Биология. 1. Живой организм в статическом и магнитном полях 3 Транспорт веществ через биомембраны 6

• Название: 1. Живой организм в статическом и магнитном полях 3 Транспорт веществ через биомембраны 6
• Дата: 20.12.2022
• Размер: 253.1 Kb.
• Имя файла: Биология.docx
• Тип: Документы; #855539

Оглавление

1.Живой организм в статическом и магнитном полях 3

2. Транспорт веществ через биомембраны 6

3. Биофизика слухового анализатора 10

4. Энтропия в биологических системах 16

5. Методы измерения вязкости крови 20

Список литературы 22

1. Живой организм в статическом и магнитном полях

Наша планета и обитающие на ней живые существа постоянно находятся в поле действия электромагнитных волн, излучаемых Солнцем и галактиками, Диапазон частот этих волн от 10 МГц до 10 ГГц, однако интенсивность их незначительная и обычно не превышает 10⁹ Вт/м², хотя при солнечных вспышках она может возрастать в сотни раз. В последние 40–50 лет в связи с развитием электроэнергетики, радио и телевидения интенсивность ЭМП на планете значительно возросла. Радио- и телевизионные станции создают «радиофон», интенсивность которого хотя и не слишком велика, но для обеспечения уверенного приема радиопередач она должна быть по крайней мере в 10 раз выше интенсивности природных ЭМП. Вблизи же радио и телевизионных станций напряженность поля должна быть еще больше и может достигать величины порядка 0,1 В/м, тогда как средняя напряженность поля «атмосфериков», т. е. электрических разрядов в атмосфере, не превышает 10^–3 В/м. Вблизи линий электропередач, высоковольтных трансформаторов возникают ЭМП промышленной частоты (50 Гц). Они быстро уменьшаются с расстоянием, но вблизи от источников могут быть довольно значительными. Высокочастотные (ВЧ) поля с частотой от 10 до 100 МГц, создаваемые, например, генераторами для сушки древесины, также дают достаточную вблизи напряженность поля. Сверхвысокочастотные (СВЧ) поля с частотами до 1000 МГц возникают вблизи радиолокационных и подобных им установок и оцениваются уже по величине потока энергии [1, c. 56].

Эксперименты над животными и наблюдения за людьми показывают, что электромагнитные поля оказывают несомненное влияние на многие функции живых организмов и практически все живые существа (по тем или иным показателям) чувствительны к действию ЭМП. При взаимодействии поля с биообъектами энергия поля в основном затрачивается на нагревание этих объектов. В низкочастотном диапазоне (до 10 МГц) почти все ткани можно рассматривать как проводящие вещества (tgd>-l), и превращение энергии ЭМП в теплоту связано преимущественно с потерями проводимости. При более высоких частотах, т. е. в диапазонах УВЧ и СВЧ, тангенс угла. потерь уменьшается, и ткани уже нельзя рассматривать как проводники. Даже нагревание крови при СВЧ обусловлено диэлектрическими потерями. Глубина проникновения ЭМП в ткани зависит от частоты: чем больше частота, тем меньше проникающая способность электромагнитных волн. Ориентировочно можно считать, что глубина проникновения ЭМП в ткани равна 0,1 длины волны.

Количество теплоты, выделяемой в тканях, зависит от электрических параметров ткани, от частоты и, естественно, от интенсивности облучения. Поскольку ионный состав и количество полярных молекул в разных тканях различно, то при одном и том же ЭМП в разных тканях выделяется разное количество теплоты. Степень нагрева зависит еще и от терморегуляционных свойств ткани. Органы с относительно малым количеством кровеносных сосудов (глаза, семенники) нагреваются сильнее, так как кровь, обладающая большой теплоемкостью, хорошо отводит тепло. Расчеты показывают, что сколько-нибудь значительных изменений в тканях, связанных с их нагревом, можно ожидать лишь в очень сильных ЭМП, в которых величины напряженности электрического поля достигают значений порядка 100 В/м для СВЧ и порядка 10⁶ В/м для ВЧ. Интенсивности таких полей на много порядков превышают интенсивности естественных ЭМП, и, как правило, они применяются в терапевтической практике.

