Размещено на http://www.allbest.ru

ОСНОВНІ ВИДИ РОБОТИ, ЯКІ ЗДІЙСНЮЮТЬСЯ В ЖИВОМУ ОРГАНІЗМІ

Усі живі організми існують за рахунок одержання ними енергії з навколишнього середовища. Рослини використовують енергію світла, яке надходить від Сонця. Тварини використовують енергію, яка надходить з їжею. У процесах життєдіяльності ця отримана енергія частково витрачається на здійснення різного виду робіт, а частково розсіюється у вигляді тепла. Здійснення будь-якої роботи організмом - це корисне використання енергії, отриманої ззовні. Виділену ним теплоту, в основному, можна віднести до другорядних, але неминучих втратах енергії, які відбуваються в результаті різних процесів, що перебігають в організмі. Таким чином, вивчення життєдіяльності організму або його окремих частин потребує кількісного опису процесів перетворення одних видів енергії в організмі в інші, зв'язку цих перетворень енергії зі здійсненням роботи та передачею теплоти. Саме ці питання вивчаються в розділі фізики, який називається термодинамікою.

Термодинаміка вивчає взаємні перетворення різних видів енергії в макроскопічних системах, що пов'язані з передачею теплоти або (та) зі здійсненням роботи. тіло енергія організм термодинаміка

Тіло (або система тіл, або, навпаки, частина тіла), що розглядається з погляду перебігу в ньому зазначених процесів, називається термодинамічною системою. Усе, що існує поза цією системою (тобто вся інша частина всесвіту), вважається навколишнім середовищем. Говорячи надалі про системи, ми будемо мати на увазі саме термодинамічні системи. Розрізняють такі види систем: ізольовані, закриті та відкриті [5].

Ізольовані системи не обмінюються з навколишнім середовищем ані енергією, ані речовиною. Закриті системи обмінюються з навколишнім середовищем енергією, але не обмінюються речовиною. Відкриті системи обмінюються з навколишнім середовищем і енергією, і речовиною.

Процеси перетворення енергії в термодинамічних системах, обміну енергією із зовнішнім середовищем, здійснення системою роботи підкоряються універсальному (тобто притаманому для всіх процесів у всесвіті) закону збереження енергії. Закон збереження енергії, сформульований щодо процесів, які розглядаються термодинамікою, називається першим законом термодинаміки. Перш ніж сформулювати цей закон, необхідно згадати деякі поняття.

Розглянемо спочатку внутрішню енергію системи. Якщо казати точно, то внутрішня енергія системи - це вся її енергія крім кінетичної енергії системи як цілого (кінетичної енергії центра мас системи) та потенціальної енергії взаємодії системи з навколишнім середовищем. Таким чином, до внутрішньої енергії системи входить і кінетична енергія теплового руху молекул системи (тобто їхнього руху відносно центра мас системи), і потенціальна енергія взаємодії молекул системи між собою, і енергія взаємодії атомів у молекулах, і енергія взаємодії електронів атомів з їхніми ядрами, і т. ін. Однак у термодинаміці зазвичай під внутрішньою енергією розуміють ту частину внутрішньої енергії, яка може змінюватися при термодинамічних процесах. Це означає, що, з погляду термодинаміки, внутрішня енергія - це кінетична енергія теплового руху молекул системи та потенціальна енергія взаємодії молекул системи між собою. Разом з тим, біологічна термодинаміка повинна враховувати й процеси перетворення енергії хімічного зв'язку атомів у молекулах у тепло й у роботу [1].

Термодинаміка розглядає зміни внутрішньої енергії системи, які відбуваються внаслідок або здійснення роботи (роботи системи проти зовнішніх сил або роботи зовнішніх сил над системою), або передачі теплоти від однієї системи до іншої. Напрямок передачі теплоти визначається температурами взаємодіючих систем. Тепло завжди переходить від системи з вищою температурою до системи з нижчою температурою. За рахунок теплоти, що передана системі, може змінюватися її внутрішня енергія, системою може виконуватися робота, можуть відбуватися обидва ці процесі. Процес передачі теплоти системі (системою), не пов'язаний зі здійсненням системою роботи, називається теплообміном, або теплопередачею.

