Биофиз.РЕМИЗОВ. Механика. Акустика глава 4 Некоторые вопросы биомеханики

• Название: Механика. Акустика глава 4 Некоторые вопросы биомеханики
• Анкор: Биофиз.РЕМИЗОВ.doc
• Дата: 08.12.2017
• Размер: 9.74 Mb.
• Имя файла: Биофиз.РЕМИЗОВ.doc
• Тип: Документы; #10792
• страница: 15 из 41

§ 10.3. Стационарное состояние. Принцип минимума производства энтропии

Изложенные выше вопросы термодинамики относились в ос­новном к равновесным процессам или к процессам, которые при­водят к равновесным состояниям. Такие ограничения позволили объяснить направленность термодинамических процессов в изо­лированной системе.

Реальные процессы и состояния в природе и технике явля­ются неравновесными, а многие системы — открытыми. Эти процессы и системы рассматриваются в неравновесной термодинамике.

Аналогично тому, как в равновесной термодинамике особым состоянием является состояние равновесия, так в неравновесной термодинамике особую роль играют стационарные состояния.

Несмотря на то, что в стационарном состоянии необратимые процессы, протекающие в системе (диффузия, теплопроводность и др.), увеличивают энтропию, энтропия системы не изменяется. Как понять это противоречие?

Представим изменение энтропии AS системы в виде суммы в виде двух слагаемых:

где ∆Si — изменение энтропии, обусловленное необратимыми про­цессами в системе, ∆S_e — изменение энтропии, вызванное взаимо­действием системы с внешними телами (потоки, проходящие че­рез систему).

Необратимость процессов приводит к ∆S_i > 0, стационарность со­стояния — к ∆S = 0; следовательно, ∆S_e = ∆S - ∆S_i < 0. Это означа­ет, что энтропия в продуктах (вещество и энергия), поступающих в систему, меньше энтропии в продуктах, выходящих из системы.

В равновесном состоянии, как уже отмечалось, энтропия мак­симальна. Для стационарных состояний. Пригожий также ука­зал экстремальное значение некоторой функции, сформулировав принцип минимума производства энтропии: в стационарном со­стоянии системы скорость возникновения энтропии вслед­ствие необратимых процессов имеет минимальное значение при данных внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния (dS_i/dt > 0 и минимальна).

Согласно принципу Пригожина, в системе при стационарном состоянии внутренние неравновесные процессы (диффузия, теп­лопроводность, химические реакции и др.) протекают так, что ежесекундный прирост энтропии минимален. Это означает, что система за счет внутренних необратимых процессов не способна выйти из стационарного состояния. Так, если за счет небольших отклонений (флуктуации) система несколько и отклонилась бы от Стационарного состояния, то стремление внутренних процессов уменьшить dS_i/dt вернет систему вновь к этому состоянию.

Отметим, что все изложенное, в том числе и принцип Приго­жина, справедливо при заданных и неизменных внешних услови­ях. При изменении внешнего воздействия (потоков, входящих и Исходящих из системы) система уходит из одного стационарного Состояния и переходит в другое в том случае, если новые внешние условия будут сохраняться во времени.

Примерами переходных процессов между стационарными со­стояниями в биологических системах являются генерация нерв­ного импульса, мышечное сокращение и др.

§ 10.4. Организм как открытая система

Начальное развитие термодинамики стимулировалось потребнос­тями промышленного производства. На этом этапе (XIX в.) ее основ­ные достижения заключались в формулировке законов, разработке теории циклов и термодинамических потенциалов применительно к идеализированным процессам: равновесным и обратимым.

Термодинамика биологических систем в этот период не разви­валась. Одним ярким исключением из этого была работа Майера, который по цвету венозной крови матросов, работающих в усло­виях тропического климата, сформулировал, по существу, прило­жимость закона сохранения энергии в термодинамике (первого начала термодинамики) к живым системам.

Первый закон термодинамики как закон сохранения энергии настолько очевиден, что его применения к биологическим систе­мам здесь не рассматриваются, тем более что в курсе нормальной физиологии изучаются такие темы, как «Обмен веществ и энер­гии. Питание. Терморегуляция», а в § 22.5 анализируется тепло­обмен человека с окружающей средой посредством теплового из­лучения. Более существенно рассмотреть некоторые вопросы, связанные со вторым началом термодинамики и энтропией при­менительно к биологическим системам.

Биологические объекты являются открытыми термодина­мическими системами. Они обмениваются с окружающей сре­дой энергией и веществом.

