Организм как открытая система

Начальное развитие термодинамики стимулировалось потребнос­тями промышленного производства. На этом этапе (XIX в.) ее основ­ные достижения заключались в формулировке законов, разработке теории циклов и термодинамических потенциалов применительно к идеализированным процессам: равновесным и обратимым.

Термодинамика биологических систем в этот период не разви­валась. Одним ярким исключением из этого была работа Майера, который по цвету венозной крови матросов, работающих в усло­виях тропического климата, сформулировал, по существу, прило­жимость закона сохранения энергии в термодинамике (первого начала термодинамики) к живым системам.

Первый закон термодинамики как закон сохранения энергии настолько очевиден, что его применения к биологическим систе­мам здесь не рассматриваются, тем более что в курсе нормальной физиологии изучаются такие темы, как «Обмен веществ и энер­гии. Питание. Терморегуляция», а в § 22.5 анализируется тепло­обмен человека с окружающей средой посредством теплового из­лучения. Более существенно рассмотреть некоторые вопросы, связанные со вторым началом термодинамики и энтропией при­менительно к биологическим системам.

Биологические объекты являются открытыми термодина­мическими системами. Они обмениваются с окружающей сре­дой энергией и веществом.

Вообще говоря, живой организм — развивающаяся система, которая не находится в стационарном состоянии. Однако обычно в каком-либо не слишком большом интервале времени принима­ют состояние биологической системы за стационарное.

Рассмотрим в этом предположении некоторые вопросы. Для организма — стационарной системы — можно записать dS = 0, S = const, dS_i > 0, dS_e < 0. Это означает, что большая энтропия, должна быть в продуктах выделения, а не в продуктах питания. Энтропия системы организм — окружающая среда возрастает как у изолированной системы, однако энтропия организма при этом сохраняется постоянной. Энтропия есть мера неупорядоченности системы (см. § 10.2), поэтому можно заключить, что упорядоченность организма сохраняется ценой уменьшения упорядоченнос­ти окружающей среды.

При некоторых патологических состояниях энтропия биологи­ческой системы может возрастать (dS > 0), это связано с отсутствием стационарности, увеличением неупорядоченности; так, на­пример, при раковых заболеваниях происходит хаотическое, не­упорядоченное разрастание клеток.

Формулу (10.21) можно преобразовать к виду

 

или для стационарного состояния (S = const, dS/dt = 0)

 

Из (10.22) видно, что при обычном состоянии организма ско­рость изменения энтропии за счет внутренних процессов равна скорости изменения отрицательной энтропии за счет обмена ве­ществом и энергией с окружающей средой.

Поскольку, согласно принципу Пригожина, производная " dS_i/dt > 0, причем минимальна. Отсюда можно сделать вывод, что скорость изменения энтропии окружающей среды при сохранении стационарного состояния организма также минимальна.

Основа функционирования живых систем (клетки, органы, организм) — это поддержание стационарного состояния при условии протекания диффузионных процессов, биохимических реакций, осмотических явлений и т. п.

При изменении внешних условий процессы в организме развиваются так, что его состояние не будет прежним стационарным состоянием.

Можно указать некоторый термодинамический критерий приспособления организмов и биологических структур к изменениям внешних условий (адаптации). Если внешние условия изменяются (возрастает или уменьшается температура, изменяется влажность, состав окружающего воздуха и т. д.), но при этом организм (клетки) способен поддерживать стационарное состояние, то организм - адаптируется (приспосабливается) к этим изменениям и существу­ет. Если организм при изменении внешних условий не способен со­хранить стационарное состояние, выходит из этого состояния, то это приводит к его гибели. Организм в этом случае не смог адапти­роваться, т. е. не смог сравнительно быстро оказаться в стационар­ном состоянии, соответствующем изменившимся условиям

 

 

Термометрия и калориметрия

Точные измерения температур являются неотъемлемой частью научно-исследовательских и технических работ, а также меди­цинской диагностики и биологии.

Диапазон известных температур очень широк. Самая низкая температура, полученная к настоящему времени, около 2 • 10^-5 К. Верхний предел достижимых температур ничем не ограничен. На­ибольшая температура достигнута в земных условиях при взрыве водородной бомбы и составляет примерно 10⁸ К. В недрах звезд, по спектроскопическим данным, температура может достигать 10⁹ К и более.

Температурный интервал окружающей среды, в которой могут длительно или кратковременно находиться биологические систе­мы, сохраняя способность к функционированию, значительно уже. И совсем невелик (приблизительно от 0 до 90 °С) диапазон температур самих живых организмов в состоянии их активной жизнедеятельности.

Методы получения и измерения температур в широком диапа­зоне весьма различны. Отдел прикладной физики, в которой изу­чаются методы измерения температуры и связанные с этим вопросы, называют термометрией.