При высоких интенсивностях ЭМП нагрев может быть настолько значительным, что возникают ожоги, некроз тканей, дегенеративные изменения в клетках. Чисто физические соображения говорят о том, что реакция организма возможна только на поля больших интенсивностей, вызывающих недопустимый нагрев тканей. Поэтому долгое время считалось, что природные ЭМП, а также радиофон не оказывают влияния на биосферу, и изучение этого влияния почти не проводилось. Однако за последние десятилетия было обнаружено, что самые различные организмы – от одноклеточных до млекопитающих – обладают высокой чувствительностью к ЭМП, интенсивности которых близки к природным, т. е. в тысячи и миллионы раз более слабым, чем те, которые вызывают заметные тепловые эффекты, причем чувствительность к ЭМП повышается при переходе от менее организованных к более высокоорганизованным системам. К эффектам нетеплового характера относится в основном действие на центральную и вегетативную нервную систему, что, в свою очередь, приводит к функциональным сдвигам других физиологических систем организма. К таким сдвигам относятся нарушения ритма сердца, кровяного давления, обменных процессов и т.п. У человека могут нарушаться зрительные, звуковые, осязательные ощущения. У животных происходит изменение эмоционального состояния: от угнетенного до возбужденного [6, c. 28].

Живые организмы получают посредством природных ЭМП информацию о состоянии внешней среды в дополнение к информации, доставляемой обычными органами чувств. Кроме того, создаваемые самими организмами слабые ЭМП используются ими для внутривидовой и межвидовой сигнализации. Такие собственные ЭМП удалось зарегистрировать у человека, лягушки и насекомых на расстоянии от нескольких сантиметров до нескольких метров от поверхности тела. Например, пчела создает импульсы с частотой 300 Гц, напряженность электрического поля которых на расстоянии 10 см от нее равна примерна 10 мВ/м. Не исключено, что взаимодействием собственного магнитного поля с геомагнитным объясняются навигации рыб, птиц и насекомых, а также причины их миграций.

Человек, находящийся в ЭМП с частотами 425, 1310 и 2982 МГц, слышит жужжание, свист, щелканье. Это экссенсорное восприятие (т.е. восприятие, осуществляемое помимо известных органов чувств) объясняют тем, что ЭМП оказывает непосредственное действие на электрическое поле нейронов мозга, в результате чего и возникает ощущение звука.

Многое в действии высокочастотных ЭМП на живой организм остается еще неясным, в частности его влияние на генетический код. В связи с ежегодным возрастанием высокочастотного радиофона на нашей планете ряд ученых считают его столь же опасным, как и загрязнение окружающей среды продуктами промышленного производства и шумом.

2. Транспорт веществ через биомембраны

Биологическая мембрана - это структура, состоящая из органических молекул, которая имеет толщину около 7-10нм и видима только посредством электронного микроскопа. В каждой клетке есть плазматическая мембрана, которая ограничивает содержимое клетки от наружней среды, и внутренние мембраны, которые формируют различные органоиды клетки (митохондрии, органоиды, лизосомы и т.п.)

Плазматическая мембрана выполняет несколько важных функций.

1) Образует избирательный барьер, который отделяет содержимое клетки от окружающей среды, что позволяет поддерживать постоянными химический состав цитоплазмы и её физические свойства.

2) Регулирует транспорт веществ между содержимым клетки и окружающим клетку раствором.

3) Принимает участие в информационных процессах в живой клетке.

Химическая состав и структура плазматической мембраны

В состав плазматической мембраны входят липиды, белки и углеводы. Соотношение между липидами и белками может значительно варьировать в различных клетках.

Липиды мембраны бывают трех видов: глицерофосфолипиды, сфингофосфолипиды и стероиды (холестерол).

Молекула глицерофосфолипида состоит из остатка трёхатомного спирта глицерола, атомы водорода двух гидроксильных групп которого замещены на две длинные цепи жирных кислот. Третий атом водорода гидроксильной группы глицерина замещён остатком фосфорной кислоты, к которому, в свою очередь, присоединён остаток одного из азотистых оснований (холин, этаноламин, серин, инозитол).

