Мышца термодинамики

Рассмотрим теперь, как же функционирует биологическая машина — живой организм. С точки зрения последовательного научного материализма к явлениям жизни полностью применимы все основные законы физики и химии. В частности, превращения энергии в организме должны строго подчиняться законам термодинамики. Однако очевидно, что процесс получения работы при сокращении мышц находится в кажущемся противоречии с выводами из теоремы Карно. Ведь в живом организме нет сколько-нибудь значительных перепадов температур [c.67]

В основе несколько иного подхода, развиваемого Мак-Кларом [27— 29], лежит представление о том, что второй закон термодинамики не является, как это обычно считают, статистическим. Если его соответствующим образом сформулировать, он может быть применим и к бактериям, обладающим единственной молекулой ДНК. Следовательно, классическая термодинамика применима и к живым клеткам. Автор указывает, что характерной особенностью живых организмов, отличающей их от систем, которыми обычно занимается термодинамика, яв-ляется то, что все реакции в них протекают очень быстро. Например, в случае превращения внутримолекулярной энергии в мышцах в механическую энергию очень важно, чтобы процесс совершался достаточно быстро и энергия не успевала рассеиваться в виде тепла. Мак-Клар> полагает, что для метаболических реакций большее значение имеет изменение энтальпии, нежели свободной энергии или энтропии. [c.233]

Наука об энергетике (термодинамика) имеет дело с превращениями энергии. Так, когда человек поднимается вверх по лестнице, в его мышцах некоторые вещества претерпевают химические реакции с совершением работы и выделением тепла. Энергия затраченная на работу увеличивает потенциальную энергию притяжения человеческого тела, а теплота переходит в тепло тела. Эти 1 термодинамические явления изучаются с большой точностью в физиологических лабораториях. [c.27]

Имеется еще другой, новый и довольно многообещающий путь к пониманию функции мышцы, начало которому было положено открытием того факта, что мышечное сокращение, по существу, происходит в замкнутой системе. Этот путь — термодинамика. И здесь уже были получены некоторые весьма интересные результаты. [c.233]

Наиболее детально природа деформации тканей при разных удлинениях изучена на скелетных мышцах термодинамическими методами. Будем рассматривать деформацию мышцы в условиях постоянства ее объема и неизменной температуры. Согласно законам термодинамики (см. гл. I), изменение свободной энергии мышцы в процессе деформации под действием внешней силы представляет собой механическую работу /А/, совершаемую над мышцей по ее удлинению на А /. На основании этого из уравнения (1.2), в котором АН = Аи вследствие постоянства объема, получаем [c.212]

Мы утверждаем, что неравновесная термодинамика конструктивна, поскольку образует самосогласованную, логичную и компактную форму организации и систематизации информации. Построение систематических корреляций по разнородным данным позволяет выявить единообразие между разными на первый взгляд системами. Часто оказывается, что формализм, развитый при анализе одной системы, непосредственно применим к совершенно другой системе. Так, например, обстоит дело, когда мы рассматриваем случай поддержания градиента электрохимического потенциала на эпителиальной мембране и изометрического напряжения в мышце. Кроме того, в пределах данной системы термодинамический подход позволяет выявить связи между различными явлениями, которые с других точек зрения отнюдь не очевидны. Например, расхождения между коэффициентом проницаемости для изотопной -метки и для суммарного потока дают количественную меру аномальности отношения потоков. При других способах рассмотрения связь [c.7]

Механохимическое превращение энергии в мышцах — вероятно, самый впечатляющий пример биологической конверсии энергии, поскольку он нам ближе всего по непосредственному опыту. Мы не только повседневно используем энергию на выходе этого устройства, но и живо ощущаем затраты на входе. Уилки [71] отметил, что эффективность наших мышц — вопрос величайшей важности для животных и человека . Может быть, это и верно, хотя еще важнее, несомненно, регуляция, согласованность работы мышц. При изометрическом и преимущественно ненагруженном сокращении эффективность в действительности равна нулю, хотя такие сокращения случаются очень часто изометрические — когда надо поддержать существующее положение, противодействуя изменениям, ненагруженное —для обеспечения быстрых движений. Рассмотрение сопряжения при конверсии энергии в этом случае определенно требует привлечения подходов неравновесной термодинамики. Это не означает, что не нужны измерения эффективности в хорошо охарактеризованных состояниях. Такого рода измерения сыграли центральную роль в физиологии мышечного сокращения (см., например, [35, 38]), но до последнего времени все они были основаны исключительно на одновременных измерениях работы и теплоты . [c.266]