Для кількісної характеристики процесу теплообміну використовується поняття кількості теплоти. Кількість теплоти - це кількість енергії, що передана системі (або віддана системою) при теплообміні. Енергія, передана при теплообміні, йде на зміни внутрішньої енергії системи. Тому говорять, що кількість теплоти - це фізична величина, яка дорівнює зміні внутрішньої енергії системи при теплообміні. Звідси випливає, що кількість теплоти, як і енергія, вимірюється в джоулях. У термодинаміці часто використовується також позасистемна одиниця вимірювання кількості теплоти - калорія (кал). Варто пам'ятати, що 1кал = 4,2 Дж [3].

2. Перший закон термодинаміки

Існують різні формулювання першого закону термодинаміки. Одне з них таке: кількість теплоти, що передана системі, дорівнює сумі зміни внутрішньої енергії системи та роботи, що виконана системою проти зовнішніх сил. Математично це відповідає такій формулі:

,

де Q - кількість теплоти, - зміна внутрішньої енергії, А - робота системи проти зовнішніх сил.

Як зазначалося раніше, людський організм, який є відкритою системою, існує за рахунок споживання енергії, запасеної в їжі. У процесі складних біохімічних реакцій в організмі харчові речовини (у першу чергу, вуглеводи та жири), які мають великий запас внутрішньої енергії, перетворюються на речовини, які мають меншу внутрішню енергію (головним чином, у воду та вуглекислий газ). Енергія, яка при цьому вивільнюється, витрачається організмом на виконання різних видів робіт та розсіюється у вигляді тепла. Так, вважається, що для нормального функціонування людського організму він повинен за добу споживати 2300 ккал, з яких приблизно 600 ккал використовується для здійснення роботи, інші 1700 ккал становлять втрати тепла (теплопровідність, теплове випромінювання, випаровування) [2].

Кількість енергії, яку вивільнює організм при засвоєнні живильних речовин, не залежить від механізмів біохімічних реакцій, які перебігають при цьому, що обумовлено законом Гесса. Звичайно цей закон формулюють так: тепловий ефект хімічного процесу, який розвивається через декілька проміжних стадій, не залежить від шляху перетворення, а визначається лише кінцевим та початковим станами хімічних систем. Слушність закону Гесса підтверджується прямими вимірюваннями кількості теплоти, яку віддає організм людини за добу. Ця кількість дорівнює кількості енергії, що отримана організмом з поживних речовин за добу. Саме закон Гесса лежить в основі практичного визначення калорійності харчових продуктів [4].

3. Види робіт які виконуються в організмі

В організмі людини енергія їжі витрачається на здійснення таких видів робіт:

механічної роботи - роботи з переміщення тіла або частин тіла проти механічних сил (механічна робота виконується м'язами при їхньому скороченні);

хімічної роботи - роботи, з синтезу високомолекулярних сполук із низькомолекулярних у ході біохімічних реакцій;

осмотичної роботи - роботи з переносу різних речовин через мембрани клітин з ділянки меншої концентрації цих речовин до ділянки їхньої більшої концентрації;

електричної роботи - роботи з переносу іонів в електричному полі, що забезпечує низку електрофізіологічних процесів, які розглядатимуться в наступних розділах.

Усі термодинамічні процеси підпорядковуються першому закону термодинаміки. Але не всі процеси, що є можливими з погляду першого закону термодинаміки, можуть спостерігатися на практиці. У термодинаміці процеси поділяють на зворотні та незворотні. Зворотним називається такий процес, при якому система може самостійно (без витрат енергії ззовні) повернутися в початковий стан. При незворотних процесах система може повернутися в початковий стан тільки за рахунок надходження енергії з навколишнього середовища. Іноді кажуть, що незворотний процес - це процес, зворотний якому може існувати тільки як частина якогось іншого процесу. Точно кажучи, всі термодинамічні процеси в природі є незворотними. Але, якщо незворотні процеси можуть мати перебіг лише в одному напрямку та не можуть самочинно перебігати у зворотному напрямку, то чим же визначається спрямованість термодинамічних процесів? Для відповіді на це питання вводиться поняття ентропії [5].

Під час перебігу термодинамічних процесів ентропія системи змінюється, і зміну ентропії можна обчислити за формулою:

,

де S - ентропія, Т - температура. Очевидно, що одиницею вимірювання ентропії є джоуль на кельвін (Дж/К).