В молекуле глицерофосфолипида можно выделить две части, которые называются головка (остаток глицерина, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание) и хвостики (остатки жирных кислот). Головка и хвостики сильно отличаются по своим физическим свойствам. Головка молекулы фосфолипида гидрофильна (″любит воду″). Она хорошо растворима в воде. Хвостики - гидрофобны (″боятся воды″). Они легко растворяются в липидах и органических растворителях, но водой отталкиваются. Таким образом, в целом молекула фосфолипида, содержащая как водорастворимые, так и липидорастворимые области, имеет амфифильные свойства.
Молекулы сфингофосфолипидов также состоят из головки и хвостиков. Они отличаются из фосфолипидов тем, что вместо остатка глицерина содержат остаток спирта сфингозина [7, c. 98].

Если сухие фосфолипиды погружают в воду, они спонтанно формируют в зависимости от их концентрации различные структуры (Рис. 1). Одна из них - сферическая структура, называемая мицеллой. Молекулы фосфолипидов упорядочены так, что гидрофильные головки направлены в водную среду, а гидрофобные хвосты - внутрь структуры.

При более высокой концентрации фосфолипидов, их молекулы формируют бислойные пластинчатые структуры. Немецкие ученые Gorter и Grendel доказали, что такая бислойная фосфолипидная структура является о сновой мембраны клетки.


Рис. 1. Мицелла и бислойная пластина в водном растворе
Физическое состояние фосфолипидного бислоя зависит от температуры. Если температура превышает критическую точку, бислой представляет собой жидкость. При этом каждая молекула имеют возможность перемещаться.

Существует несколько видов движения молекул липидов: колебание, вращение, латеральная диффузия (перемещение молекул в пределах своего слоя), флип-флоп (перемещение молекул из одного слоя липидов в другой, происходит редко).

Белки мембраны подразделены на два вида. Молекулы первого типа являются гидрофильными. Эти белки, называемые периферическими, соединены с поверхностью мембраны сравнительно слабыми электростатическими силами. Белки второго вида имеют как гидрофильные, так и гидрофобные группы. Их молекулы более или менее погружены в мембрану, и удерживаются в ней более прочными гидрофобными силами. Некоторые белки пронизывают мембрану от ёё внутренней до внешней поверхностей - интегральные белки (Рис. 2).

Многочисленные белки мембраны выполняют различные функции (метаболическую, транспортную, рецепторную и т.п.). Функции белков мембраны существенно зависят от строения их молекул.



Рис. 2. Жидкостно-мозаичная модель мембраны: фосфолипидный бислой; периферические и интегральные белки.


Классификация процессов транспорта в биологических мембранах

Мембрана клетки является избирательным барьером для различных веществ, находящихся внутри и снаружи клетки. Существует несколько специфических механизмов транспорта в мембранах. Все он могут быть подразделены на два типа: пассивный и активный транспорт.

Все виды пассивного транспорта основаны на принципе диффузии. Небольшая частица, растворённая в жидкости, постоянно подвергается ударам со стороны окружающих её молекул жидкости. Результатом этого является хаотическое движение частицы, которое называется броуновским движением. Диффузия является результатом хаотических независимых движений многих частиц. Если концентрация вещества одинаковая в каждой части раствора, то движение частиц хаотично. При этом существует дрейф частиц из областей, где они расположены более плотно, в области, где частиц меньше.
Диффузия незаряженных частиц вызывается их концентрационным градиентом и направлена в сторону уменьшения этого градиента. Частицы вещества перемещаются из области более высокой концентрации вещества в области, где концентрация этого вещества низкая. Диффузия постепенно уменьшает градиент концентрации до тех пор, пока не наступит состояние равновесия. При этом в каждой точке установится равная концентрация, и диффузия в обоих направлениях будет осуществляться в равной степени. Диффузия является пассивным транспортом, поскольку не требует затрат внешней энергии.

Существует несколько видов диффузии в плазматической мембране:

1) Свободная диффузия.

