Речовина й енергія

Біоенергетика людини

Коли ви збираєтеся в подорож, то плануєте, скільки часу займуть ті або інші переміщення й події, скільки грошей знадобиться, скільки та яких речей доцільно взяти тощо. А прокинувшися зранку, чи замислюєтеся ви, скільки енергії витратить ваш організм і як її поповнити? На які види роботи витрачаються енергетичні запаси нашого організму? Як ощадніше використовувати ресурси свого організму, щоб їх вистачило на якомога довшу подорож — життя?

Аби відповісти на ці запитання, ще раз звернімося до найважливіших законів, які описують енергетичні перетворення. І застосуймо їх до особливостей енергообміну саме нашого організму.

Тож перше запитання: що є головним джерелом енергії для нашого організму? Це легко, скажете ви. Ми їмо, п’ємо воду, дихаємо. Поживні речовини, вода й кисень і є джерелами нашої енергії. Так то воно так. Але головним джерелом є сонячна енергія. Сонячна енергія забезпечує всі енергії, необхідні для двох типів організмів, які населяють нашу планету, — автотрофів (фотосинтезувальних) і гетеротрофів. Фотосинтезувальні автотрофи (рослини) здатні використовувати сонячну енергію для окиснення води Н₂О й генерування хімічної енергії, яку вони використовують для свого життєзабезпечення в денний час, і для перетворення атмосферного вуглекислого газу СО₂ на вуглеводи (глюкозу С₆Н₁₂О₆) у нічний час, що є однією з форм зберігання енергії. А ось ми з вами (гетеротрофи) якраз і використовуємо енергію вуглеводів, споживши рослинну їжу.

Перетворення енергії, яке відбувається в процесі обміну речовинами в організмі, є предметом біоенергетики. Ці перетворення здійснюються у повній відповідності з першим і другим законами термодинаміки. Однак організм має низку відмінних специфічних особливостей порівняно із системами, які є об’єктами вивчення в технічній і хімічній термодинаміці. Розгляньмо ці особливості.

Закони термодинаміки мають універсальний характер і стосуються сукупності тіл, що утворюють систему, які можуть обмінюватися між собою та з іншими тілами зовнішнього середовища енергією та речовиною. У біології ці закони розглядаються на прикладі відкритих систем.

Перший закон термодинаміки установлює кількісні співвідношення між кількістю тепла, роботою й зміною внутрішньої енергії термодинамічної системи, але не визначає напрямок термодинамічних процесів.

Загальне визначення

У біології

Тепло, яке підводиться до системи Q, може витрачатися на збільшення внутрішньої енергії (інтенсивності руху молекул або атомів) системи U і виконання нею роботи.

Застосування першого закону термодинаміки до живих систем полягає в тому що енергія, яка надходить в організми з їжею, розподіляється в процесі споживання на дві частини:

виділяється в середовище у вигляді тепла та енергії, що міститься в продуктах життєдіяльності;
відкладається в клітинному матеріалі.

Сума цих двох частин дорівнює внутрішній енергії їжі, що надходить до організму.

У народній мудрості своєрідним вираженням першого закону термодинаміки можуть служити прислів’я: «під лежачий камінь вода не тече», «без труда нема плода» тощо.

Другий закон термодинаміки відображає фундаментальний закон природи й вказує на найімовірніший напрямок перебігу процесів у термодинамічній системі.

Загальне визначення

У біології

В ізольованій системі енергія самостійно може переходити лише від вищого рівня до нижчого, а не навпаки.

Організм не є ізольованим від зовнішнього середовища, і взаємодіє з ним. Таку систему називають умовно ізольованою.

За певних умов така система може досягати стаціонарного стану, в якому її структура або найважливіші структурні характеристики залишаються постійними, тоді як система здійснює із середовищем обмін речовиною, інформацією або енергією. Цей процес називають гомеостазом.

Другий закон термодинаміки підтверджується в повсякденному житті, у таких, наприклад, приказках, як «прах ти є і в прах обернешся», «усьому є край», «іржа не спить», «світ не без вад», «неможливо скласти розбите яйце», «що може піти зле, зле і піде», «кожний осел може розбити шопу, але треба теслю, щоб її збудувати».

