої температури, підвищення тонусу м'язів переходить в якісно новий стан - виникають мимовільні періодичні скорочення скелетної мускулатури, що отримали назву холодового тремтіння. У цьому випадку відбувається порівняно невелика механічна робота, і майже вся метаболічна енергія в м'язі звільняється у вигляді тепла.

В умовах холоду за допомогою симпатичної нервової системи, через її медіатор норадреналін, стимулюється ліполіз у жировій тканині. У кровотік виділяються і в подальшому окислюються з утворенням великої кількості тепла вільні жирні кислоти. Норадреналін і адреналін викликають швидке, але нетривале підвищення теплопродукції. Більш тривалий посилення обмінних процесів досягається під впливом гормонів щитовидної залози - тироксину і трийодтироніну.

Якщо, незважаючи на активацію обміну речовин, величина теплопродукції організму стає менше величини тепловіддачі, виникає пониження температури тіла, що одержало назву гіпотермії.

Протилежне стан організму, що супроводжується-підвищенням температури тіла, - гіпертермія, має місце, коли інтенсивність теплопродукції перевищує здатність організму віддавати тепло в навколишнє середовище за допомогою наявних способів тепловіддачі. Гіпертермія найбільш легко розвивається в умовах дії на організм зовнішньої температури, що перевищує 37 ° С при 100% вологості повітря, коли випаровування поту або вологи з поверхні тіла стає неможливим. У разі тривалої гіпертермії може розвиватися "тепловий удар". Це стан організму характеризується почервонінням шкіри в результаті розширення периферичних судин, відсутністю потовиділення, ознаками порушення функцій центральної нервової системи (порушення орієнтації, марення, судоми). У більш легких випадках гіпертермії може проявитися теплової непритомність, коли в результаті різкого розширення периферичних судин відбувається падіння артеріального тиску.

Як при гіпотермії, так і при гіпертермії має місце порушення основної умови підтримання сталості температури тіла - балансу теплопродукції і тепловіддачі.

20. Головний хімічний переносник енергії в клітині, та кількісні характеристики розподілу енергії на теплові затрати та виконання певних видів роботи.

Энергия, запасенная АТФ при его синтезе, используется организмом для совершения различных видов (форм) полезной работы . Она освобождается при гидролизе АТФ и переносится на различные компоненты клетки посредством их фосфорилирования, причем мышечная работа отнюдь не является самой энергоемкой в жизни человека. Огромны затраты свободной энергии на синтез сложных биомолекул. Так, для синтеза одного моля белка требуется от 12000 до 200 000 кДж свободной энергии. Следовательно, в «сборке» одной молекулы белка участвуют от 1000 до 16 000 молекул АТФ (с учетом КПД процесса, составляющего около 40%). Так, образование одной молекулы белка с молекулярной массой 60 кДа требует гидролитического расщепления 1500 молекул АТФ. Для синтеза молекулы РНК необходимо около 6000 молекул АТФ. Еще больше энергии требуется для образования ДНК — на созидание 1 молекулы ДНК тратится 120 000 000 молекул АТФ. Однако количество синтезируемых молекул белка значительно больше, чем нуклеиновых кислот, в силу разнообразия его функций и беспрестанного быстрого обновления. Поэтому именно синтез белка в организме наиболее энергоемок по сравнению с другими биосинтетическими процессами (за исключением синтеза АТФ). Масса АТФ, синтезируемого взрослым человеком в течение одних суток, равна примерно массе его тела. Полезно иметь в виду, что в течение каждого часа жизни у млекопитающих белок стромы клеток обновляется в среднем на 1%, а белки ферменты - на 10%. У человека массой 70 кг ежечасно обновляется около 100 г белка. Таким образом, первой формой полезной работы биологической системы является химическая, обеспечивающая биосинтез.

Другая важная «статья» расхода свободной энергии в организме - поддержание физико-химических градиентов на клеточных мембранах, т. е. осмотическая работа. В живой клетке концентрация ионов и органических веществ иная, чем в межклеточной среде, т. е. на клеточной мембране существуют концентрационные градиенты. Различие концентрации ионов и молекул приводит к возникновению и других градиентов: осмотического, электрического, фильтрационного и т, д.

Обилие градиентов характерно для биологических систем, при их умирании градиенты падают и ликвидируются. Только живые организмы способны поддерживать неравновесное состояние своих сред, выражением чего и служат градиенты. Они являются тем потенциальным ресурсом, который обеспечивает соверше­ние клеткой в нужный момент свойственной ей работы: генерации нервного импульса нейронами, сокращений мышечных волокон для обеспечения движений, транспорта веществ через клеточные мембраны в процессах всасывания, секреции, выделения и т. д. Физико-химические градиенты организма — основа его активности. Он затрачивает значительную энергию на их создание и поддержание.

Важно понять, что именно градиент, а не просто разность величин данного физико-химического параметра, служит движущей силой многих жизненных процессов, например транспорта веществ в организме. Во всех уравнениях, выражающих закономерности процессов переноса веществ и энергии, аргументами являются градиенты.