2) Облегченная диффузия неэлектролитов.

3) Электродиффузия (облегченная диффузия ионов).

Раствор вещества высокой концентрации обладает более высокой свободной энергией, чем раствор вещества более низкой концентрации. В процессе диффузии энергия рассеивается. Напротив, вещество не может переместиться из области низкой его концентрации в область высокой его концентрации за счёт внутренней энергии. Для этого необходима дополнительная энергия из внешнего источника.

Для того, чтобы перемещать вещества против их концентрационного или электрохимического градиентов, мембрана использует энергию метаболизма. Такой тип транспорта называется активным транспортом. Есть два основных вида активного транспорта:

1) Первично-активный транспорт.

2) Вторично-активный транспорт.

Более сложные механизмы транспорта - экзоцитоз и эндоцитоз, в ходе которых макромолекулы поступают в клетку или выделяются из неё через небольшие, окружённые мембраной везикулы.

3. Биофизика слухового анализатора

Строение и функции элементов наружного и среднего уха.


Рисунок 3. 1 – ушная раковина, 2 – слуховой проход, 3 – барабанная перепонка.
Наружное ухо (auris externa) состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода длиной 2,7 см. Ушная раковина (auricula) называемая обычно просто ухом, образована эластическим хрящом, покрытым кожей. Этот хрящ определяет внешнюю форму ушной раковины и ее выступы: свободный загнутый край - завиток (helix) и параллельно ему - противозавиток (anthelix) а также передний выступ - козелок (tragus) и лежащий сзади него противокозелок (antitragus).

Внизу ушная раковина заканчивается не содержащей хряща ушной мочкой, являющейся характерным для человека прогрессивным признаком. В глубине раковины за козелком открывается отверстие наружного слухового прохода. Наружный слуховой проход (meatus асusticus externus) слагается из двух частей - хрящевой и костной. Хрящевой слуховой проход составляет продолжение хряща ушной раковины в форме желоба, открытого кверху и кзади. Он своим внутренним концом соединяется при посредстве соединительной ткани с краем барабанной части височной кости [5, c 56].

Хрящевой слуховой проход, в общем, составляет треть длины всего наружного слухового прохода. Костный слуховой проход, составляющий две трети длины целого слухового прохода, открывается кнаружи посредством наружного слухового отверстия (porus acusticus externus); по окраине этого отверстия проходит круговая костная бороздка (sulcus tympanicus). Направление целого слухового прохода в общем фронтальное, но он идет не прямолинейно, а образуя S-образный изгиб, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Вследствие изгибов слухового прохода, для того чтобы увидеть находящуюся в глубине барабанную перепонку, необходимо его выпрямить, оттягивая ушную раковину назад, кверху и кнаружи. Кожа, покрывающая ушную раковину, продолжается в наружный слуховой проход.

В хрящевой части прохода кожа со стороны наружного слухового прохода богата как сальными, так и особого рода железами (glandulae ceruminosae) выделяющими желтоватого цвета секрет, так называемую ушную серу (cerumen). Барабанная перепонка (membrana tympani) находится на границе между наружным и средним ухом, на конце наружного слухового прохода. В связи с косым положением внутреннего конца слухового прохода перепонка стоит наклонно, у новорожденных почти горизонтально.

Барабанная перепонка у взрослого имеет форму овала с длинным поперечником (11 мм) и коротким (9 мм); она представляет тонкую полупросвечивающую пластинку, которая в своем центре, втянута внутрь наподобие плоской воронки. Наружная ее поверхность покрыта утонченным продолжением кожного покрова слухового прохода (stratum cutaneum), а внутренняя - слизистой оболочкой барабанной полости (stratum mucosum). Сама толща перепонки между этими двумя слоями состоит из фиброзной соединительной ткани, волокна которой в периферической части перепонки идут в радиальном направлении, а в центральной части - циркулярно.

Вверху барабанная перепонка не содержит фиброзных волокон, состоит только из кожного и слизистого слоев с тонкой прослойкой рыхлой клетчатки между ними; эта часть барабанной перепонки более мягка и слабо натянута и поэтому носит название - pars flaccida в противоположность остальной туго натянутой части - pars tensa.