Эти замечания абсолютно верны, но в действительности они естественным образом подводят к необходимости рассмотрения энергетики сократительных систем в рамках термодинамики необратимых процессов, которая восходит к первому и второму законам термодинамики и является модификацией основных термодинамических соотношений специально для неравновесных систем. Вместо того чтобы рассматривать только начальное и конечное состояния при различных переходах в системе, неравновесная термодинамика учитывает в явной форме сам процесс перехода. В отличие от классической термодинамики, в которой неявно предполагается, что мышца действует как закрытая система, это предположение не подразумевается и не является необходимым в неравновесной термодинамике, которая превосходно приспособлена к исследованию открытых систем. [c.289]

До тех пор, пока не были установлены основные законы физики и химии, действующие в неживом мире, невозможно было сформулировать проблемы, затрагивающие более глубокое понимание природы жизни. Эти вопросы, которые мы вкратце рассмотрим, были поставлены только в первой четверти XX в. Между тем успешно развивались неорганическая, органическая и физическая химия, были сформулированы законы термодинамики и оказалось возможным детально исследовать, подчиняются ли живые системы законам физики и химии. Получила признание доктрина эволюции, Грегором Менделем были сформулированы генетические принципы наследственности, непрерывно увеличивалось число соединений, выделенных из живых организмов. Была выявлена связующая роль нервной системы. Клод Бернар показал, что гликоген является запасной формой глюкозы в печени и мышцах он установил также постоянство внутренней среды организма. Была сформулирована теория инфекционной природы болезней и начала систематически развиваться микробиология. [c.12]

Одна из важнейших проблем термодинамики — это проблема совершения системой работы за счет энергии, получаемой в форме теплоты из окружающей среды. В технике к этой проблеме сводится задача всех тепловых машин (паровых поршневых ма-Я1ИН, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания и т. д.), назначение которых — совершать максимальное количество работы, затрачивая энергию в форме теплоты (сжигая топливо). В биологии к этой же проблеме сводится вопрос о работе, совершаемой живым организмом при сокращении мышц. Источником энергии в этом случае является энергия, освобождающаяся при оккслении ( сжигании ) жиров в организме. С первого взгляда молсет показаться, что термодинамические основы всех этих процессов аналогичны. Однако, как будет показано низко, процессы в лсивом организме и в тепловых машинах с термодинамической точкп зрения принципиально различны. [c.63]

Обсуждаемые вопросы являются частью тех проблем, которые рассматриваются в термодинамике деформации геля . Основополагающими для развития работ в этой области являются идеи Гиббса [4], развитые в дальнейшем Райсом [5]. Попытки применения термодинамического подхода к конкретным случаям были сделаны Баркасом [6], Уорбертоном [7], Гарнеем [8], Джи [9], Трелоаром [10] и Хиллом [11 ]. Дальнейшее развитие этой области, получившей название механохимии , связано с работами Качальского [12], Куна и Хэрджитея [13, 14], Принса и Херманса [3], Качальского, Лифсона, Михаэля и Цвика [15]. Идеи механохимии могут быть использованы при обсуждении биологических процессов, связанных с деятельностью мышц и других сокращающихся систем. Однако детальное рассмотрение этих вопросов выходит за рамки настоящей главы. [c.523]