Наличие градиентов вызывает непрерывный перенос веществ через клеточные мембраны (пассивный транспорт). Он должен был бы уменьшить величину градиентов (выравнять концентрации и другие физико-химические параметры). Однако в нормально функционирующей клетке градиенты на мембране стабильно поддерживаются на определенном уровне благодаря активному транспорту, который обеспечивается энергией макроэргических соединений. КПД этого процесса — около 20—25%. Такой же КПД характерен для преобразования энергии макроэргов в электрическую работу, поскольку биоэлектрогенез обеспечивается транспортом ионов через биологическую мембрану, т. е. осмотическими процессами.

Наконец, организм совершает механическую работу, для которой также необходим гидролиз АТФ. Коэффициент полезного действия мышечного сокращения и не мышечных форм двигательной активности — обычно не более 20%.

21. Закони біоенергетики клітини по В.П.Скулачеву.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН БИОЭНЕРГЕТИКИ

Живая клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает их в одну из трех конвертируемых форм энергии ("энергетических валют"), а именно: в АТФ, или , которые затем расходуются для осуществления различных энергоемких процессов. Иными словами, клетка предпочитает "денежное" обращение, а не бартер. Простейшим примером запасания энергии в конвертируемой форме может быть гликолиз, или расщепление углеводов до молочной кислоты:

углевод + АДФ + Н3РО4 (1)

молочная кислота + АТФ, (2)

где АДФ - аденозиндифосфорная кислота.

Если затем АТФ используется, например, для совершения механической работы (у животных для мышечного сокращения), то цепь событий завершается расщеплением АТФ до АДФ и Н3РО4 сократительным белком - АТФазой (актомиозином):

АТФ АДФ + Н3РО4 + механическая работа. (3)

В целом же использование углеводов для энергообеспечения работы мышцы выразится уравнением (3), являющимся суммой уравнений (1) и (2):

Если источником энергии для мышечной работы служит не гликолиз, а дыхание, то есть окисление кислородом питательных веществ, например углеводов, то посредником также окажется АТФ, но путь к нему будет более сложным. Сначала за счет дыхания будет образован (4), а затем израсходуется для синтеза АТФ из АДФ и Н3РО4 (5):

углевод + О2 + Н2О + СО2 + АДФ + Н3РО4 АТФ.

В целом весь процесс, называемый дыхательным фосфорилированием, описывается уравнением (6) (стехиометрические коэффициенты не проставлены):

углевод + О2 + АДФ + Н3РО4

Н2О + СО2 + АТФ.

При фотосинтезе в хлоропластах зеленых растений происходят синтез углеводов, выделение О2 и образование за счет энергии света:

свет + Н2О + СО2 + углевод + О2 .

Затем утилизируется для синтеза АТФ по уравнению (5).

В некоторых случаях у бактерий дыхание или анаэробное (бескислородное) расщепление питательных веществ дает не , а . Соответственно работа в этих случаях может поддерживаться за счет расхода . Большую роль играет в животной клетке. Здесь образуется на плазмалемме за счет энергии АТФ и расходуется для аккумуляции в протоплазме различных веществ, поступающих в клетку извне. Поскольку перенос этих веществ происходит в область большей концентрации, а следовательно, большего осмотического давления, он связан с совершением осмотической работы. Эта работа описывается уравнениями (8) и (9):

АТФ + АДФ + Н3РО4 ,

осмотическая работа.

У морских бактерий осмотическая работа также поддерживается за счет , а у пресноводных - за счет . Химическая работа по энергоемкому синтезу разнообразных химических соединений "оплачивается" обычно энергией АТФ, а образование тепла для нужд терморегуляции - энергией . Механическая работа у бактерий (вращение жгутиков) обеспечивается посредством или . Общая схема возможных путей превращения энергии в живых клетках показана на рис. 2.

ВТОРОЙ ЗАКОН БИОЭНЕРГЕТИКИ

Любая живая клетка всегда располагает как минимум двумя "энергетическими валютами": водорастворимой (АТФ ) и связанной с мембраной ( либо ).

Продолжая аналогию с финансами, можно сказать, что клетка держит часть капитала в наличных деньгах, а часть - в чеках, причем часто в двух разных банках. Чтобы убедиться в справедливости этого закона, придется бегло познакомиться с энергетикой клеток, принадлежащих к различным царствам живой природы. Основные типы энергетики клетки показаны на рис. 3-5.

У морских бактерий (рис. 3) имеются по меньшей мере АТФ и , но очень часто также и . У пресноводных бактерий (на рисунке не показано), "валютой" служат АТФ и . Что касается , то она, как правило, отсутствует из-за низкой концентрации Na+ в среде обитания.

Клетки растений (рис. 4) располагают АТФ и . Что касается , то она может вторично (за счет ) образовываться на плазмалемме, но обычно играет подчиненную роль фактора, стабилизирующего уровень на этой мембране. Животная клетка (рис. 5) располагает всеми тремя "валютами". При этом для плазмалеммы характерна натриевая энергетика, а для внутриклеточных мембран - протонная. Живые системы, имеющие только одну конвертируемую форму энергии, не обнаружены.

ТРЕТИЙ ЗАКОН БИОЭНЕРГЕТИКИ

"Энергетические валюты" клетки могут превращаться одна в другую. Поэтому получения хотя бы одной из них за счет внешних ресурсов достаточно для поддержания жизнедеятельности.

Иначе говоря, не столь важно, в какой "валюте" поступит доход, если "валюта" эта конвертируемая. Взаимопревращение АТФ, и осуществляется специальными ферментами. Взаимопереход АТФ катализируется Н+-АТФ-синтазой, превращение АТФ обеспечивается Na+-АТФ-синтазой, а равновесие осуществляется Н+ / Na+ -антипортером.