Вообще говоря, живой организм — развивающаяся система, которая не находится в стационарном состоянии. Однако обычно в каком-либо не слишком большом интервале времени принима­ют состояние биологической системы за стационарное.

Рассмотрим в этом предположении некоторые вопросы. Для организма — стационарной системы — можно записать dS = 0, S = const, dS_i > 0, dS_e < 0. Это означает, что большая энтропия, должна быть в продуктах выделения, а не в продуктах питания. Энтропия системы организм — окружающая среда возрастает как у изолированной системы, однако энтропия организма при этом сохраняется постоянной. Энтропия есть мера неупорядоченности системы (см. § 10.2), поэтому можно заключить, что упорядоченность организма сохраняется ценой уменьшения упорядоченнос­ти окружающей среды.

При некоторых патологических состояниях энтропия биологи­ческой системы может возрастать (dS > 0), это связано с отсутствием стационарности, увеличением неупорядоченности; так, на­пример, при раковых заболеваниях происходит хаотическое, не­упорядоченное разрастание клеток.


Формулу (10.21) можно преобразовать к виду

 

или для стационарного состояния (S = const, dS/dt = 0)

 

 


Из (10.22) видно, что при обычном состоянии организма ско­рость изменения энтропии за счет внутренних процессов равна скорости изменения отрицательной энтропии за счет обмена ве­ществом и энергией с окружающей средой.

Поскольку, согласно принципу Пригожина, производная " dS_i/dt > 0, причем минимальна. Отсюда можно сделать вывод, что скорость изменения энтропии окружающей среды при сохранении стационарного состояния организма также минимальна.

Основа функционирования живых систем (клетки, органы, организм) — это поддержание стационарного состояния при условии протекания диффузионных процессов, биохимических реакций, осмотических явлений и т. п.

При изменении внешних условий процессы в организме развиваются так, что его состояние не будет прежним стационарным состоянием.

Можно указать некоторый термодинамический критерий приспособления организмов и биологических структур к изменениям внешних условий (адаптации). Если внешние условия изменяются (возрастает или уменьшается температура, изменяется влажность, состав окружающего воздуха и т. д.), но при этом организм (клетки) способен поддерживать стационарное состояние, то организм - адаптируется (приспосабливается) к этим изменениям и существу­ет. Если организм при изменении внешних условий не способен со­хранить стационарное состояние, выходит из этого состояния, то это приводит к его гибели. Организм в этом случае не смог адапти­роваться, т. е. не смог сравнительно быстро оказаться в стационар­ном состоянии, соответствующем изменившимся условиям

 

 

§ 10.5. Термометрия и калориметрия

Точные измерения температур являются неотъемлемой частью научно-исследовательских и технических работ, а также меди­цинской диагностики и биологии.

Диапазон известных температур очень широк. Самая низкая температура, полученная к настоящему времени, около 2 • 10^-5 К. Верхний предел достижимых температур ничем не ограничен. На­ибольшая температура достигнута в земных условиях при взрыве водородной бомбы и составляет примерно 10⁸ К. В недрах звезд, по спектроскопическим данным, температура может достигать 10⁹ К и более.

Температурный интервал окружающей среды, в которой могут длительно или кратковременно находиться биологические систе­мы, сохраняя способность к функционированию, значительно уже. И совсем невелик (приблизительно от 0 до 90 °С) диапазон температур самих живых организмов в состоянии их активной жизнедеятельности.

Методы получения и измерения температур в широком диапа­зоне весьма различны. Отдел прикладной физики, в которой изу­чаются методы измерения температуры и связанные с этим вопросы, называют термометрией.

Как известно, температура не может быть измерена непосред­ственно. Для ее определения нужно установить температурную шкалу: выбрать термометрическое вещество и физическое свойст­во, зависящее от температуры (термометрическое свойство), усло­виться о начальной точке отсчета и единице температуры. Для этого обычно выбирают две основные температуры (реперные точ­ки), соответствующие температурам фазовых переходов, напри­мер плавлению льда и кипению воды при определенных внешних условиях. Участок шкалы между этими точками называют основ­ным интервалом. За начало отсчета принимают одну из реперных точек (например, 0 °С — температура плавления, или таяния льда), за единицу температуры — долю основного интервала. Так, 1 °С составляет 0,01 долю основного интервала.

Температурные шкалы различаются по термометрическому свойству или веществу. Можно построить огромное количество шкал, значительно отличающихся одна от другой, так как ни одно из свойств не зависит от температуры строго линейно и, кроме того, определяется природой вещества.