Людина витрачає енергію на:

основний обмін (роботу серця і кровопостачання, легенів, нирок, ендокринних залоз; підтримання сталості температури тіла, м’язового тонусу та інших постійних функцій);
процеси травлення й засвоєння їжі, що залежать від нутрієнтного складу харчових продуктів (найбільших витрат енергії потребують білки, менших — вуглеводи та жири);
фізичну й розумову діяльність, які залежить від її інтенсивності.

З погляду фізики енергетичні витрати пов’язані з виконанням певної роботи. Ви, звісно, пам’ятаєте, що ці величини тісно пов’язані між собою: енергія — це фізична величина, що характеризує здатність тіла виконати роботу.

Основними видами роботи нашого організму є:

механічна робота м’язів;
осмотична робота з перенесення йонів крізь мембрану клітини для підтримання внутрішньоклітинних і позаклітинних концентрацій солей та молекул органічних речовин;
електрична робота з перенесення електричного заряду крізь мембрану клітини;
хімічна робота у вигляді біосинтезу макромолекул органічних речовин.

Насправді вся енергія, витрачена організмом, зрештою, перетвориться на теплоту. Частина енергії в клітинах йде на виконані ними функції, однак, зрештою, перетворюється на теплоту. Наприклад, енергія, використовувана м’язовими клітинами, витрачається на подолання в’язкості м’язу та інших тканин. В’язке переміщення спричинює тертя, що приводить до утворення тепла. Іншим прикладом є витрата енергії, переданої крові серцем, що скорочується. Під час переміщення крові по судинах уся енергія перетворюється на тепло внаслідок тертя між шарами крові та між кров’ю і стінками судин.

Існує лише єдиний виняток: у разі, коли м’язи виконують роботу над зовнішніми тілами.

Щоб отримати саме ту енергію, яка потрібна нашому організмові, відбуваються досить складні фізико-хімічні процеси перетворення речовин й енергії. Спочатку прослідкуємо, як наш організм обмінюється речовинами й енергією (мал. 3.1).

Мал. 3.1. Обмін речовин й енергії

Ми споживаємо їжу різного походження (рослинну, тваринну) з багатоманітним хімічним складом. Молекули тисяч різних речовин їжі — білків, жирів (ліпідів), вуглеводів, нуклеїнових кислот — складаються лише з декількох десятків елементарних «будівельних блоків». Травлення дає змогу звести всю хімічну різноманітність їжі до невеликої кількості основних молекул, які організм може легко використати для отримання енергії й синтезування речовин. Білки розщеплюються на амінокислоти, ліпіди — на жирні кислоти й спирти, складні вуглеводи — на моносахариди. Ці речовини всмоктуються в кров або лімфу, які й переносять їх до клітин. У результаті процесу травлення відбувається не лише розщеплення речовин, а утворення залишків, що виводяться з організму. Ще процес розщеплення їжі супроводжуваний вивільненням невеликої кількості енергії. Вона поширюється тілом у вигляді тепла (Q₁) (мал. 3.2).

Мал. 3.2. Теплові й енергетичні витрати

Усередині клітин відбувається другий етап обміну речовин й енергії — внутрішньоклітинний. Під час нього також відбуваються два процеси: розпаду — перетворення складних органічних сполук на прості, під час яких енергія виділяється (дисиміляція, анаболізм), і синтезу — утворення органічних сполук складної будови з органічних сполук простої будови, на що витрачається енергія (асиміляція, катаболізм). Ці процеси ще називають енергетичним і пластичним обмінами. Такі процеси відбуваються одночасно й взаємопов’язано між собою. У результаті внутрішньоклітинного обміну в організмі людини утворюється найбільша кількість енергії. Частка цієї енергії, яку накопичує організм і використовує для підтримання процесів життєдіяльності, а також для забезпечення фізичної активності людини, становить 55 % (А) (див. мал. 3.2). Інша частина енергії вивільняється у вигляді тепла (Q₂) (див. мал. 3.2).

Для забезпечення цих процесів потрібен кисень.

Отже, основні три етапи обміну речовин і перетворення енергії такі:

1) надходження речовин та енергії в організм;
2) внутрішньоклітинний обмін;
3) видалення речовин й енергії з організму.

Обмін речовин умовно можна поділити на зовнішній обмін, який включає надходження їжі, води та кисню в організм, виведення неперетравлених залишків їжі й виділення кінцевих продуктів обміну речовин, і внутрішній, який охоплює обмін речовин й енергії у клітинах організму (мал. 3.3).