Артериальную кровь наружное ухо получает от веточек двух артерий – поверхностной височной артерии (a. temporalis superficialis) и задней ушной артерии (a. auricularis posterior); к передней стенке костной части наружного слухового прохода и к барабанной перепонке подходят конечные ветви глубокой ушной артерии (a. auricularis profunda). Венозная кровь оттекает в заднюю ушную вену (v. auricularis posterior) и в занижнечелюстную вену (v.Retromandibularis). Лимфа из всего наружного уха уносится к лимфатическим узлам, лежащим спереди и сзади ушной раковины. Барабанная перепонка, вся передняя стенка наружного слухового прохода, а также передняя часть ушной раковины иннервируются чувствительными ветвями аурикулотемпоральной нервы (n. auriculotemporalis). Вся остальная часть ушной раковины вместе с мочкой снабжаются от шейного сплетения (n. auricularis magnus).

Наружное ухо выполняет следующие функции: локализация звука в пространстве, усиление звукового сигнала (резонансное), механическая защита барабанной перепонки, обеспечение микроклимата, что необходимо для нормального функционирования барабанной перепонки.

Колебания барабанной перепонки происходят тогда, когда на нее падают звуковые колебания, улавливаемые наружным ухом. Натяжение барабанной перепонки в различных частях неодинаковое. Это приводит к тому, что она не имеет своего собственного периода колебаний и колеблется при любом звуке соответственно его длине его волны.


Рисунок 4. Система слуховых косточек: 4 – молоточек, 5 – наковальня, 6 – стремечко.
Среднее ухо (amis media) состоит из барабанной полости и слуховой трубы, сообщающей барабанную полость с носоглоткой. Барабанная полость (cavitas tympanica) заложена в основании пирамиды височной кости между наружным слуховым проходом и лабиринтом (внутренним ухом). Она содержит цепь из трех мелких косточек, передающих звуковые колебания от барабанной перепонки к лабиринту. Барабанная полость имеет очень небольшую величину (объем около 1 см3) и напоминает поставленный на ребро бубен, сильно наклоненный в сторону наружного слухового прохода.

Внутреннее ухо, или лабиринт, располагается в толще пирамиды височной кости между барабанной полостью и внутренним слуховым проходом, через который выходит из лабиринта преддверно-улитковый нерв (n. vestibulocochlearis).

Благодаря зависимости, местоположение максимальной амплитуды бегущей волны на БМ от частоты вызывающей ее звукового тона, происходит распределение этих частот между различными участками Кортиевого органа. Его волосковые клетки возбуждаются, главным образом, в местах максимального смещения БМ, следовательно, звуковой тон каждой частоты возбуждает соответствующие слуховые рецепторы. В этой связи в У осуществляется первый этап частотного анализа звука, который основывается на пространственном разграничении участков БМ, колеблющихся с неодинаковой амплитудой, под действием звукового тона определенной частоты. Звуки пороговой интенсивности, вызывающие бегущие волны, амплитуда которых в Кортиевом органе не превышает м. При усилении звуков, амплитуда колебаний БМ больше этой величины всего на 1-2 порядка, следовательно, слуховой рецептор реагирует на ничтожные механические перемещения. Начало этой реакции связано с движением волосков (цилий) на опекальном полюсе волосковой клетки эти смещения обусловлены распределением бегущей волны по БМ. Среди цилий в каждой внутриволосковой клетке различают одну длинную (киноцилия) и множество (примерно 100-120) коротких (стереоцилий). Рецепция звука обусловлена воздействием механических усилий на стереоцилии.