Как известно, температура не может быть измерена непосред­ственно. Для ее определения нужно установить температурную шкалу: выбрать термометрическое вещество и физическое свойст­во, зависящее от температуры (термометрическое свойство), усло­виться о начальной точке отсчета и единице температуры. Для этого обычно выбирают две основные температуры (реперные точ­ки), соответствующие температурам фазовых переходов, напри­мер плавлению льда и кипению воды при определенных внешних условиях. Участок шкалы между этими точками называют основ­ным интервалом. За начало отсчета принимают одну из реперных точек (например, 0 °С — температура плавления, или таяния льда), за единицу температуры — долю основного интервала. Так, 1 °С составляет 0,01 долю основного интервала.

Температурные шкалы различаются по термометрическому свойству или веществу. Можно построить огромное количество шкал, значительно отличающихся одна от другой, так как ни одно из свойств не зависит от температуры строго линейно и, кроме того, определяется природой вещества.

Принципиальным недостатком всех эмпирических шкал явля­ется их зависимость от свойств термометрического вещества. Не­зависимая от свойств и вещества шкала построена на основе второго начала термодинамики и названа термодинамической шка­лой температур. За реперную точку ее принята температура тройной точки воды 273,16 К. Определяется эта шкала с по­мощью цикла Карно. Измерив количества теплоты Q_o и Q_s в изо­термических процессах этого цикла соответственно при темпера­туре Т₀ таяния льда и Т_s кипения воды, можно найти

.

Аналогично, для произвольной температуры Т

где Q — количество теплоты, сообщенное системе в изотермиче­ском процессе при температуре Т. Установленную таким образом температуру называют термодинамической.

Единицей термодинамической температуры является Кельвин (К) — 1/273,16 термодинамической температуры тройной точ­ки воды. Кельвин как единица температурного интервала равен 1/273,16 интервала термодинамической температуры между 0К и тройной точкой воды.

Любая эмпирическая шкала приводится к термодинамической посредством введения поправок, учитывающих зависимость тер­мометрического свойства данного вещества от температуры.

Так как температура определяется по значению какой-либо ха­рактеристики термометрического вещества, то ее определение со­стоит в измерении таких физических параметров и характерис­тик, как объем, давление, электрические, механические, оптиче­ские, магнитные свойства и т. п. Разнообразие методов измерения температуры связано с большим количеством термометрических веществ и их свойств, используемых при этом.

Термометры — устройства для измерения температуры — со­стоят из чувствительного элемента, в котором реализуется термо­метрическое свойство, и измерительного прибора (дилатометр, манометр, гальванометр, потенциометр и т. д.). Необходимое ус­ловие измерения температуры — тепловое равновесие чувстви­тельного элемента и тела, температура которого определяется.

В зависимости от измеряемых интервалов температур наибо­лее распространены жидкостный, газовый термометры, тер­мометр сопротивления, термопара как термометр и пиро­метры.

В жидкостном термометре термометрической характеристикой является объем, чувствительным элементом — резервуар с жид­костью (обычно ртуть или спирт). В пирометрах в качестве термо­метрической характеристики используется интенсивность излу-

чения (см. гл. 22). Принципиальное отличие пиро­метров от других термометров состоит в том, что их чувствительные элементы не находятся в непо­средственном контакте с телом. Пирометры приме­няют для измерения сколь угодно высоких темпе­ратур.

Используемый в медицине ртутный термометр указывает максимальную температуру и называет­ся максимальным термометром. Эта особен­ность обусловлена его устройством: резервуар с ртутью отделен от градуированного капилляра во­лосяным сужением, которое не позволяет ртути при охлаждении термометра возвратиться в резер­вуар (рис. 10.12). Существуют и минимальные термометры, показывающие наименьшую тем­пературу, наблюдаемую за длительный промежу­ток времени.

Многие процессы в физике, химии и биологии существенно зависят от температуры, поэтому получение и поддержание определенной температуры является важ­ной задачей. Для этой цели служат термостаты — приборы, в которых температура поддерживается постоянной, что осуществ­ляют либо автоматическими регуляторами, либо используют для этого свойство фазовых переходов протекать при неизменной тем­пературе.

Для измерения количества теплоты, выделяющегося или по­глощаемого в различных физических, химических и биологиче­ских процессах, применяют ряд методов, совокупность которых составляет калориметрию1.

Калориметрическими методами измеряют теплоемкость тел, теплоты фазовых переходов, растворения, смачивания, адсорб­ции, теплоты, сопровождающие химические реакции, энергию излучения, радиоактивного распада и т. п.

Подобные измерения производят с помощью калориметров. Эти приборы можно разделить на два основных типа: калориметры, в которых количество теплоты определяют по изменению их темпера­туры, и калориметры, у которых температура постоянна и количе­ство теплоты определяют по количеству вещества, перешедшего в • другое фазовое состояние (например, плавящееся твердое тело).

Группу методов измерения тепловых эффектов, сопровождающих процессы жизнедеятельности, называют также биокалориметрией, а со­ответствующие приборы — биокалориметрами.