- •1. Механические волны
- •2. Физические характеристики звуковых волн. Эффект Доплера и его применение
- •3. Восприятие звука. Закон Вебера – Фехнера
- •4. Инфразвук и ультразвук. Использование ультразвука в медицине, ветеринарии и биотехнологии.
- •5. Упругие свойства твердых тел. Биореология
- •6. Поверхностное натяжение жидкостей и его значение для живых организмов
- •7. Гидростатическое давление жидкости. Закон Архимеда
- •8. Стационарное движение идеальной жидкости. Уравнение неразрывности потока. Уравнение Бернулли
- •9. Вязкость жидкости. Формула Стокса
- •10. Течение вязкой жидкости в горизонтальной трубе. Формула Пуазейля
- •11. Основы гемодинамики
- •12. Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Адиабатический процесс
- •13. Второе начало термодинамики. Энтропия
- •14. Энергетический баланс живого организма. Энтропия и живой организм
- •15. Явления переноса: теплопроводность и конвекция, диффузия
- •16. Осмос. Примеры осмотического эффекта в живых организмах
- •17. Фазовые превращения. Фазовые превращения в живых организмах и биотехнологии
- •18. Постоянное электрическое поле и его действие на организм. Биопотенциалы
- •19. Закон Ома. Закон Джоуля – Ленца. Электродвижущая сила
- •20. Электрический ток в электролитах
- •21. Действие постоянного электрического тока на живой организм
- •22. Постоянное магнитное поле и его действие на организм
- •23. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца
- •24. Переменный ток. Закон Ома для цепи переменного тока
- •25. Действие переменного тока на живой организм
- •26. Природа света. Распространение световых волн. Законы геометрической оптики
- •27. Тонкие линзы и их характеристики. Микроскоп
- •28. Основные фотометрические характеристики
- •29. Физические явления, связанные с волновыми свойствами света. Разрешающая способность микроскопа
- •30. Тепловое излучение и его действие на организм
- •31. Ультрафиолетовое излучение и его действие на организм
- •32. Глаз и зрение
- •33. Кванты света. Фотобиологические процессы
- •34. Лазеры и их применение в медицине и ветеринарии
- •35. Рентгеновское излучение и его применение в диагностической практике
- •36. Квантовая модель атома
- •37. Свободнорадикальные процессы в организме. Биоантиокислители (антиоксиданты)
- •38. Строение атомного ядра. Ядерные реакции. Радиоактивность.
14. Энергетический баланс живого организма. Энтропия и живой организм
Энергию в форме химических связей животные получают с пищей. Энергетический баланс животных удалось измерить на основе закона Гесса: тепловой эффект химической реакции, развивающейся через ряд промежуточных стадий, не зависит от пути перехода и определяется только разностью состояний исходных и конечных продуктов. Основным конечным продуктом сгорания пищевых продуктов как в огне, так и при окислении их в организме животного является углекислый газ. Один и тот же корм имеет разную обменную энергию для разных животных, что связано с различием процессов пищеварения у разных животных. Обменная энергия различных кормов тоже различна. В зоотехнической практике рационы животных рассчитываются, исходя из их энергетических потребностей. В холодное время организм регулирует теплопродукцию, уменьшая синтез АТФ. При этом доля первичного тепла существенно увеличивается, так как уменьшается энергия, затрачиваемая на синтез АТФ. Другими словами, организм использует пищу в основном для обогрева. Поэтому зимой сельскохозяйственных животных надо содержать в отапливаемых помещениях и давать подогретые корма и воду. Это уменьшит тепловые потери животных и поддержит их продуктивность. По сравнению с млекопитающими и птицами потребность в энергии у рыб (на килограмм массы) в 1,5-2 раза меньше, это происходит из-за того, что рыбам не нужно тратить энергию на поддержание постоянной температуры тела, а также на преодоление силы тяжести. Поэтому выращивание холоднокровных водных животных выгоднее, чем теплокровных сухопутных.
Растения: вместо высокоэнергетичных молекул пищи растения используют солнечный свет, углекислый газ и воду. В процессе фотосинтеза электромагнитная энергия света частично идет на построение из углекислого газа и воды молекул углеводов (например, глюкозы) и молекул АТФ, частично выделяется в окружающую среду в виде тепла. Поэтому, по большому счету, основным источником энергии для всех живых организмов является солнце. А самый важный биологический процесс, обеспечивающий пищей все живое, – фотосинтез.
Поддерживая внутренний порядок за счет энергии питательных веществ, любой организм всегда «выбрасывает» неупорядоченную энергию в окружающую среду в виде тепла или неусвоенных остатков пищи. Энтропия организма уменьшается (ΔSo < 0), а энтропия окружающей среды увеличивается (ΔSc > 0). При этом оказывается, что полная энтропия системы животное + окружающая среда увеличивается (внешний беспорядок превышает внутренний порядок) . ΔS = ΔSo + ΔSc > 0Итак, организм в целом, в своем взаимодействии со средой обитания, вполне подчиняется законам термодинамики. Известный австрийский физик-теоретик Э. Шредингер, один из создателей квантовой механики, в середине ХХ века отмечал, что у живого должны быть свои физические законы. Но оказалось, что в сложных биохимических реакциях, протекающих в клетке, законы термодинамики не выполняются, например, С молекулы ДНК постоянно списывается часть информации на и-РНК (транскрипция) для синтеза того или иного белка (трансляция). Этот белок синтезируется на рибосомах методом ускоренной конвейерной сборки, так, что скорость соединения аминокислот в белковую цепочку очень большая. Любые ошибки синтеза белка почти мгновенно исправляются контролирующими ферментами. На этом «конвейере» нет ни одного лишнего движения. При этом соблюдаются не абсолютные условия, но сборка проходит идеально. Это происходит из-за того, что в момент образования пептидной связи тепловые движения атомов прекращаются («замораживаются»), что и обеспечивает стопроцентную точность сборки. Это относится не только к синтезу белка, но и ко всем внутриклеточным реакциям подобной сложности (репликация, транскрипция…). Так организм понижает энтропию и создает порядок. На вопрос, почему так происходит, Шредингер и другие физики отвечают: строжайший и точнейший порядок частиц в живом организме рождается не от беспорядка, а от прежде установленного порядка. То есть все молекулярные процессы живого организма изначально запрограммированы.