Стереоцилии прикасаются к покровной мембране, которая имеет желеобразное состояние. Один край покровной мембраны закреплен на костной спиральной пластинке, а другой, свободный, нависает над свободными клетками. Модель изгиба стереоцилий под действием звуковых тонов, схематически можно представить в виде:


Рис. 5 Модель изгиба стереоцилий под действием звука

КСП – костная спиральная пластинка; БМ – базилярная мембрана;

ПМ – покровная мембрана; СУ – стенка улитки, к которой прикрепляется базилярная мембрана; С – стереоцилии волосковой клетки
При совместных колебаниях БМ и ПМ происходит изгиб стереоцилий. Небольшое смещение их свободных концов приводит к значительной конформационной перестройке молекул плазмолеммы волосковой клетки в тех местах, где залегают «корни» изогнувшихся волосков, поскольку стереоцилиям присущи свойства микроочагов.

Конформации мембраных макромолекул обусловливают изменение проницаемостей для ионов и, следовательно, приводят к возникновению ионного тока через мембрану волосковой клетки. Это сопровождается сдвигом разности потенциалов на мембране, когда стереоцилии изгибаются в сторону киноцилий, рецепторная клетка деполяризуется. При их противоположном смещении наблюдается гиперполяризация. Только деполяризация волосковой клетки обеспечивает усиление импульсации в слуховом нерве, поэтому, именно деполяризационный сдвиг мембранного потенциала называется рецепторным потенциалом волосковой клетки – РП.

Уровень ПП волосковой клетки относительно межклеточной среды (перелимфы), находится в пределах от -50 до –70 мВ. Значение рецепторного потенциала зависит от интенсивности звука, и его величина составляет примерно 10 мВ. Максимальная величина РП, зарегистрированного с помощью микроэлектронной техники, составляет примерно 24 мВ. РП электротонически распределяется по плазмолемме волосковой клетки от ее опекального полюса к базальному. Там деполяризация приводит к высвобождению медиатора (определенное химическое вещество), поступающего далее через синоптическую щель на субсиноптическую мембрану, которая принадлежит чувствительному нервному окончанию, контактирующему с данной волосковой клеткой. Под действием медиатора, на субсиноптической мембране возникает генераторный потенциал – ГП. Этот ГП электротонически распространяется на внесиноптические участки афферентных волокон, где вызывает образование ПД. В таком виде нервная импульсация направляется в ЦНС по слуховому нерву. Следовательно, по механизму преобразования адекватного стимула (звука) в нервные импульсы, слуховой рецептор является типичным представителем вторично чувствующих рецепторов.

Каждая волосковая клетка соединена с нервными окончаниями, при этом, каждое волокно слухового нерва начинается от узкого ограниченного участка Кортиевого органа, в отдельных случаях, от одной волосковой клетки. Поскольку слуховые рецепторы расположены в том или ином месте БМ возбуждается звуками определенных частот, то каждая небольшая группа нервных волокон слухового нерва проводит импульсы в ответ на звуки преимущественно одной частоты. Эта частота называется характерической частотой волокна. Если звук представляет собой сложные колебания, то в слуховом нерве активизируются все волокна, характерические частоты которых соответствуют гармоническому спектру сложного звука. Следовательно, на уровне слуховых рецепторов звуки разлагаются в гармонический спектр. Длительность звукового сигнала кодируется временем активации афферентных волокон, которые входят в состав слухового нерва.

4. Энтропия в биологических системах

В течение длительного времени считали, что второй закон термодинамики неприменим к биологическим системам, т.к. согласно этому закону в системах могут происходить лишь процессы, связанные с рассеиванием энергии, с уменьшением свободной энергии, с уменьшением градиентов. В конечном итоге эти процессы приводят к установлению термодинамического равновесия.

В организме, однако, происходят как градиентные процессы (пассивный транспорт веществ), так и противоградиентные процессы (активный транспорт веществ). Работоспособность биологических систем также не уменьшается со временем, т.е. с точки зрения классической термодинамики жизнь – это невероятное состояние. Все процессы в системе должны приближаться к термодинамическому равновесию, что применительно к живым организмам означает приближение к смерти.

