GSA. Закон сохранения

Закон сохранения и превращения энергии

При изучении закона сохранения и превращения энергии важно подчеркнуть роль ученого Р. Майера, который первым его сформулировал с позиций врача-естествоиспытателя. Внимание его привлекали явления, происходящие в организме человека. Он заметил разницу в цвете венозной крови людей в странах умеренного и тропического поясов и пришел к выводу, что «температурная разница» между организмом и окружающей средой должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, т. е. артериальной и венозной. Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода, или интенсивности процесса сгорания, происходящего в организме. Осмысливая эти наблюдения на основе принципа, что «ничего не происходит из ничего и ничто не превращается в ничто и что причина равна действию», уже в 1841 г. Майер высказал основную идею закона сохранения и превращения энергии.

Ряд исследований Майера посвящен выявлению энергетических процессов у растений и животных. Майер считал, что источником механических и тепловых эффектов в живом организме служат химические процессы, протекающие в нем в результате поглощения кислорода и пищи.

Он первым вполне определенно высказал мнение, что между жизнедеятельностью растений и солнечным светом должна существовать количественная связь, т. е. применил идею закона сохранения энергии к процессу фотосинтеза (созданию органических 'веществ — углеводов из углекислого газа и воды при участии солнечного излучения).

Чтобы проиллюстрировать примерами превращения одного вида энергии в другой происходящие в живых организмах, можно использовать таблицу, в которой показаны разнообразные превращения энергии в живых клетках.

Превращение	Где оно происходит
Химической энергии в электрическую	Нервные клетки, головной мозг
Звуковой энергии в электрическую	Внутреннее ухо
Световой энергии в химическую	Хлоропласты (растения)
Световой энергии в электрическую	Сетчатка глаза
Химической энергии в механическую	Мышечные клетки, реснитчатый эпителий
Химической энергии в световую	Органы свечения (светляка и др. живых существ)
Химической энергии в электрическую	Органы вкуса и обоняния

Важно отметить, что любой живой организм есть открытая термодинамическая система, далекая от состояния равновесия.

Интересно также сделать расчеты энергетических превращений в живом организме и определить коэффициенты полезного действия некоторых биологических процессов. Мы знаем, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии системы, или за счет сообщения системе некоторого количества теплоты.

В живой системе независимо от того, целый это организм или отдельные органы (например, мышцы), работа не может совершаться за счет притока теплоты извне, т. е. живой организм не может работать как тепловая машина. Это можно показать простым расчетом. Известно, что у тепловой машины

КПД = (Т₁-Т₂)/T₁,

где T₁ и T₂ соответственно температуры источника теплоты и холодильника в абсолютной шкале температур.

Попытаемся определить температуру мышцы (T₁), предполагая, что она работает как тепловая машина, при температуре 25°С с КПД 30%. Подставляя в формулу температуру холодильника T₂ = 298 К и предполагая КПД ≈ 1/3, получим (T₁-298K)/T₁ = 1/3.

Откуда T₁ = 447 К, или 174°С. 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, денатурируют при температуре около 50°С.

Таким образом, в живом организме работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы.

Справедливость первого закона термодинамики для биологии можно доказать, если живой организм изолировать от окружающей среды, измерить количество выделенной им теплоты и сравнить его с тепловым эффектом биохимических реакций внутри организма. С этой целью еще в 1780 г. Лавуазье и Лаплас помещали морскую свинку в калориметр и измеряли количество выделенной теплоты и углекислого газа. После этого определяли количество теплоты, выделяющейся при прямом сжигании исходных продуктов питания. В обоих случаях получались близкие значения.

Более точные результаты были получены при измерении количеств теплоты углекислого газа, азота и мочевины, выделенных человеком. На основании этих данных вычисляли баланс обмена белков, жиров и углеводов. И здесь совпадение оказалось достаточно хорошим.

В настоящее время калориметрические измерения позволяют делать важные выводы о жизнедеятельности человека, давать направление к диагностике некоторых заболеваний.

Недавно создан тепловизор — прибор, наглядно показывающий температурные изменения в теле человека. Этот метод позволяет распознавать самые разные недуги, связанные с воспалительными процессами, сопровождающимися повышением температуры данного участка тела. Приведем КПД некоторых биологических процессов

Биологический процесс	КПД, %
Свечение бактерий	до 90
Сокращение мышц	30
Фотосинтез	75