Принципиальным недостатком всех эмпирических шкал явля­ется их зависимость от свойств термометрического вещества. Не­зависимая от свойств и вещества шкала построена на основе второго начала термодинамики и названа термодинамической шка­лой температур. За реперную точку ее принята температура тройной точки воды 273,16 К. Определяется эта шкала с по­мощью цикла Карно. Измерив количества теплоты Q_o и Q_s в изо­термических процессах этого цикла соответственно при темпера­туре Т₀ таяния льда и Т_s кипения воды, можно найти

.


Аналогично, для произвольной температуры Т

г
де Q — количество теплоты, сообщенное системе в изотермиче­ском процессе при температуре Т. Установленную таким образом температуру называют термодинамической.

Единицей термодинамической температуры является Кельвин (К) — 1/273,16 термодинамической температуры тройной точ­ки воды. Кельвин как единица температурного интервала равен 1/273,16 интервала термодинамической температуры между 0К и тройной точкой воды.

Любая эмпирическая шкала приводится к термодинамической посредством введения поправок, учитывающих зависимость тер­мометрического свойства данного вещества от температуры.

Так как температура определяется по значению какой-либо ха­рактеристики термометрического вещества, то ее определение со­стоит в измерении таких физических параметров и характерис­тик, как объем, давление, электрические, механические, оптиче­ские, магнитные свойства и т. п. Разнообразие методов измерения температуры связано с большим количеством термометрических веществ и их свойств, используемых при этом.

Термометры — устройства для измерения температуры — со­стоят из чувствительного элемента, в котором реализуется термо­метрическое свойство, и измерительного прибора (дилатометр, манометр, гальванометр, потенциометр и т. д.). Необходимое ус­ловие измерения температуры — тепловое равновесие чувстви­тельного элемента и тела, температура которого определяется.

В зависимости от измеряемых интервалов температур наибо­лее распространены жидкостный, газовый термометры, тер­мометр сопротивления, термопара как термометр и пиро­метры.

В жидкостном термометре термометрической характеристикой является объем, чувствительным элементом — резервуар с жид­костью (обычно ртуть или спирт). В пирометрах в качестве термо­метрической характеристики используется интенсивность излу-

чения (см. гл. 22). Принципиальное отличие пиро­метров от других термометров состоит в том, что их чувствительные элементы не находятся в непо­средственном контакте с телом. Пирометры приме­няют для измерения сколь угодно высоких темпе­ратур.

Используемый в медицине ртутный термометр указывает максимальную температуру и называет­ся максимальным термометром. Эта особен­ность обусловлена его устройством: резервуар с ртутью отделен от градуированного капилляра во­лосяным сужением, которое не позволяет ртути при охлаждении термометра возвратиться в резер­вуар (рис. 10.12). Существуют и минимальные термометры, показывающие наименьшую тем­пературу, наблюдаемую за длительный промежу­ток времени.

Многие процессы в физике, химии и биологии существенно зависят от температуры, поэтому получение и поддержание определенной температуры является важ­ной задачей. Для этой цели служат термостаты — приборы, в которых температура поддерживается постоянной, что осуществ­ляют либо автоматическими регуляторами, либо используют для этого свойство фазовых переходов протекать при неизменной тем­пературе.

Для измерения количества теплоты, выделяющегося или по­глощаемого в различных физических, химических и биологиче­ских процессах, применяют ряд методов, совокупность которых составляет калориметрию¹.

Калориметрическими методами измеряют теплоемкость тел, теплоты фазовых переходов, растворения, смачивания, адсорб­ции, теплоты, сопровождающие химические реакции, энергию излучения, радиоактивного распада и т. п.

Подобные измерения производят с помощью калориметров. Эти приборы можно разделить на два основных типа: калориметры, в которых количество теплоты определяют по изменению их темпера­туры, и калориметры, у которых температура постоянна и количе­ство теплоты определяют по количеству вещества, перешедшего в • другое фазовое состояние (например, плавящееся твердое тело).

Группу методов измерения тепловых эффектов, сопровождающих процессы жизнедеятельности, называют также биокалориметрией, а со­ответствующие приборы — биокалориметрами.

§ 10.6. Физические свойства нагретых и холодных сред, используемых для лечения. Применение низких температур в медицине

В медицине с целью местного нагревания или охлаждения применяют нагретые или холодные тела.

Обычно для этого выбирают сравнительно доступные среды, некоторые из них могут оказывать при этом и полезное механиче­ское или химическое действие.

Физические свойства таких сред обусловлены их назначением. Во-первых, необходимо, чтобы в течение сравнительно длительного времени был произведен нужный эффект. Поэтому используемые среды должны иметь большую удельную теплоемкость (вода, гря­зи) или удельную теплоту фазового превращения (парафин, лед). Во-вторых, среды, накладываемые непосредственно на кожу, не должны вызывать болезненных ощущений. Это, с одной стороны, ограничивает температуру таких сред, а с другой — побуждает вы­бирать среды с небольшой теплоемкостью. Так, например, вода, применяемая для лечения, имеет температуру до 45 °С, а торф и грязи — до 50 °С, так как теплообмен (конвекция) в этих средах меньше, чем в воде. Парафин нагревают до 60—70 °С, так как он обладает небольшой теплопроводностью, а части парафина, непо­средственно прилегающие к коже, быстро остывают, кристаллизу­ются и задерживают приток теплоты от остальных его частей.

В качестве охлаждающей среды, используемой для лечения, употребляется лед.

В последние годы достаточно широкое применение в медицине нашли низкие температуры.

При низкой температуре осуществляют такую консервацию отдельных органов и тканей в связи с трансплантацией, когда до­статочно долго сохраняется их способность к жизнедеятельности и нормальному функционированию.

Криогенный¹ метод разрушения ткани при замораживании и размораживании используется медиками для удаления минда­лин, бородавок и т. п. Для этой цели создают специальные крио­генные аппараты и криозонды.

С помощью холода, обладающего анестезирующим свойством, можно уничтожить в головном мозгу человека клетки ядер, от­ветственные за некоторые заболевания, например паркинсонизм.

В микрохирургии используют примерзание («прилипание») влажных тканей к холодному металлическому инструменту для захвата и переноса этих тканей.

В связи с медицинскими применениями низкой температуры появились новые термины: криогенная медицина, криотера­пия, криохирургия и т. д.

 

ГЛАВА 11

Физические процессы в биологических мембранах

Биологические мембраны являются важной частью клетки. Они ограничивают клетку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствуют генерации электрических потенциалов, участвуют в синтезе универсаль­ного аккумулятора энергии - аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) в митохондриях и т. д. По существу, мембраны форми­руют структуру клетки и осуществляют ее функции. Нарушение функций клеточной и внутриклеточной мембран лежит в осно­ве необратимого повреждения клеток и, как следствие, разви­тия тяжелых заболеваний сердечно-сосудистой, нервной, эн­докринной систем и пр. В главе рассматриваются физические свойства биологических мембран и основные физические процессы, которые в них происходят.

§ 11.1. Строение и модели мембран

Все клетки окружены мембранами (цитоплазматическими, или наружными клеточными мембранами). Без мембраны содержимое клетки просто бы «растеклось», диффузия привела бы к термоди­намическому равновесию, что означает отсутствие жизни. Можно сказать, что первая клетка появилась тогда, когда она смогла отделиться от окружающей среды мембраной. Внутриклеточные мембраны подразделяют клетку на ряд замкнутых отсеков (компартаментов), каждый из них выполняет определенную функцию. ( Несмотря на разнообразие биологических функций и форм, все мембраны построены в основном из липидов и белков. Другие со­единения, встречающиеся в мембране (например, углеводы), хи­мически связаны с липидами, либо с белками. Липидная молеку­ла состоит из двух частей несущей электрические заряды (поляр­ной) головки, на которую приходится, как правило, четверть длины всей молекулы (рис. 11.1), и длинных хвостов, не несу­щих электрического заряда (гидрофобных). Хвосты липидной мо­лекулы — это длинные цепи, построенные из атомов углерода и водорода (остатки жирных кислот). Головки могут иметь разнооб­разное строение, однако они заряжены либо отрицательно, либо нейтральны. Связующим звеном между хвостом и головкой чаще всего служит остаток глицерина.

Набор мембранных белков, выполняющих специализирован­ные функции, различается в цитоплазматических мембранах и мембранах внутриклеточных структур. В то же время любая мембрана своей структурной основой имеет липидный бислой, состоящий из двух мономолекулярных пленок липидов, обращенных друг к другу гидрофобными хвостами и контактирующих с окружающей средой полярными головками (рис. 11.2). Во всех мембранах бислой выполняет две основные функции матрич­ную и барьерную. С одной стороны, бислой является структурной, основой для размещения основных рецепторных и ферментных систем клетки, с другой стороны, двойной слой липидов является преградой для ионов и водорастворимых молекул.