Известно, что механическая работа по поднятию груза W — vmgA, где V — число поднятий, т. е. W — — 10 кДж. Следовательно, для совершения этой работы в мышцах окисляется примерно 10 кДж 6,5 кДж/г = 1,5 г глюкозы и выделяется теплота Q =—9,5 кДж/г-1,5 г =—14,3 кДж. Таким образом, в соответствии с 1-м началом термодинамики убыль внутренней энергии организма в результате окисления глюкозы составляет Д = — 14,3 кДж — 10 кДж = = —24.3 кЛж [c.14]

В следующих главах мы рассмотрим ряд общепринятых точек зрения на биологические системы. Некоторые из них основаны на моделях, другие — на классических термодинамических представлениях, которые мы считаем либо ограниченно применимыми, либо просто ошибочными. Представляя неравновесный термодинамический метод, мы сосредоточим внимание на рассмотрении вопросов, относящихся к широкому разнообразию транспортных и других энергопреобразующих систем. Для удобства мы будем неоднократно обращаться к наиболее изученным системам, которые могут быть охарактеризованы с точки зрения неравновесной термодинамики. Так, из эпителиальных тканей мы рассмотрим кожу лягушки и мочевой пузырь жабы в качестве симметричных систем будут обсуждаться главным образом митохондрии, хлоропласты и мышцы. Мышце, по праву, будет уделено большое внимание как механохи-мическому преобразователю. [c.11]

Хотя применепие неравновесной термодинамики к мышечному сокращению не продвинулось так далеко, как в области мембранного транспорта, в последующих разделах мы наметим возможности этого подхода и сравним с результатами, полученными при обычном рассмотрении. Как и в других случаях, неравновесная термодинамика, по-видивому, дает незаменимый метод построения логически самосогласованного описания энергетики системы и позволяет систематизировать множество дотоле разнородных фактов. Кроме того, зависимости между силой и скоростью сокращения мыщцы позволяют рассмотреть важные проблемы регуляции и контроля. Для этого можно использовать линейную неравновесную термодинамику, и результаты независимо от того, насколько опи существенны применительно к мышцам, несомненно, представляют большой интерес с общей точки зрения. [c.267]

Ясно, ЧТО ВИД функциональной зависимости Р У) совпадает с У (Р) —ситуация, напоминающая феноменологические уравнения неравновесной термодинамики. Значение этого факта станет понятнее в дальнейшем. Нормированное уравнение дает семейство гипербол, пересекающих обе оси при единичных значениях переменных. Кривизна каждой данной гиперболы зависит от величины 9, которая была названа Хиллом [34] показателем эффективности мышцы. Типичные значения 9 укладываются в интервал 0,2—0,3, а кривизна довольно большая. Хотя уравнение (12.20) резко отличается от других своей симметрией и алгебраической простотой, все они были предложены в значительной мере эмпирически. Кратко Хилл так объяснил свой выбор [39] Реальный вопрос при выборе между четырьмя уравнениями сострит в том, какое из них полезнее всего. Полезно для чего Чтобы сложную смесь наблюдаемых фактов сделать более обозримой, наметить, в каком направлении искать новые факты, и обеспечить плацдарм для нового прорыва в неведомое . Действительно, широкое применение уравнения (12.20) в литературе показывает, что выбор в пользу этого уравнения уже давно сделан большинством исследователей, работающих в данной области. Поэтому у нас есть основания серьезно отнестись к замечанию Прингля [61] Можно предположить, что всякая концептуальная модель всегда связана с уравненном . [c.278]

Однако, вероятно, наиболее важная черта неравновесной термодинамики состоит в ее способности представлять мышцу как систему с двумя потоками. Этот факт невозможно выразить в терминах классической термодинамики, поскольку она имеет дело в основном не с процессами, а с состояниями. Например, при классическом рассмотрении электрохимического элемента обязательно предполагается полное сопряжение между электрическим током и химической реакцией. Другими словами, этот подход рассматривает систему как однопотоковую [ср. с уравнением (6.20)]. Феноменологические уравнения (12.12) и (12.13) или (12.14) и (12.15) дают, по нашему мнению, простейший возможный способ описания системы, имеющей две степени свободы. [c.289]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология