Очерк 1. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Обязательным процессом, без которого немыслима жизнь, является обмен веществ. Он возможен только при условии трат свободной энергии, т. е. при совершении работы. Под работой в широком смысле следует понимать «изменение формы движения материи, рассматриваемое с количественной стороны» (Ф. Энгельс). Обмен веществ — это одновременно протекающие, но не всегда равные по интенсивности процессы ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция приводит к накоплению в организме пластических веществ, идущих на формирование различных тканей (массы тела), и энергетических, необходимых для осуществления всех жизненных процессов. За счет диссимиляции происходит распад химических соединений, разрушение отживших и поврежденных элементов тканей и высвобождение энергии. Оба процесса осуществляются в организме при условии поступления, переработки и усвоения белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ, микроэлементов из внешней среды в виде продуктов питания и удаления их в виде продуктов распада. Принципиальная схема обмена веществ в организме представлена на рис. 1.

Рис. 1. Три стадии катаболизма и анаболизма (по А. Ленинджеру, 1974)Рис. 1. Три стадии катаболизма и анаболизма (по А. Ленинджеру, 1974): жирные стрелки — катаболические пути, светлые — анаболические. Стадия III амфиболическая. На этой стадии завершается разрушение пищевых молекул до СО2 и восстанавливаются низкомолекулярные
предшественники для анаболических процессов.

Процесс обмена веществ подчиняется всеобщему закону сохранения материи, который гласит: при всех явлениях природы видоизменяется только форма вещества, количество же его остается постоянным, или — данная масса материи независима от изменений, происходящих в ней.

В справедливости этого закона в отношении живых объектов можно убедиться на следующем.

1. На примере суточного потребления и выделения веществ (в граммах) организмом человека, находящегося в состоянии максимального покоя — основного обмена:

Потребление

Кислорода через легкие — 800
Воды через пищеварительный аппарат — 2800
Солей минеральных — 30
Органических веществ (100 г белков, 60 г жиров, 500 г углеводов) 660

Итого . . . 4290

Выделение

Углекислоты через легкие 900 Воды через легкие 900 Воды через кожу (пот) 800 Воды с мочой 1500 Воды с калом 100 Солей с мочой 25 Органических веществ с мочой 35 Органических и неорганических веществ с калом 30

Итого . . . 4290

2. На примере включения живых организмов (их обмена веществ) в общий круговорот веществ в природе и поддержания его постоянства (рис. 2).

Согласно закону сохранения энергии, общая сумма энергии материальной системы остается постоянной независимо от изменений в самой системе, или — энергия не исчезает и не творится вновь, а только переходит из одной формы в другую. Так, при полном превращении 1 ккал (4,18 Дж) в механическую работу ее всегда совершается 427 кГм (4162 Дж). Это и есть механический эквивалент тепла. При превращении 1 ккал в электрическую энергию получается такое ее количество, которое будучи превращено в механическую работу даст те же 427 кГм.

Рис. 2. Схема круговорота веществ в природе (из Дж. Хатчинсона, 1972)Рис. 2. Схема круговорота веществ в природе (из Дж. Хатчинсона, 1972): в общих чертах существование биосферы основано на использовании солнечной энергии для фотосинтетического восстановления атмосферной двуокиси углерода; причем образуются, во-первых, органические соединения и, во-вторых, молекулярный кислород. На схеме изображен также круговорот некоторых других важных элементов.

Приложимость этого закона к живым организмам была доказана Робертом Майером. Простота и изящество, с каким это было сделано, являются примером поразительной наблюдательности и научной прозорливости исследователя. Находясь в должности судового врача, по прибытии на остров Ява Майеру пришлось с лечебной целью провести кровопускание нескольким заболевшим матросам. При этом он заметил, что венозная кровь, которая обычно значительно темнее богатой кислородом артериальной, почти не отличалась по цвету. Это натолкнуло Майера на мысль, что в условиях жаркого климата тропиков для поддержания температуры тела 37° и совершения работы организм нуждается в менее интенсивном обмене веществ, чем в условиях холодного климата, а следовательно, и в меньшем потреблении пищи. Так была установлена связь между питанием и окружающей температурой. Естественны и связи интенсивности окислительных процессов с теплообразованием; образования тепла в теле человека с теплопотерями; теплоты с произведенной работой. Эти умозаключения привели Майера к выводу о том, что механическая работа, кинетическая энергия и теплота могут превращаться друг в друга, т. е. все это различные формы энергии. Так Майер в 1842 году пришел к формулировке закона сохранения и превращения энергии. По существу он его переоткрыл после Ломоносова (1748—1756) и Карно (1824).

Источники и литература

  • Логинов А. А. Очерки по общей физиологии. Основные свойства и закономерности живых систем. Минск, «Вышэйш. школа», 1976.