Но все это только кажущееся несоответствие, так как организм человека и другие живые организмы являются открытыми системами, а законы термодинамики были разработаны для изолированных и закрытых систем. В связи с этим термодинамика живых организмов может быть рассмотрена как термодинамика открытых систем [1,ас.165]. Теория открытых систем была разработана Колосовским, Де Донде, И. Пригожиным. Открытая система обменивается с окружающей средой и веществом и энергией, поэтому общее изменение свободной энергии dF и энтропии dS в такой системе разделяется на две части:

dF = dFi + dFe ; dS = dSi + dSe ; (1)

где dFi и dSi – обусловленные процессами, протекающими внутри системы; dFe и dSe, обусловленные взаимодействием с окружающей средой. Многие ученые используют понятие отрицательная энтропия, считая при этом, что в организме постоянно продуцируется положительная энтропия, а из окружающей среды в организм постоянно поступает отрицательная энтропия.

Следует отметить, что отрицательная энтропия в биофизике понятие условное, под которым следует понимать не запас упорядоченности, а свободную энергию, поступающую с пищей. Так как все биохимические и биофизические процессы в организме являются необратимыми, то dFi 0.

При наличии биосинтеза в организме может наблюдаться местное уменьшение энтропии и увеличение свободной энергии, но это происходит лишь за счет увеличения S и уменьшения F в другой части организма. Причем подобные процессы носят локальный характер. Таким образом, эта оговорка не изменяет общего правила, согласно которому протекание суммарного процесса в организме сопровождается уменьшением F и увеличением S. Восполнение свободной энергии происходит за счет поступления в организм питательных веществ, а выведение энтропии осуществляется за счет выведения конечных продуктов обмена и теплоты.

Энтропия в организме может оставаться постоянной величиной, может увеличиваться и может даже уменьшаться, однако во всех случаям энтропия системы "организм – среда" возрастает, что находится в полном соответствии со вторым законом термодинамики [2, с.289]. Уравнение (1) можно записать в следующем виде:

dS t = dSi t + dSe t . (2)

Это уравнение является математическим выражением 2-го закона термодинамики для живых организмов, т.е. скорость изменения энтропии в организме равна алгебраической сумме скорости производства энтропии внутри организма и скорости поступления отрицательной энтропии из среды в организм. Определенные соотношения скоростей химических процессов обуславливают такое состояние живого организма, при котором различные физико-химические показатели и различные градиенты остаются на одном уровне. Иначе говоря, живые организмы обладают известной устойчивостью. Поэтому для нас важно такое состояние системы, когда скорость производства энтропии равна скорости поступления отрицательной энтропии из среды в систему

dSi t = − dSe t и тогда dS dt = dSi dt + dSe dt , (3)

т.е. общее изменение энтропии системы равно нулю. Состояние системы, при которой параметры ее со временем не изменяются, но происходит обмен веществом и энергией с окружающей средой, называется стационарным.

Уравнение (3) является уравнением стационарного состояния. Сходство термодинамического равновесия и стационарного состояния заключается в том, что параметры, как в том, так и в другом случае, не меняются во времени. Но постоянство параметров при стационарном состоянии достигается не в результате отсутствия всяких направленных процессов, как при термодинамическом равновесии, а в результате того, что скорость и направленность этих процессов постоянны и взаимоуравновешены.

По существу, гомеостаз – это стационарное состояние организма. Стационарное состояние присуще не только организму в целом, но и отдельным его клеткам. Вследствие необратимости процессов в организме скорость производства энтропии внутреннего больше нуля:

dSi dt > 0 . (4)

Пригожин на основе изучения открытых систем сформулировал основное свойство стационарного состояния: в стационарном состоянии скорость возрастания энтропии, обусловленной протеканием необратимых процессов, имеет положительное и минимальное из возможных значений [3, с.211].

Это положение получило название теоремы Пригожина, так как энтропия является мерой рассеивания свободной энергии, но при стационарном состоянии рассеивание свободной энергии бывает минимальным. Система для поддержания стационарного состояния требует минимального из всех возможных значений притока свободной энергии. Организм стремится работать на наиболее выгодном энергетическом уровне. Стремление энтропии к минимальной величине ведет к тому, что при любом отклонении от стационарного состояния в системе наступают такие внутренние изменения, которые будут стремиться вернуть ее к минимуму производства энтропии и приближать систему вновь к стационарному состоянию. Система сама настраивается на наиболее выгодный, устойчивый термодинамический режим функционирования. Это свойство системы называется аутостабилизацией.