Наиболее яркой иллюстрацией действия третьего закона служат примеры тех редких форм жизни, которые используют одну-единственную энергопроизводящую реакцию для поддержания всего разнообразия энергоемких процессов. Такого рода примеры описаны, как правило, применительно к бактериям, избравшим для своего существования определенные природные ниши.

Так, анаэробные бактерии могут за счет гликолиза производить АТФ, который затем используется в процессах энергообеспечения либо непосредственно, либо после превращения в или . Железобактерии способны окислять кислородом ион Fe2 + в ион Fe3 +, образуя . Эта единственная реакция дыхания питает все потребляющие энергию процессы, в том числе синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 . Описаны бактерии, использующие только свет в качестве энергетических ресурсов. Но, пожалуй, наиболее удивительна энергетика бактерии Propionigenium modestum, обнаруженной недавно в иле морского пролива неподалеку от Венеции. У этой бактерии нет ни фотосинтеза, ни дыхания, ни гликолиза. Вся необходимая энергия черпается из единственной реакции декарбоксилирования янтарной кислоты в пропионовую. Этот процесс сопряжен с генерацией , которая утилизируется для совершения осмотической работы либо превращается в АТФ посредством Na+-АТФ-синтазы. Propionigenium modestum живет в анаэробных условиях вместе с другими бактериями, образующими янтарную кислоту в качестве конечного продукта брожения.

В то же время гораздо чаще встречаются случаи, когда живая клетка располагает несколькими источниками энергии. Так, животные и некоторые виды бактерий могут использовать для энергообеспечения как дыхание, так и гликолиз. В клетках растений и фотосинтезирующих бактерий к этим двум процессам добавляется еще и фотосинтез. Однако, как правило, даже и в этих более сложных случаях какой-то один процесс доминирует в каждый конкретный момент времени, чтобы смениться другим при изменении условий.

22. Пряма і непряма калориметрія – дати визначення та пояснити мету застосування.

Прямая и непрямая калориметрия. Обмен веществ и энергии является по существу единым процессом.

Количество энергии, выделяемой организмом за определенный промежуток времени, выражаются в единицах теплоты – джоулях. Определить количество освобождающейся в организме энергии можно методами прямой и непрямой калориметрии.

Прямая калориметрия. Прямая калориметрия производится с помощью специальных аппаратов – калориметрических камер. В такой камере стенки не проводят тепло. По потолку камеры проходит система трубок с водой. Животное на определенное время помещают в такую камеру. Теплота, выделяемая организмом, нагревает воду в системе трубок. Измеряют температуру воды, поступающей в трубки и вытекающей из них; определяют разность температур и количество протекшей воды. Это дает возможность прямо получить данные о количестве джоулей теплоты, выделенных организмом.

Показатели полученные методом прямой калориметрии, точные. Но метод этот весьма сложен, громоздок, а главное не дает возможности измерять энергетические затраты организма при любых видах деятельности.

Проще производить расчеты расхода энергии методом непрямой калориметрии.

Непрямая калориметрия. Источником энергии в организме служат окислительные процессы, при которых потребляется кислород и образуется углекислый газ. Чем больше организм освобождает энергии, тем интенсивнее в нем идут окислительные процессы, следовательно, тем больше организм потребляет кислорода и выделяет углекислого газа. Поэтому об энергетических процессах в организме можно судить не только по количеству теплоты отдаваемой в окружающую среду, как это делают при прямой калориметрии, но и по количеству поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, т.е. по величине газообмена.

Для определения количества поглощенного кислорода и выделившегося углекислого газа пользуются различными приспособлениями.

Дыхательная маска через систему клапанов соединяется с мешком из воздухонепроницаемой ткани, укрепляемым на теле животного. Клапаны дают возможность свободно вдыхать атмосферный воздух, а выдыхаемый воздух направляют в мешок. Выдохнутый воздух из мешка пропускают через газовый счетчик для определения его объема, а затем химическим путем определяет процентное содержание кислорода и углекислого газа. Зная состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, можно рассчитать количество поглощенного кислорода и выдохнутого углекислого газа.

Зная величину газообмена, можно вычислить расход энергии в организме в джоулях.

Поступают при этом так: по количеству потребленного кислорода и выделившегося углекислого газа определяют дыхательный коэффициент. Затем по таблицам устанавливают количество джоулей теплоты, образующейся при поглощении 1 л кислорода и выделении 1 л углекислого газа при данном дыхательном коэффициенте. Полученную величину умножают на количество литров поглощенного кислорода. Таким образом определяют количество теплоты, выделенной организмом за определенное время.

Количество теплоты, образующейся при поглощении 1 л кислорода, при разном дыхательном коэффициенте.

Метод назван непрямой калориметрией потому, что мы о количестве теплоты, выделенной организмом, судим по количеству поглощенного кислорода (или выделившегося углекислого газа).

23. Приблизний добовий розподіл енергії організму людини у відсотках: на основний обмін, термічний ефект, фізичну активність.