Якщо система початково не перебуває в стані рівноваги, то термодинамічні процеси, які відбуваються в ній, мають такий перебіг, що , тобто при незворотних процесах ентропія системи є величиною неспадною (або зростає, або залишається сталою). Це твердження (принцип неспадання ентропії) є одним з формулювань другого закону термодинаміки. Другий закон термодинаміки має кілька формулювань й, мабуть, найвідомішим з них є таке: теплота сама по собі не може переходити від тіла з нижчою температурою до тіла з вищою температурою.

Для того, щоб виходячи з вищенаведеного визначення ентропії, обчислити не тільки її зміну при переході з одного стану до іншого, але й визначити самі значення ентропії в цих станах, необхідно знати, чому дорівнює ентропія хоча б в одному якомусь стані. Ця проблема була вирішена на основі статистичної фізики, яка дозволила, крім того, з'ясувати фізичний зміст ентропії.

Для кожного стану системи характерні визначені значення внутрішньої енергії та ентропії. Тому внутрішня енергія та ентропія називаються функціями стану. У термодинаміці використовуються ще три функції стану системи, які називаються термодинамічними потенціалами: ентальпія (Н), вільна енергія Гіббса (G) та вільна енергія Гельмгольца (F). Ці термодинамічні потенціали задаються формулами:

H = U + PV,

G = H - TS,

F = U - TS,

де P та V - тиск у системі та об'єм системи відповідно.

Останню формулу можна записати у такому вигляді:

U = F + TS.

У правій частині цієї формули перший доданок відповідає тій частині внутрішньої енергії, яка при термодинамічних процесах, пов'язаних зі зміною внутрішньої енергії, може бути використана для здійснення роботи. Другий же доданок відповідає переходу частини внутрішньої енергії в тепло, тобто цей доданок пов'язаний з тією частиною внутрішньої енергії, яка не може бути перетворена в роботу. Звідси можна зрозуміти, чому величину F називають вільною енергією, а величину TS іноді називають зв'язаною енергією [4].

Організми, як і більшість біооб'єктів, є відкритими термодинамічними системами, опис яких є більш складним, ніж опис ізольованих та закритих систем. Такі системи досліджуються з використанням методів нерівноважної термодинаміки.

У нерівноважній термодинаміці, зокрема, враховуються процеси переносу, тобто враховується наявність в організмах потоків різних фізичних величин, наприклад, потоків речовини (точніше, маси речовини), потоків теплоти, потоків електричних зарядів (електричних струмів). Ці потоки виникають внаслідок існування градієнтів якихось інших фізичних величин. Наприклад, потоки маси речовини пов'язані, в першу чергу з наявністю градієнта концентрації цієї речовини (це відоме явище дифузії, про яке йтиметься докладніше у наступному розділі), потоки теплоти пов'язані з наявністю у середовищі градієнта температури, потоки заряду - з існуванням градієнта потенцаілу електричного поля, тощо [1].

З існуючими градієнтами величин пов'язане поняття термодинамічних сил, які розглядаються як причина існування вищезгаданих потоків.

Якщо потік виникає внаслідок тремодинамічної сили, яка має з потоком загальні властивості, кажуть про прямі процеси переносу, а якщо властивості потоку та термодинамічної сили, яка його викликає, є різними, то кажуть про непрямі (перехресні) процеси переносу. Так, зазвичай дифузія молекул деякої речовини відбувається внаслідок наявності градієнта концентрації цієї речовини, що є прямим процесом переносу, а дифузія йонів в електричному полі (електродифузія, про яку йтиметься у наступному розділі) відбувається при наявності як градієнта концентрації, так і градієнта потенціалу електричного поля, тобто є перехресним процесом переносу.

Незважаючи на те, що процеси, які перебігають в організмах, є незворотними, внаслідок чого перебіг цих процесів пов'язаний зі збільшенням ентропії, організми можуть підтримувати сталість основних параметрів (функцій) стану, у тому числі й сталість ентропії. Збереження сталого рівня ентропії в організмі забезпечується за рахунок надходження в нього ззовні їжі, яка має більшу внутрішню енергію та меншу ентропію, ніж продукти життєдіяльності, що видаляються із організму [3].

