I-ый закон термодинамики в биологии

Работа, совершаемая системой, равна резкости между количеством теплоты, сообщаемой системе, и изменениям ее внутренней энергии.

В количественной форме I-ый закон термодинамики отражает закон сохранения энергии.

Из I-ого закона следует, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии системы или за счет сообщения системе некоторого количества тепла.

В живой системе, независимо от того, целый это организм или отдельные органы (например, мышцы) работа не может совершаться за счет притока тепла извне, т.е. живой организм не может работать, как тепловая машина, например:

Попытаемся определить температуру мышцы ( ) предполагая, что она работает как тепловая машина при температуре +25^°С с к.п.д. 30%.

Таким образом, если бы мышца работала, как тепловая машина, она нагрелась бы в этих условиях до температуры 174^° С. Это, разумеется, нереально, так как белки, как известно, денатурируются при температуре 40-60^°С. Таким образом, в живом организме работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы при различного рода биохимических процессах или за счет изменения энтропийного фактора.

Первые попытки доказательства справедливости I-ого закона термодинамики для биологии были предприняты еще в 18в и заключались в том, что живой организм изолировали от окружающей среды, измеряли количество выделенного им тепла и сравнивали эту величину с тепловым эффектом биохимических реакций внутри организма.

С этой целью в 1780г. Лавуазье и Лаплас помещали морскую свинку в ледяной калориметр и измеряли количество выделенного тепла и СО₂. После этого определяли количество тепла, выделяющееся при прямом сжигании до СО₂ исходных продуктов питания.

В обоих опытах были получены величины близкого порядка, что указывало на полную эквивалентность химической энергии, освобождающейся в организме в ходе обмена веществ, и тепловой энергии, выделяемой организмом во внешнюю среду.

Метод Лавуазье и Лапласа, получивший название метода непрямой калориметрии, основывается на том факте, что нормальное потребление О₂ и выделение СО₂ в организме теплокровного животного тесно корректируется с теплопродукцией.

Более точные результаты были получены в 1904г Этуотером, использовавшим для опытов метод прямой калориметрии в специально сконструированной камере.

В ходе опыта измеряли выделяемое человеком тепло, количество поглощенного кислорода, количество выделенной углекислоты, азота и мочевины.

На основании полученных данных вычисляли баланс обмена белков, жиров и углеводов. При этом учитывали, что полное окисление 1г жира до углекислого газа и воды дает 9,3ккал; 1г смешанных углеводов – 4,2ккал; окисление 1г белка до мочевины, как это имеет место в организме – 4,2ккал.

Рассчитанное на основании этих данных количество тепла и количество тепла, измеренное в опыте, совпали с точностью до 1%.

Питательные вещества. Выделенная теплота………1374

56,8г белка…………..237 Выпускаемые газы…………..43

140,0г жира………...1307 Кал и моча…………………....23

79,9г углеводов……..335 Испарение через дыхание….181

Испарение через кожу……...227