Величина основного обмена (ВОО) – это минимальное количество калорий, необходимых для поддержания жизнедеятельности организма в состоянии полного покоя. Проще говоря, это то количество энергии (измеряется в калориях), которое тело затратит, если Вы будете спать целый день. Основной обмен может сжигать до 70% от общего количества затрачиваемых калорий, но эта цифра изменяется в зависимости от различных факторов (о них мы поговорим ниже). Калории расходуются на различные физиологические процессы, такие как дыхание, циркуляция крови и поддержание нужной температуры тела. Естественно, что в среднем тело затрачивает больше калорий, чем составляет ВОО.

Основной обмен веществ является одним из важнейших факторов, определяющих интенсивность обмена веществ в целом. Этот показатель подсказывает нам, сколько калорий нужно организму, чтобы сохранить вес, сбросить его или набрать. Величина основного обмена определяется комбинацией генетических (внутренних) и внешних факторов, таких как:

Генетика. Одни люди рождаются с более быстрым обменом веществ, другие с более медленным.

Пол. У мужчин больше мышечной массы и меньше жира в организме. Это значит, что у них больше величина основного обмена.

Возраст. С возрастом основной обмен веществ замедляется. После 20-летнего возраста, каждые десять лет этот показатель снижается в среднем на 2%.

Вес. Чем больше вес человека, тем больше ВОО.

Площадь поверхности тела. Это соотношение Вашего роста и веса. Чем больше общая площадь поверхности Вашего тела, тем выше у Вас ВОО.

У высоких, худых людей ВОО больше. Если сравнить высокого и низкого человека с одинаковым весом, которые потребляют одинаковое количество калорий для поддержания веса, то мы сможем заметить, что через год вес более высокого человека останется неизменным, зато вес человека пониже может увеличиться приблизительно на 7 кг.

Процент жировых отложений. Чем он меньше, тем больше ВОО. Именно меньший процент жировых отложений у мужчин является причиной, по которой интенсивность их основного обмена больше, чем у женщин.

Диета. Голодание или резкое сокращение количества потребляемых калорий может снизить величину основного обмена на 30%. Низкокалорийная диета для потери веса может привести к снижению ВОО на 20%.

Температура тела. При увеличении внутренней температуры тела на полградуса, ВОО увеличивается примерно на 7%. Чем выше температура тела, етм быстрее присходят химические реакции в организме. Поэтому ВОО пациента с температурой 42°C увеличится приблизительно на 50% .

Внешняя температура. Температура окружающей среды также влияет на основной обмен. Воздействие холодных температур приводит к увеличению ВОО, ведь организму нужно выделять больше тепла для поддержания необходимой внутренней температуры тела. Непродолжительное пребывание в условиях высокой температуры имеет небольшое влияние на метаболизм, т.к. температура компенсируется за счёт возросшей теплоотдачи. Но длительное пребывание на жаре может также повысить ВОО.

Гормоны. Тироксин (производится в щитовидной железе) является одним из ключевых регуляторов ВОО. Он ускоряет метаболическую активность тела. Чем больше вырабатывается тироксина, тем выше ВОО. Если организм производит его слишком много (это состояние известно как тиреотоксикоз) ВОО может возрасти вдвое. Если его слишком мало (микседема), ВОО может уменьшится на 30-40% по сравнению с нормой. Как и тироксин, адреналин также увеличивает ВОО, но в меньшей степени.

Упражнения. Физические упражнения не только влияют на вес, сжигая калории, но и помогают повысить интенсивность основного обмена за счет увеличения объемов мышечной массы.

Кратковременные факторы, влияющие на общий обмен

Высокая температура, вызванная воспалительным процессом, высокий уровень гормонов стресса в организме, а также увеличение или уменьшение температуры окружающей среды приводят к увеличению ВОО. Пост, голодание или недоедание снижают ВОО. Снижение ВОО может быть единственным побочным эффектом диеты. Низкоуглеводная диета не будет так эффективна, как она же в сочетании с физическими нагрузками.

Суточный обмен веществ

Первый шаг на пути создания собственной диеты – это подсчитать, какое количество калорий Вы сжигаете за сутки, т.е. Ваш общий ежедневный расход энергии в калориях. Знание данной величины положит начало формированию вашего правильного питания. Физиологи Уильям МакАрдл и Франк Качи установили, что средний ежедневный расход энергии для женщин в США составляет 2000-2100 калорий в день, а для мужчин - 2700-2900 в день. Но это средний показатель, количество затраченных калорий может значительно изменяться. Например, у атлетов или людей, активно занимающихся спортом этот показатель будет выше. Некоторым триатлонистам и атлетам, у которых чрезвычайно высокие нагрузки, необходимо не менее 6000 калорий каждый день и даже больше!

Методы определения потребности в калориях

Существуют различные формулы, которые Вы можете использовать для определения суточной потребности в калориях. Они учитывают возраст, пол, рост, вес, мышечную массу тела и уровень активности. Любая формула, которая принимает во внимание Вашу мышечную массу тела (ММТ) даст вам наиболее точное вычисление Ваших энергозатрат, но даже не учитывая ММТ, вы все еще можете получить достаточно точную информацию.

Быстрым и простым методом для определения потребности в калориях является расчёт, исходя из общей массы тела.

Сжигание жира: 26-29 калорий на 1 кг массы тела

Поддержание веса: 33-35 калорий на 1 кг массы тела

Увеличение веса: = 40-45 калорий на 1 кг массы тела

Это очень простой способ, который помогает оценить потребность в калориях. Но есть и очевидные недостатки этого метода, ведь он не учитывает уровень активности и комплекцию. Чрезвычайно активным людям может потребоваться гораздо больше калорий, чем показывает данная формула. Кроме того, чем больше мышечная масса, тем больше будет потребность в калориях.

Так как здесь не учитывается степень ожирения, формула может преувеличить потребность в калориях для людей с избыточным весом. Например, 50-летняя женщина, которая ведёт малоактивный образ жизни, весит 117 кг, а её общее количество жира составляет 34%. Она никогда не сможет сбросить вес, потребляя 3000 калорий каждый день.

Вычисления на основе величины основного обмена

Гораздо более точный метод расчета заключается в определении ВОО (величины основного обмена), при этом используется несколько факторов, в том числе рост, вес, возраст и пол. Затем, для определения суточной потребоности в калориях, ВОО умножается на уровень активности. Напомним, что ВОО – это общее количество калорий, необходимое Вашему телу для нормального функционирования в спокойном состоянии. Сюда входят сердцебиение, дыхание, переваривание пищи, создание новых клеток крови, поддержание нужной температуры тела и все остальные метаболические процессы в Вашем организме. Другими словами, Ваша ВОО - это вся энергия, используемая для поддержания жизни организма. Около 2/3 от суточной потребности в калориях – это ВОО. Интенсивность общего обмена может значительно варьироваться у разных людей, в зависимости от генетических факторов. Если кто-то говорит, что может есть что угодно и при этом не поправляться, это значит, что у этого человека наследственная высокая интенсивность общего обмена.

Самая низкая ВОО – во время сна, когда организм не перерабатывает пищу. Стоит отметить, что, чем больше Ваша мышечная масса тела, тем больше Ваша ВОО. Это очень важная информация, если Вы хотите сбросить вес. Чем больше у Вас мышц, тем больше калорий Вы будете сжигать.

Мышцы - это метаболически активные ткани, и даже для того, чтобы поддерживать их массу постоянной, требуется много энергии. Очевидно, что один из отличных способов увеличить интенсивность основного обмена – это заняться бодибилдингом, т.е. тренировки направленные на рост и укрепление мышечной массы.

Формула Гарриса-Бенедикта (ВОО на основе общей массы тела)

Уравнение Гарриса-Бенедикта – это формула для подсчёта калорий, в которой учитываются рост, вес, возраст и пол для определения основного обмена (ВОО). Это делает ее более точной, чем определение потребности в калориях только лишь на основе общего веса. Единственный критерий, который здесь не использован – это мышечная масса. Таким образом, это уравнение будет очень точным для всех, за исключением людей с чрезмерно большой мышечной массой (потребность в калориях будет занижена), и людей с ожирением (потребность в калориях будет завышена).

Мужчины: ВОО = 66 + (13.7 х вес в кг) + (5 х рост в см) - (6.8 х возраст в годах)

Женщины: ВОО = 655 + (9.6 х вес в кг) + (1.8 х рост в см) - (4.7 х возраст в годах)

Теперь Вы знаете свою ВОО и можете высчитать суточную потребность в калориях (СПК). Для этого нужно умножить ВОО на коэффициент активности, используя приведённую ниже таблицу:

Коэффициенты активности:

Сидячий образ жизни = ВОО х 1.2 (мало или совсем не делаете упражнения, сидячая работа)

Небольшая активность = ВОО х 1.375 (небольшая физическая нагрузка/ занятия спортом 1-3 раза в неделю)

Умеренная активность = ВОО х 1.55 (достаточно большая физическая нагрузка / занятия спортом 3-5 раз в неделю)

Высокая активность = ВОО х 1.725 (большая физическая нагрузка/ занятия спортом 6-7 раз в неделю)

Очень высокая активность = ВОО х 1.9 (очень большая ежедневная физическая нагрузка/ занятия спортом и физическая работа или тренировки 2 раза в день, например, марафон, соревнования)

Формула Кетча-МакАрдла (ВОО на основе мышечной массы тела)

Если Вы проверяли и точно знаете, какова мышечная масса Вашего тела, то Вы можете получить самую точную оценку ВОО. Формула Кетча-МакАрдла учитывает мышечную массу и, следовательно, является более точной, чем формула, учитывающая только общую массу тела. В уравнении Гарриса- Бенедикта отдельные формулы для мужчин и женщин, поскольку у мужчин, как правило, мышечная масса тела (ММТ) больше. Поскольку формула Кетча-МакАрдла основана на ММТ, она применяется в равной степени как к мужчинам, так и к женщинам.

Как Вы могли заметить, разница между значениями, рассчитанными по двум формулам невелика (2075 калорий против 2033 калорий), так как человек, которого мы рассматривали в качестве примера имеет средний размер и состав тела. Основным преимуществом расчета, учитывающего мышечную массу, является то, что он с большей точностью показывает суточную потребность в калориях (СПК) для очень мускулистых или, наоборот, страдающих ожирением людей.

24. Тепловий баланс організму, первинне і вторинне тепло.

Количество выделяемого организмом тепла зависит от физического напряжения, возраста человека и состояния его здоровья. В спокойном состоянии в результате нормального обмена веществ здоровый человек теряет в окружающую воздушную среду приблизительно 114,6 Дж/с при температуре тела около 37 °С. При нормальных температуре и относительной влажности внутри помещения человек в состоянии покоя теряет приблизительно 45 г/ч влаги. Часть ее уходит с выдыхаемым воздухом, а часть испаряется с наружного кожного покрова. На испарение этого количества влаги организм затрачивает около 58 Дж/с. Остальные 86 Дж/с, отдаваемые человеком, находящимся в состоянии покоя, передаются путем конвекции и лучеиспускания (радиации) окружающему воздуху и поверхностям. В помещении, где температура воздуха и поверхностей равна 20 °С, отдача конвекцией составляет около 25 % общей отдачи тепла, или приблизительно 28,7 Дж/с, и около 57,3 Дж/с отдаются лучеиспусканием.

Количественное соотношение теплопродукции (химическая терморегуляция) и теплоотдачи (физическая терморегуляция) определяется соотношением теплового баланса. Если приход и расход тепла сбалансированы, оно не накапливается в организме, если не сбалансированы, тепло накапливается в организме, что может привести к тепловому удару или, наоборот, к переохлаждению организма. Теплообмен не меняется в пределах температуры воздуха 15—25 °С. Наиболее благоприятная температура в цехе летом 18—25 °С, зимой 17—22 °С.

Терморегуляция зависит не только от безусловных раздражителей— тепла, холода, скорости движения воздуха и его влажности, но и от целого ряда условных раздражителей — мышечной деятельности, положения тела, привычных раздражителей, освещения, окраски помещений, оборудования и т. д

При различных расстройствах процесса распада простых и сложных органических веществ, имеющих разный запас богатых энергией химических связей, возможно нарушение выделения энергии в виде либо первичного, либо вторичного тепла.

- Первичное тепло образуется в результате диссимиляции поступивших в организм или вновь образованных в нём веществ.

- Вторичное тепло образуется в результате расходования на те или иные жизненные процессы ранее запасённых макроэргов (КРФ, АТФ, АДФ).

Нарушения энергетического обмена обычно проявляются изменением:

- количества и соотношения макроэргических соединений;

- скорости обновления макроэргов;

- напряжения кислорода в тканях;

- характера и интенсивности клеточного дыхания, процессов биологического окисления, главным образом интенсивности окислительного фосфорилирования (осуществляемого преимущественно в митохондриях), аэробного и анаэробного гликолиза (осуществляемого преимущественно в гиалоплазме),

- структурного состояния и проницаемости мембран митохондрий, ядра, лизосом и других внутриклеточных органелл, а также клеточных мембран.

25. Навести та пояснити розрахунок теплового балансу організму людини.

Параллельно с совершением работы организм преобразует свободную энергию питательных веществ в тепло. В конечном итоге вся энергия, полученная организмом с пищей, превращается в тепловую и в такой форме отдается им окружающей среде. Принято выделять несколько этапов в этом теплообразовании. Прежде всего, тепловые потери присущи биологическому окислению питательных веществ, в ходе которого синтезируется АТФ. Выделяющуюся при этом тепловую энергию называют первичным теплом. Все остальное теплообразование (при синтезе макромолекул, поддержании градиентов за счет активного транспорта веществ, биоэлектрогенезе, мышечных сокращениях, других формах двигательной активности и т.п. – вторичное тепло.

Тепловой баланс организма или первое начало термодинамики для биологических систем Где теплопродукция M = Σ Qi

26. Навести та пояснити розрахунок тепловтрат від конвекції.

k_c – не стабільна величина, що залежить від k_T, швидкості і характеру руху контактного середовища

27. Навести та пояснити розрахунок тепловтрат від безпосереднього контакту з гарячою чи холодною поверхнею.

Перенос теплової енергії контактним шляхом, за рахунок теплопровідності розраховується за формулою :

Q_T – кількість тепла; k_T - коефіцієнт (константа) теплопровідності контактуючого з тілом середовища;

T_н - температура поверхні тіла; Tс - температура оточуючого середовища; l - товщина шару через який переноситься тепло; s - поверхня контакту; t - час теплообміну.

28. Навести та пояснити розрахунок тепловтрат від теплового випромінення.

29. Навести та пояснити розрахунок тепловтрат від випаровування поту.

Тепло, отдаваемое организмом путем испарения, вычисляется по формуле:

Где L — удельная теплота испарения (для воды L - 2,25 • 106 Дж/кг что приблизительно составляет 530 ккал/кг); m — масса жидкости, испарившейся с поверхности тела. Для пота L равна примерно 580 ккал /кг.

Теплоотдача осуществляется только при испарении жидкости с поверхности тела. Если геловек выделяет много пота, но условий для его испарения нет, то теплоотдача не происходит.

С кожных покровов человека испаряется не только пот. Постоянно происходит испарение интерстициальной (межклеточной) жидкости, которое получило наименование «не-ощущаемое испарение» (perspiratio insensibilis). Оно составляет около 0,4—0,6 л в сутки. За счет него человек ежесуточно отдает в окружающую среду около 1 кДж или 260 ккал. Со слизистой дыхательных путей + ещё 0,3-0,4 со слизистых дых.п.

30. Навести розрахунки та пояснити формули тепловтрат з урахуванням термоізолюючих властивостей одягу.

31. Навести розрахунки та пояснити формули тепловтрат з урахуванням швидкості вітру.

Для голого тела:

32. Класифікація приладів для вимірювання температури.

33. Принцип роботи терморезисторів.

34. Принцип роботи термопари.

35. Правило Магнуса, правило адитивності термо-ЕРС по температурі і матеріалам.

36. Термоелектричні співвідношення Зеєбека, Пельтье, Томпсона .

37. Принцип роботи напівпровідникових термометрів.

38. Принцип роботи безконтактних термодатчиків.

39. Принцип роботи та діагностичні можливості тепловізора .

Теплови́зор — устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров — 0,1 °C. Более подробная информация доступна в разделе Термография.

В наиболее бюджетных моделях тепловизоров, информация записывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком или персональным компьютером и программным обеспечением, позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме реального времени.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Первые просто делают изображение в инфракрасных лучах видимым в той или иной цветовой шкале. Измерительные тепловизоры, кроме того, присваивают значению цифрового сигнала каждого пиксела соответствующую ему температуру, в результате чего получается картина распределения температур.

Разработки тепловизоров для медицины были начаты в СССР в НПП «Исток» (г. Фрязино Московской обл.) в 1968 году. В 1980-е годы были разработаны методы применения тепловизоров для диагностики различных заболеваний. Выпускаемый в те годы отечественной промышленностью тепловизор ТВ-03 имел широкое применение в различных лечебно-профилактических учреждениях. ТВ-03 был первым тепловизором, нашедшим применение в нейрохирургии.

С 2008—2009 гг. тепловизоры начали также активно использовать для выделения из толпы лиц инфицированных вирусом гриппа

Тепловизоры делятся на:

Стационарные. Предназначены для применения на промышленных предприятиях для контроля за технологическими процессами в температурном диапазоне от −40 до +2000 °C. Такие тепловизоры, зачастую имеют азотное охлаждение, для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры. Основу таких систем составляют, как правило, тепловизоры третьего поколения, собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников.

Переносные. Новейшие разработки в области применения тепловизоров на базе неохлаждаемых микроболометров из кремния, позволило отказаться от использования дорогостоящей и громоздкой охлаждающей аппаратуры. Эти приборы обладают всеми достоинствами своих предшественников, таких как малый шаг измеряемой температуры (0,1 °C), при этом позволяют применять тепловизоры в сложных оценочных работах, когда простота использования и портативность играют очень большую роль. Большинство портативных тепловизоров имеют возможность подключения к стационарным компьютерам или ноутбукам для оперативной обработки поступающих данных.

Тепловизры часто путают с приборами ночного видения, хотя разница между ними существенна. Классический прибор ночного видения позволяет ориентироваться при низком уровне освещенности, усиливая свет, попадающий в объектив. Во многих случаях яркий объект, оказавшийся в поле зрения, «слепит» прибор. С этим пытаются бороться, иногда — хорошо, иногда — в недорогих массовых приборах — не очень. Тепловизор же в свете не нуждается. Он, конечно, может быть использован в качестве прибора ночного видения, только задача здесь решена иначе. Известная философская конструкция о темноте как об отсутствии света взята в тепловизионной технике на вооружение: смотрим на то, что есть, в данном случае на тепло.

40. Дати визначення понять: «сплячки, анабіозу, абіозу, криптобіозу, діапаузи, торпедного стану, ангідробіозу».

Спя́чка (зимняя — гибернация, летняя — эстивация) — период замедления жизненных процессов и метаболизма у гомойотермных животных в периоды малодоступности пищи и, соответственно, невозможности сохранения активности и высокого уровня метаболизма. Характеризуется снижением температуры тела, замедлением дыхания и частоты сердцебиения, торможением нервной деятельности (т. н. «глубокий сон») и других физиологических процессов.

Анабиоз (лат. anabiosis — оживление, от др.-греч. ανα- — «вновь» и βιος — «жизнь») — cостояние живого организма, при котором жизненные процессы (обмен веществ и др.) настолько замедлены, что отсутствуют все видимые проявления жизни. Термин предложен в 1873 году немецким ученым Вильгельмом Прейером (?) в его сводке по исследованию феномена временного прекращения жизнедеятельности.

Анабиоз наблюдается при резком ухудшении условий существования (низкая температура, отсутствие влаги и др.). При наступлении благоприятных условий жизни происходит восстановление нормального уровня жизненных процессов. Наиболее устойчивы к высушиванию, нагреванию, охлаждению спорообразующие бактерии, грибы, простейшие (образующие цисту). У многоклеточных организмов угнетение жизнедеятельности и ее почти полная остановка вошли в нормальный цикл развития — семена, споры.

Животные, впадающие в анабиоз, могут терять ½ и даже ¾ заключённой в тканях воды. Анабиоз по сравнению с оцепенением и спячкой сопровождается более глубоким подавлением жизнедеятельности.

Явление анабиоза при высушивании и охлаждении используется для приготовления сухих живых вакцин, длительного хранения клеточных культур, консервирования тканей и органов.

Имеются данные о возможности введения млекопитающих в состояние анабиоза с помощью таких газов, как углекислый газ, аргон, сероводород и пр.

АБИОЗ — 1. Безжизненное состояние. 2. Один из основных способов консервирования продуктов, основанный на полном уничтожении микроорганизмов.

Абиоз -отсутствие жизни -безжизненное состояние. Абиотические фактроы - природные факторы, не связанные с жизненными процессами -ветер, солнечная радиация и т.д.