Например, повышение температуры внешней среды действует на механизмы терморегуляции и приводит к уменьшению организмом теплопродукции к увеличению теплоотдачи. Стационарное состояние поддерживается в организме на основе обратной связи. Воздействие внешних факторов может изменить уровень стационарного состояния, однако эти изменения должны лежать в пределах физиологических норм, которые обусловлены совершенством ауторегулирующих механизмов их возможностями. Если ауторегулирующие механизмы способны поддерживать стационарное состояние биологической системы, при данном изменении внешних условий, то организм адаптируется к этим условиям, в противном случае в организме могут произойти патологические изменения, а возможно и его гибель [4, с.233].

Биологические системы постоянно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой и к изолированным системам не относятся, поэтому применение второго начала термодинамики к живым системам оспаривалось некоторыми учеными. Однако большинство исследователей приходят к выводу, что рассмотрение жизненных процессов с точки зрения этого принципа является весьма плодотворным [5, с.188].

5. Методы измерения вязкости крови

Совокупность методов измерения вязкости жидкости называется вискозиметрией. Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром. В зависимости от метода измерения вязкости используют следующие типы вискозиметров.

1. Капиллярный вискозиметр Оствальда основан на использовании формулы Пуазейля. Вязкость определяется по результату измерения времени протекания через капилляр жидкости известной массы под действием силы тяжести при определенном перепаде давлений.

2. Медицинский вискозиметр Гесса с двумя капиллярами, в которых движутся две жидкости (например, дистиллированная вода и кровь). Вязкость одной жидкости должна быть известна. Учитывая, что перемещение жидкостей за одно и то же время обратно пропорционально их вязкости, вычисляют вязкость второй жидкости.

3. Вискозиметр, основанный на методе Стокса, согласно которому при движении шарика радиуса R в жидкости с вязкостью η при небольшой скорости v сила сопротивления пропорциональна вязкости этой жидкости: F = 6πηRv (формула Стокса). Эритроциты перемещаются в вязкой жидкости - плазме крови. Так как эритроциты имеют дискообразную форму и оседают в вязкой жидкости, то скорость их оседания (СОЭ) можно определить приближенно по формуле Стокса. О скорости оседания судят по количеству плазмы над осевшими эритроцитами. В норме скорость оседания эритроцитов равна: 7-12 мм/ч для женщин и 3-9 мм/ч для мужчин [4, c. 98].

4. Вискозиметр ротационный (рис. 6) состоит из двух коаксиальных (соосных) цилиндров. Радиус внутреннего цилиндра - R, радиус внешнего цилиндра - R+ΔR (ΔR << R). Пространство между цилиндрами заполняют исследуемой жидкостью до некоторой высоты h. Затем внутренний цилиндр приводят во вращение, прикладывая определенный момент сил М, и измеряют установившуюся частоту вращения ν.


Рис. 6.Ротационный вискозиметр (сечения вдоль и перпендикулярно оси)

Вязкость жидкости вычисляют по формуле

Применяя ротационный вискозиметр, можно измерять вязкость при разных угловых скоростях вращения ротора. Данный метод позволяет установить зависимость между вязкостью и градиентом скорости, что важно для неньютоновских жидкостей.

Список литературы

1. 
   Антонов В.Ф., Черныш А.М. и др. Биофизика. Учебник для ВУЗов. Издательство: Владос. 2000 г. 287 с.
   
2. 
   Бауэр Э.С. Теоретическая биология. М.: Росток. 2002.–211с.
   
3. 
   Базаров И.П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. –233с.
   
4. 
   Биофизика: методические указания к лабораторным работам / РГРТУ; сост.: С. П. Вихров, В.В. Гудзев, О.В. Мельник. Рязань, 2009. 60 с.
   
5. 
   Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Наука,2009. –289с.
   
6. 
   Рубин А.Б. Биофизика. – М.: Наука, 2018. –188с.
   
7. 
   Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. М.: Наука, 2014. – 165 с.