185



П
ервая попытка представить молекулярную организацию био­логической мембраны принадлежит Даниели и Давсону, которые в 1935 г. предложили модель клеточной мембраны.

 

Согласно этой модели, липиды располагались в два слоя (см. рис. 11.2), а по­верхность липидов с обеих сторон покрывали белки. По мере при­обретения новых знаний о химическом составе и физических свойствах мембран эволюционировали и представления об их ор­ганизации. В настоящее время наибольшее распространение име­ет предложенная в 1972 г. Синджером и Николсоном жидко-моза­ичная модель, в основе которой лежит все та же липидная бислойная мембрана. Эта липидная основа представляет собой как бы двумерный растворитель, в котором плавают более или менее по­груженные белки. За счет этих белков полностью или частично осуществляются специфические функции мембран — проница­емость, активный перенос через мембрану, генерация электриче­ского потенциала и т. д. Схематично жидко-мозаичная структура мембраны показана на рис. 11.3. Здесь 1 — поверхностные белки, 2 — полупогруженные белки, 3 — полностью погруженные (ин­тегральные) белки, 4 — белки, формирующие «ионный канал» 5.

В целом, мембрана является динамичной структурой. Липиды могут перемещаться в плоскости мембраны {латеральная диффу­зия), а также переходить из одного монослоя в другой (флип-флоп переходы). При этом перемещение липидов в пределах одного мо­номолекулярного слоя происходит почти в 10 млрд раз чаще, чем флип-флоп переход. Белки также могут перемещаться в плоскос­ти мембраны.

Уточнение строения биологических мембран и изучение их свойств оказалось возможным при использовании физико-хими­ческих моделей мембраны (искусственные мембраны). Наиболь­шее распространение получили три модели.

Рассмотрим первую модель — монослой липидов на границе раз­дела вода — воздух или вода — масло. На таких границах молекулы липидов расположены так, что гидрофильные г
оловки находятся в воде, а гидрофобные хвосты — в воздухе или в масле (рис. 11.4).

 

Если постепенно уменьшать площадь, занимаемую монослоем, в кон­це концов удастся получить монослой, в котором молекулы распо­ложены так же плотно, как и в одном из монослоев мембраны. При изменении состояния липидных молекул (под действием температу­ры, взаимодействия липидов с различными лекарственными препа­ратами и пр.) меняется площадь, занимаемая молекулами. Поэтому в биологических и медицинских исследованиях широко использу­ются монослои синтетических липидов, изолированных из различ­ных природных мембран.

Вторая широко использующаяся модель — бислойная липид­ная мембрана (БЛМ). Впервые такая модельная мембрана была создана в 1962 г. П. Мюллером с сотрудниками. Они заполнили отверстие в тефлоновой перегородке, разделяющей два водных раствора, фосфолипидом, растворенным в гептане (рис. 11.5, а). После того как растворитель и излишки липида растекаются по тефлону, в отверстии образуется бислой толщиной несколько на­нометров и диаметром около 1 мм (рис. 11.5, б). Расположив по обе стороны мембраны два электрода, можно измерить сопротив­ление мембраны или генерируемый на ней потенциал. Если по разные стороны перегородки поместить различные по химическо­му составу растворы, то можно изучать проницаемость мембраны для различных агентов, в том числе лекарственных препаратов.

Третьей известной моделью биологической мембраны являют­ся липосомы. Они представляют собой мельчайшие пузырьки (ве­зикулы), состоящие из билипидной мембраны и полученные обра­боткой ультразвуком смеси воды и фосфолипидов. Липосомы фактически являются биологической мембраной, полностью ли­шенной белковых молекул.

Схематически липосомы изображены на рис. 11.6.

 

Если липосомы приготовить в среде с каким-либо веществом, а закем удалить это вещество из внешней среды, то можно исследо­вать скорость выхода этого вещества из липосом данного липид-ного состава. На липосомах часто проводятся эксперименты по изучению влияния различных факторов, например состава фос-фолипидов, на свойства мембраны или, наоборот, влияния мемб­ранного окружения на свойства встраиваемых белков. В медици­не липосомы используют для доставки лекарственных веществ в определенные органы и ткани, приготавливая их в среде, содер­жащей нужное вещество. Липосомы не токсичны, полностью ус­ваиваются в организме и являются надежной липидной микро­капсулой для направленной доставки лекарства.