Криптобиоз — замедление жизненных функций организма.

Диапауза (от др.-греч. διάπαυσις — перерыв, остановка) — состояние физиологического торможения обмена веществ и остановки формообразовательных процессов. Сигнал к переходу в диапаузу — это уменьшение продолжительности светового времени суток.

Во время диапаузы повышается устойчивость организма к действию неблагоприятных внешних условий, например насекомые становятся устойчивыми к инсектицидам. Окончание диапаузы связано с изменениями в организме, которые могут определяться длительным действием низкой зимней температуры; диапауза обеспечивает морозостойкость и зимовку организмов. В условиях засушливого климата субтропиков и тропиков наблюдается летняя диапауза — так называемая эстивация, например у розового червя и хлопковой совки.

АНГИДРОБИОЗ - частный случай анабиоза, когда организмы могут выживать без воды

41. Визначення поняття «гіпотермія» та пояснити її вплив на організм людини .

Гипотерми́я (от др.-греч. ὑπο «снизу, под» + θέρμη «тепло»), переохлаждение — состояние организма, при котором температура тела падает ниже, чем требуется для поддержания нормального обмена веществ и функционирования. У теплокровных животных, в том числе, человека, температура тела поддерживается приблизительно на постоянном уровне благодаря биологическому гомеостазу. Но, когда организм подвергается воздействию холода, его внутренние механизмы могут оказаться не в состоянии пополнять потери тепла.

42. Фізіологічна реакція організму людини на гіпотермію.

При гипотермии скорость обмена веществ в организме снижается, что приводит к уменьшению потребности в кислороде. Это обстоятельство используется в медицинской практике, когда применяют искусственную местную или общую гипотермию. К местной гипотермии прибегают для лечения кровотечений, травм и воспалений. Общую гипотермию организма применяют при операциях на сердце, при лечении черепно-мозговой травмы, внутричерепных кровоизлияниях.

Состояние гипотермии является противоположностью гипертермии, которое приводит к тепловому удару.

43. Визначення поняття «гіпертермія» та пояснити її вплив на організм людини .

Гипертермия (от др.-греч. ὑπερ- — «чрезмерно» и θέρμη — «теплота») — перегревание, накопление избыточного тепла в организме человека и животных с повышением температуры тела, вызванное внешними факторами, затрудняющими теплоотдачу во внешнюю среду или увеличивающими поступление тепла извне.

Медицинская гипертермия — это вид термотерапии, основанный на контролируемом, временном повышении температуры тела, отдельного органа или части органа, пораженного патологическим процессом, свыше 39 °C до 44-45°С. Верхняя граница гипертермии ограничена температурой, при которой, по существующим представлениям, объемный кровоток в нормальных тканях падает вследствие развития диссеминированного внутрисосудистого свёртывания. Гипертермия в тканях опухоли ведет к её тепловому повреждению.

44. Фізіологічна реакція організму людини на гіпертермію.

Гипертермия сопровождается повышением и качественными нарушениями обмена веществ, потерей воды и солей, нарушением кровообращения и доставки кислорода к мозгу, вызывающими возбуждение, иногда судороги и обмороки.

Наибольшую опасность гипертермия представляет для людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями, в этих случаях возможен даже смертельный исход.

Искусственная гипертермия применяется при лечении некоторых нервных и вяло текущих хронических заболеваний, а также в комплексной радиотерапии опухолей.

Различают:

• Локальную Искусственную Гипертермию (LG)

• Общую Управляемую Гипертермию (WBGT).

Данная технология лечения используется в основном как сенсибилизатор лучевого и химиотерепевтического воздействия на опухоль или метастазы опухолей. Технология имеет ограниченное распространение из-за высокой технической сложности и неясности механизмов воздействия на заболевание. В СССР пионером использования гипертермии в медицине являлся профессор Белюзек (Ленинград). Целая школа гипертермии была создана в Белорусском республиканском онкологическом центре. В России основными центрами лечебной гипертермии являются Н.Новгород, Новосибирск.

Согласно сообщениям СМИ, процедура искусственной гипертермии запрещена Минздравом РФ.

45. Вплив температури тіла людини на обмін речовин та споживання кисню. (правило Q10).

ТЕРМОГЕНЕЗ Увеличение энергетических трат организма наблюдается при понижении температуры окружающей среды. В этих условиях организм в несколько раз увеличивает интенсивность процессов распада для освобождения энергии, используемой на поддержание постоянной температуры тела. На увеличение затрат энергии влияет не только температура окружающей среды, но и температура тела человека. При повышении температуры тела увеличивается потребление кислорода или уровень обмена. На каждый градус повышения температуры уровень обмена увеличивается на 10-13%, это явление называется эффект Q10. Так, у больного при t = 40° потребление кислорода или уровень обмена веществ на 30-35% выше только из-за подъема температуры тела. Исходя из этого, ряд рекомендаций при снижении веса:Старайтесь даже в холодное время не одеваться очень тепло, это заставит наш организм тратить дополнительно энергию на поддержание температуры тела.Принимайте холодный душ (прохладный).Когда пьете воду, пейте ее охлажденной или со льдом.В парилке в соответствии с эффектом Q10 повышается активность обмена веществ, поэтому парилка благотворно влияет на процессы снижения веса, помогая не только вывести избыток жидкости из организма, но активизировать обмен веществ в организме.