Значимость темы

Живые организмы обмениваются с внешней средой массой и энергией. Программа, по которой живые организмы преобразовывают свою энергию, закодирована в данном организме в виде генетической информации.

Основным видом «топлива» для организма являются углеводы. Жиры играют роль резервного топлива, своеобразных «бензобаков». В чрезвычайных ситуациях (голод, стрессы) организм начинает сжигать уже не топливо, а свой основной строительный материал - аминокислоты белков. Дефицит белков приводит к дефициту незаменимых для организма аминокислот и возникновению различных заболеваний.

Одним из основных термодинамических условий существования живой клетки является сохранение ряда постоянных характеристик внутренних сред организма: температуры, давления, концентрации веществ. Изменение концентрации веществ во внутренних средах организма может явиться причиной его заболевания, а иногда даже и гибели. Так, например, снижение содержания глюкозы в крови до 5 г/л или, наоборот, ее повышение до 30 г/л может привести к смерти. Снижение содержания глюкозы в крови вызывает чувство голода. После достижения необходимой концентрации глюкозы возникает чувство насыщения. Таким образом, аппетит здорового человека является регулятором снабжения его организма энергией. Однако, если этот регулятор нарушен, например, в результате болезни, эмоциональных стрессов или просто постоянных перееданий, то в крови может появиться значительный избыток глюкозы.

Избыток глюкозы с помощью гормона инсулина превращается в жир, который откладывается в жировые ткани. При стрессовых ситуациях организм черпает энергию из двух источников: из «депо» глюкозы, находящегося в печени, и из «жировых депо». Второй путь предпочтительнее, так как он короче. Избыток жирных кислот, появляющийся в крови, снижает устойчивость организма к инфекциям, способствует развитию атеросклероза, сахарного диабета и др. Учитывая, что длительные стрессы способствуют возникновению гипертонической болезни и ее многочисленных осложнений, можно сделать вывод, что нарушение энергетического обмена является причиной ряда трудноизлечимых заболеваний человека. О людях, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, сахарным диабетом, можно сказать, что они как бы сгорают в пламени жиров.

Термохимический анализ процессов окисления различных продуктов в живых организмах необходим не только для понимания механизмов преобразования различных веществ в энергию. Сравнение энергетики здоровых и больных клеток позволяет разработать раннюю диагностику различных заболеваний и контроль за их развитием.

Проводятся исследования, направленные на поиск взаимосвязей между нарушением энергетического обмена в клетках и процессами неконтролируемого роста, приводящим в ряде случаев к появлению злокачественных опухолей.

С позицией термодинамики живые организмы обладают меньшей по сравнению с окружающей средой энтропией, так как характеризуются высокой степенью у порядочности. Следовательно, в соответствии со вторым началом термодинамики являются неустойчивыми. Стремление всех систем к максимальному значению энтропии должно приводить к разрушению организмов, т.е. к выравниванию неравновесных по отношению к внешней среде значений температуры и концентраций веществ внутри живой клетки организма. Организм борется с увеличением энтропии двумя путями:

Усваивает белки, жиры, углеводы - обладающие меньшей по сравнению с низкомолекулярными соединениями энтропией; а выделяет в окружающую среду продукты распада и окисления ВМС: воду, углекислый газ, мочевину, т.е. низкомолекулярные вещества, обладающие значительно большей энтропией, чем высокомолекулярные.

Таким образом, живым организмам в течение некоторого времени, который составляет срок их жизни, удается сохранить высокую организованность системы, обладающую минимальной по сравнению с внешней средой энтропией. Исследование изменений термодинамических параметров в больном и здоровом организме показало, что возникновение и протекание заболеваний сопровождается увеличением энтропии системы. Увеличение энтропии отмечено также при развитии регенерации и эмбриогенеза.

С развитием термодинамики стало возможным количественно рассчитать превращение энергии в биохимических реакциях и предсказать их направление.