4. Стани живих організмів

Для живих організмів при їхньому нормальному функціонуванні характерним є стан гомеостазу, тобто збереження постійності (точніше, майже постійності) значень основних параметрів, що характеризують життєдіяльність організму, зокрема, ентропії. Стан системи, при якому ентропія всієї відкритої системи залишається сталою, тобто не змінюється з часом, називається стаціонарним. Якщо ентропія мало змінюється з часом, кажуть про квазистаціонарні стани. Таким чином, дорослі живі організми, що перебувають у стані гомеостазу, є стаціонарними (точніше, квазістаціонарними) відкритими системами.

Обмін речовиною між організмом та навколишнім середовищем можна формально розглядати як надходження в організм із навколишнього середовища негативної ентропії, або негентропії.

Таким чином, для нормально функціонуючого організму характерне виконання умови

,

де - швидкість вироблення ентропії в організмі, а - швидкість надходження в організм негентропії [1].

Стаціонарні стани, у яких перебувають живі організми, не є рівноважними, оскільки для таких процесів суттєво також те, що значення основних термодинамічних параметрів є однаковими в різних частинах системи. Тому розділ термодинаміки, який розглядає живі організми - це нерівноважна термодинаміка відкритих систем. Якщо все ж таки вважати живий організм системою, що знаходиться поблизу стану рівноваги, то для такого організму виконується теорема Пригожина.

У відповідності до цієї теореми в стаціонарному стані при фіксованих зовнішніх параметрах вироблення ентропії у відкритій системі мінімальне, тобто

.

Іншими словами, процеси в організмі, що нормально функціонує, мають такий перебіг, при якому забезпечується енергетично найбільш вигідний режим його функціонування, тобто режим з максимально можливим ККД та мінімально можливою швидкістю вироблення ентропії. Теорема Пригожина має й еволюційне трактування. Очевидно, що організми, у яких за інших рівних умов забезпечується мінімальна швидкість вироблення ентропії, потребують для підтримки стаціонарного стану менших енергетичних витрат, тобто для задоволення своїх потреб мають потребу в меншому надходженні їжі ззовні. Цим обумовлені їхні еволюційні особливості, які забезпечують перевагу в боротьбі за існування. Таким чином, краще виживають ті організми, що функціонують відповідно до вимог теореми Пригожина, а інші організми відкидаються еволюцією як тупикові гілки [2].

Організми можуть перебувати й у нестаціонарних станах. Це може бути наслідком як природних процесів (ріст організму, сезонні зміни та ін.), так і наслідком негативних впливів зовнішнього середовища (хвороба, необхідність адаптації до зміни зовнішніх умов та ін.). Для організму в нестаціонарному стані теорема Пригожина може й не виконуватися, а швидкість вироблення ентропії перевершувати таку в стаціонарному стані. Водночас при поверненні організму до стаціонарності відбуватиметься й перехід до найбільш економічного режиму функціонування, у якому швидкість вироблення ентропії мінімальна. Таким чином, процеси саморегуляції в організмі при його поверненні до стаціонарного стану повинні супроводжуватися зменшенням швидкості вироблення ентропії, що є принципом Пригожина-Глансдорфа.

Вивчення процесів ауторегуляції в живих організмах та їхньої самоорганізації дозволило зробити висновок про подібність основних принципів та закономірностей цих процесів у різних складних відкритих системах, що послужило поштовхом до створення нової галузі науки - синергетики. Таким чином, синергетика - це наука, яка вивчає загальні принципи самоорганізації та утворення просторових, часових та просторово-часових структур у відкритих нерівноважних системах [5].

Список використанної літератури та джерел

1. Антонов В.Ф., Черныш А.М. и др. Биофизика. М.: Владос,2000.

2. Волькенштейн М.В. Биофизика. - М.: Наука, 1988.

3. Губанов Н.И. Медицинская биофизика. - М.: Медицина, 1978.

4. Костюк, П.Г. Біофізика / П.Г. Костюк, В.Л. Зима, І.С. Магура та ін. К.: "Обереги", 2001. - 544с.

5. Медична та біологічна фізика: підручник для студентів медичних ВНЗ / О.І. Антюфєєва, Л.В. Батюк, М.А. Бондаренко та ін.; за ред. В.Г. Кнігавка. - Харків: ХНМУ, 2010. - 370 с.

6. Електронний ресурс «Студопедия. Висшая Школа». Режим доступу - http://studopedia.com.ua/1_183760_vidi-myazovih-skorochen-odinoki-ta-tetanichni-izotonichni-ta-izometrichni.html

Размещено на Allbest.ru