В основе процессов обмена энергии лежат законы термодинамики взаимных превращений различных видов энергии при переходах ее от одних тел к другим в форме теплоты или работы.
С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым стационарным неравновесным системам. Это означает:
- они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией;
- способны в течение определенного времени удерживать свои основные параметры и под влиянием внешней среды переходить из одного стационарного состояния в другое в пределах колебаний жизненно важных констант, допустимых для сохранения жизни;
- благодаря наличию в организме множества градиентов и потенциалов создаются условия для неравновесного распределения вещества и энергии между живыми системами и окружающей средой.
Принцип устойчивого неравновесия живых систем гласит: «Живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии».
Законы термодинамики
Первый закон термодинамики - закон сохранения и превращения энергии (Ломоносов М.В., 1748).
Энергия не исчезает и не творится вновь, а только переходит из одной формы в другую: механическая работа, кинетическая энергия и тепловая могут превращаться друг в друга.
Второй закон термодинамики (Больцман, 1880) гласит: Если любой вид энергии можно трансформировать в эквивалентное количества тепла, то в случае обратного превращения полная трансформация невозможна.
Свободная энергия способна к превращениям и к совершению полезной работы. Связанная энергия составляет ту «непроизводительную» часть, которая не переходит в другие формы и рассеивается в виде тепла, характеризуя меру термодинамической неупорядоченности системы, называемую эктропией.
Коэффициент полезного действия живой клетки определяется: КПД = Внешняя работа / Вырабатываемая энергия * 100%
Вследствие энтропии КПД живых организмов всегда очень низок. При мышечном сокращении, например, 80% энергии теряются в виде теплоты и только 20% превращаются в механическую работу.
Первичная и вторичная теплота организма
Теплоту, выделяемую организмом, условно делят на два типа. Первичная теплота постоянно высвобождается в ходе клеточного метаболизма, Вне зависимости оттого, совершается внешняя работа или нет. Ее количество является показателем интенсивности основного обмена, обеспечивающего функционирование жизненно важных органов.
Вторичная теплота выделяется при совершении организмом любой работы за счет резерва аккумулированной энергии АТФ, образующегося в результате метаболических превращений питательных веществ.
В физиологических условиях оба вида теплоты находятся в относительном равновесии. Первичная теплота непрерывно рассеивается в окружающую среду, даже если её температура превышает температуру тела. При переохлаждении количество первичной теплоты обеспечивается за счет увеличения доли вторичной теплоты вследствие усиления двигательной активности, и особенно при появлении непроизвольной дрожи (дрожательный термогенез).
В физиологических и медицинских исследованиях для определения количества энергии, выделенной организмом, используют внешние единицы - калорию (кал) и килокалорию (ккал). Калория - количество энергии (тепла), необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1°С.