Қонунҳои термодинамика принсипҳои муҳими биологиро арзёбӣ мекунанд. Ин принсипҳо равандҳои химиявиро (метаболизмро) дар ҳама организмҳои биологӣ танзим мекунанд. Термодинамика як соҳаи химияи физикӣ буда, энергия, интиқоли он аз як ҷой ба ҷои дигар ва табдили онро аз як шакл ба шакли дигар меомӯзад. Яке аз хосиятҳои асосии мавҷудоти зинда қобилияти онҳо барои табдил ва нигоҳдории энергия дар шаклҳои гуногун мебошад. Ҳамаи объектҳои биологӣ барои нигоҳ доштани ҳаёт ба энергия ниёз доранд. Дар ҳамаи равандҳои биологӣ интиқоли энергия ба вуҷуд меояд.
Растаниҳо метавонанд энергияи Офтобро, ки тавассути фотосинтез мегиранд, дар шакли энергияи пайванди химиявӣ дар моддаҳои органикӣ нигоҳ доранд. Ҳайвонҳо энергияи пайванди химиявии моддаҳои органикиро, ки аз ғизо гирифтаанд, истифода мебаранд. Ҳама равандҳои табдили энергия дар растаниҳо ва ҳайвонот дар доираи принсипҳои термодинамикӣ сурат мегиранд. Принсипҳои асосии термодинамика ҳам барои табиати зинда ва ҳам барои ғайризинда универсалӣ мебошанд.
Ҳар як маҷмӯи объектҳои мавриди омӯзишро системаи термодинамикӣ номидан мумкин аст. Мисолҳои чунин системаҳо ҳуҷайра, дил, организм, биосфера ва ғайра мебошанд.
Истеъмоли ғизо энергияро таъмин мекунад, ки он барои иҷрои вазифаҳои гуногуни бадан истифода мешавад ё барои истифодаи баъдӣ захира карда мешавад. Энергия аз хӯрокҳо тавассути оксидшавии биологӣ, ки раванди бисёрмарҳилавӣ аст, ҷудо мешавад.
Энергияи маҳсули аз ғизо сараввал дар ҳуҷайраҳо барои синтези пайвастаҳои дорои макроэнергия истифода мешавад: масалан, аденозинтрифосфат (ATФ). Аденозинтрифосфат, дар навбати худ, метавонад ҳамчун манбаи энергия қариб барои ҳама равандҳои ҳуҷайра истифода шавад. Моддаҳои ғизоӣ то маҳсулоти ниҳоӣ оксид шуда, сипас аз бадан хориҷ мешаванд. Масалан, карбогидратҳо дар бадан ба гази карбон ва об оксид мешаванд. Ҳамин гуна маҳсулоти ниҳоӣ ҳангоми сӯзондани карбогидратҳо дар калориметр ба вуҷуд меоянд:
Энергияе, ки аз ҳар як грамм глюкоза дар ин реаксия ҷудо мешавад, 4,1 килокалория (ккал) аст. Ҳамин миқдор энергия ҳангоми оксидшавии глюкоза дар ҳуҷайраҳои зинда ҳосил мешавад, сарфи назар аз он ки раванди оксидшавӣ дар ҳуҷайраҳои зинда раванди бисёрмарҳилавӣ буда, дар якчанд марҳила сурат мегирад. Ин хулоса ба қонуни Гесс асос ёфтааст, ки натиҷаи қонуни якуми термодинамика аст: таъсири гармии раванди химиявии бисёрмарҳилавӣ аз марҳилаҳои мобайнӣ вобаста нест, танҳо аз рўйи ҳолатҳои ибтидоӣ ва ниҳоии система муайян карда мешавад.
Ҳамин тариқ, бо таҳқиқоти калориметрӣ арзиши миёнаи энергияи дастраси физиологиро, ки дар 1 грамми се маҳсулоти хӯрокворӣ мавҷуд аст (бо килокалория), муайян карда шудааст:
карбогидратҳо – 4.1;сафедаҳо – 4.1;равғанҳо – 9.3.
Аз тарафи дигар, ахиран, тамоми энергияе, ки бадан истеъмол мекунад, ба гармӣ табдил меёбад. Ҳамчунин, ҳангоми ташаккули АТФ, танҳо як қисми энергия захира мешавад, боқимонда ҳамчун гармӣ пароканда мегардад.
Вақте ки энергияи ATФ аз ҷониби системаҳои функсионалии бадан истифода мешавад, қисми зиёди ин энергия низ ба гармӣ табдил меёбад. Энергияи боқимонда дар ҳуҷайраҳо барои иҷрои вазифаҳои худ истифода мешавад, аммо дар ниҳоят ба гармӣ табдил меёбад. Масалан, энергияе, ки ҳуҷайраҳои мушакҳо истифода мебаранд, барои бартараф кардани чандирии мушакҳо ва дигар бофтаҳо сарф мешавад.
Ҳаракати чандирӣ соишро ба амал меорад, ки боиси пайдоиши гармӣ мегардад. Мисоли дигар энергияест, ки дили фишурдашаванда сарф мекунад. Ҳангоми ҷараёни хун аз рагҳо, тамоми энергия аз сабаби соиш байни қабатҳои хун ва байни хун ва деворҳои раг ба гармӣ табдил меёбад. Мувофиқан, тамоми энергияе, ки бадан сарф мекунад, оқибат пурра ба гармӣ табдил меёбад.
Барои ин мақсад, усули калориметрияи мустақим бо истифода аз калориметри калон ва махсус муҷаҳҳазшуда истифода мешавад. Организм дар камераи махсусе ҷойгир карда мешавад, ки аз муҳити атроф хуб изолятсия шудааст, яъне мубодилаи энергия бо муҳити атроф вуҷуд надорад. Миқдори гармии аз организм тавлидшударо дақиқ чен кардан мумкин аст. Таҷрибаҳо бо истифода аз ин усул нишон доданд, ки миқдори энергияе, ки ба бадан ворид мешавад, ба энергияи зимни кори калориметр ҷудошуда баробар аст. Калориметрияи мустақим меҳнатталаб аст, аз ин рӯ, айни замон калориметрияи ғайримустақим истифода мешавад, ки ба ҳисоб кардани миқдори энергияи организм дар асоси истифодаи оксиген асос ёфтааст.
Қонуни якуми термодинамика танҳо нигоҳдории энергияро ифода мекунад, аммо самти пешравии равандҳои термодинамикиро муайян намекунад. Самти имконпазири равандҳои термодинамикӣ мавзӯи қонуни дуюми термодинамика мебошад. Қонуни дуюми термодинамика нишон медиҳад, ки ҳамаи равандҳои воқеӣ (аз ҷумла равандҳои системаҳои биологӣ) бо парокандашавии баъзе қисми энергия ба гармӣ мегузаранд.
Ҳама намудҳои энергия (механикӣ, химиявӣ, электрикӣ ва ғайра) метавонанд бе бақия ба гармӣ табдил ёбанд. Аммо, худи гармиро пурра ба дигар намудҳои энергия табдил додан мумкин нест. Ҳеҷ муҳаррик ё раванде вуҷуд надорад, ки гармиро бо самаранокии 100% ба шакли дигари энергия табдил диҳад. Тавре ки мо медонем, парокандашавии гармӣ маънои парокандашавии энергияро дорад. Гармӣ як шакли таҷзияшудаи энергия аст, зеро ҳаракати гармии молекулаҳо раванди тасодуфӣ ва эҳтимолӣ аст.
Ҳамин тариқ, парокандагии энергия дар шакли гармӣ бебозгашт аст. Мувофиқи қонуни дуюми термодинамика, ҳар як раванди воқеӣ, ки дар системаи термодинамикӣ рух медиҳад, метавонад танҳо дар як самт идома ёбад. Раванди муқобил, ки дар он ҳам система ва ҳам атрофи он ба ҳолати аввалаи худ бармегарданд, ғайриимкон аст. Татбиқи нуктаҳои асосии қонуни дуюми термодинамика дар алоқамандиии равандҳо дар системаҳои биологӣ ба таври зерин инъикос меёбад. Ҳангоми афзоиш ва инкишофи организм, энтропияи умумӣ аз сабаби ихроҷи он ба муҳити зист коҳиш меёбад, ҳамзамон, дар ягон ҷои дохили муҳити зист, энтропия меафзояд. Аз ин рӯ, дар система (системаи биологӣ + муҳити беруна), энтропия ҳеҷ гоҳ кам намешавад.
Давлатшоева Ҷ.А., Суяриён Қ.Ҷ., устодони кафедраи химияи физикӣ ва коллоидии факултети химияи ДМТ
