§ 4. Применение первого закона термодинамики к биологическим системам

Всем живым организмам для роста и функционирования необходима энергия. Растения и некоторые бактерии исполь­зуют энергию солнца g помощью процесса фотосинтеза. Живые организмы получают энергию за счет окисления пищевых продуктов.

Чтобы доказать применимость первого закона термодина­мики к живым организмам, необходимо показать, во-первых, что организм не является источником новой энергии и, во-вторых, что все виды работ организм производит за счет энер­гии, выделяемой при окислении питательных веществ.

Еще в XVIII в. А. Лавуазье и П. Лаплас изучали тепло­обмен морской свинки g помощью ледяного калориметра. Они пришли к выводу, что количество выделяемой морской свин­кой теплоты эквивалентно количеству теплоты, выделяющейся при сжигании продуктов питания свинки в калориметриче­ской бомбе.

В настоящее время энергетический баланс организма изу­чается методами прямой и непрямой калориметрии. При пря­мой калориметрии человека помещают в изолированную ка­меру, в которой определяют количество теплоты, излучае­мой живым организмом при различных процессах нормальной физиологической деятельности. Вместе с тем определяют ко­личество выделяющегося углекислого газа и других продук­тов метаболизма, а также расход кислорода и питательных веществ. Эти данные используются в расчетных методах не­прямой калориметрии, где на основании установленных ды­хательных коэффициентов и калорического эквивалента ки­слорода определяются энергетические затраты организма.

Дыхательный коэффициент — это соотношение между объемом выделяемого углекислого газа и поглощенного кис­лорода. Для углеводов он равен 1,0, белков — 0,8, жиров — 0,7. Количество теплоты, которое выделяется при утилизации 1 л кислорода, называется калорическим эквивалентом кисло­рода. Для углеводов он равен 21,2 кДж, белков — 20,09, жиров — 19,6 кДж.

Результаты определения энергетического баланса человека методами прямой и непрямой калориметрии совпадают б точ­ностью до 1 — 3 %.

Исследования показывают, что живой организм не продуцирует новую энергию, что закон сохранения энергии, или первое начало термодинамики, можно применять для описания энергетического состояния живых систем со следующей конкретной формулировкой: все виды работ в организме совершаются за счет эквивалентного количества энергии, выделяющейся при окислении питательных веществ.

Калорийность пищевых продуктов также определяется на основании методов термохимии. В среднем ценность фи­зиологического горючего пищевых продуктов трех основных классов такова: углеводов — 19,8 кДж/г, белков — 16,8, жиров — 37,8 кДж/г.

Для смешанной пищи нельзя дать ни химических формул, ни точного химического состава. Ее максимальная калорий­ность определяется сжиганием в калориметрической бомбе. Однако полученные таким путем значения теплоты сгорания не дают точного представления о физиологически доступной энергии продуктов питания, поскольку в организме они не обя­зательно окисляются до CO₂, H₂O и N₂. Большая часть про­дуктов азотистого обмена выделяется в виде мочевины или других продуктов неполного окисления, содержащихся в мо­че и экскрементах. Основная часть доступной энергии пищи задерживается в организме в виде химической энергии, а не выделяется в виде теплоты.

В процессе эволюции живых организмов выработалась определенная последовательность и скорость биологического окисления, обеспечивающего организм необходимым запасом энергии. Эта энергия накапливается в макроэргических свя­зях некоторых фосфорсодержащих веществ организма: креа-тинфосфата, ацетилфосфата, фосфоглицератов, АТФ и др. Главным из этих соединений является аденозинтрифосфат — АТФ, называемый «энергетической валютой организма». По мере необходимости энергия, содержащаяся в макроэрги­ческих связях, расходуется на построение клеток, синтез бел­ков, механическую работу мышц, сердца и т. д.

На основании данных о калорийности пищевых продуктов составляются научно обоснованные нормы потребностей в пи­щевых веществах для отдельных групп населения с учетом энергетических затрат. Нормы учитывают возраст и пол че­ловека, характер его труда и быта, а также климатические особенности той местности, где человек проживает. В 1982 г. Министерство здравоохранения СССР утвердило новые «Нормы физиологических потребностей в пищевых веществах и энергии для различных групп населения СССР». Пользуясь этими данными как средними величинами, врач может составить отдельные нормы питания для каждого пациента.

Законы и методы термохимии применяются для изучения тепловых эффектов различных биохимических реакций in vitro. Термохимический анализ в последние годы стал применяться для исследования стадий биологического окисления, мышечного сокращения и некоторых физиологических процес­сов в клетках. Сравнение энергетики здоровых и больных клеток позволяет изучать различные патологические явления, разрабатывать диагностику и методы лечения некоторых заболеваний на ранних стадиях.

К настоящему времени достаточно глубоко изучена энергетика процесса ожирения. Ученые-медики, зная концентрации в крови таких веществ, как глюкоза, инсулин, жирные кислоты, холестерин и др., могут делать заключение о том, как протекает обмен веществ в организме.

Первое начало термодинамики имеет большое философское значение. Утверждая неисчезаемость энергии, он тем самым обосновывает и неисчезаемость материи. Процессы превраще­ния материи неразрывно связаны с превращением энергии.