Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Анализ документов, подвергаемых проверке

Функционирование любой системы происходит за счет превращений энергии, находящейся внутри системы и поступающей в нее из внешней среды. Биоэнергетика является наукой о закономерностях превращения энергии в биологических системах. Экологическая биоэнергетика – наука о превращениях энергии в экологических системах - от отдельных особей до Биосферы. Основоположниками биоэнергетики являются французские ученые Поль Лаплас и Антуан Лавуазье. В 1788 г. они экспериментально определили количество теплоты, выделяемое млекопитающими при дыхании, и доказали, что процесс их дыхания аналогичен горению органических веществ. Огромный вклад в развитии экологической биоэнергетики внесли отечественные ученые В. С. Ивлев и Г.Г. Винберг в середине ХХ века.

2.1. Превращения энергии в живых организмах. Основным источником энергии в биологических системах является энергия химических связей органических соединений, которая представляет прямо или косвенно энергию электромагнитного излучения Солнца, преобразованную в процессе фотосинтеза. Каждое органическое соединение характеризуется определенным количеством свободной энергии, или энтальпии, которое равно количеству теплоты, выделенному при его полном сжигании.

Вся совокупность биохимических процессов, происходящих в живых организмах, определяется как метаболизм, или обмен веществ. Все процессы обмена веществ можно подразделить на две большие группы.

При реакциях распада, или катаболизма, более сложные органические вещества распадаются на более простые: например, полисахариды пищи расщепляются на моносахариды, белки – на аминокислоты; моносахариды в процессе дыхания расщепляются до углекислого газа и воды. При этом выделяется энергия, происходит рост энтропии системы и снижение ее свободной энергии.

При реакциях синтеза, или анаболизма, из простых веществ образуются более сложные, которые используются на построение тканей и органов тела. Их примерами являются фотосинтез, хемосинтез и синтез белков. Эти процессы идут с поглощением энергии, при этом происходит снижение энтропии и рост свободной энергии системы.

Все реакции анаболизма не являются самопроизвольными. Для их протекания необходима дополнительная энергия, источником которых являются молекулы АТФ. В кислотных остатках молекулы АТФ имеются две макроэргические связи между атомами фосфора и кислород. При гидролизе АТФ распадается на АДФ и неорганический фосфат (Ф):

АТФ + Н₂О → АДФ + Ф + ∆G.

Эта реакция сопровождается разрывом одной макроэргической связи с выделением энергии, точнее, изменением стандартной свободной энергии (∆G), которая при физиологических условиях (25 ^оС, рН = 7,0) равна приблизительно 7 ккал·моль^-1. АДФ может гидролизироваться до АМФ с выделением приблизительно такого же количества энергии. Однако обычно в живых организмах гидролиз АТФ идет только до АДФ.

В организме АТФ образуется в процессе клеточного дыхания из АДФ и неорганических фосфатов. Процесс дыхания с использованием в качестве энергетического субстрата глюкозы можно схематично представить в виде:

С₆Н₁₂0₆ + 6О₂ → 6С0₂ + 6Н₂О + 38 АТФ + Q (тепло).

Считается, что при окислении одной молекулы глюкозы в организме образуется до 38 молекул АТФ. Поскольку энтальпия глюкозы равна 685 ккал· моль^-1, то в энергию макроэргических связей АТФ переходит примерно 39% энергии связей АТФ, т. е. 7 ккал моль^-1 · 38: 685 ккал·моль^-1. Остальные 61% энергии химических связей глюкозы рассеиваются в виде тепла, которое у гомойотермных животных попутно используется для поддержания постоянной температуры тела организма.

При биохимических реакциях с участием АТФ, например, при синтезе белков, одна часть энергии ее макроэргических связей переходит в энергию пептидных связей между аминокислотами, а другая – в тепловую энергию. Распад белков на отдельные аминокислоты в процессе питания и дальнейшее их использование в качестве энергетических субстратов также сопровождается выделением тепловой энергии. В конечном итоге вся энергия химических связей глюкозы переходит в тепловую энергию.

В процессах катаболизма в организме происходит постоянное разрушение органических веществ. Поэтому их убыль компенсируется постоянным пополнением. Оно осуществляется за счет синтеза в организме новых органических веществ из неорганических (у автотрофных видов) или поступления их из внешней среды с пищей (у гетеротрофных видов).

Поскольку все биохимические реакции происходят с участием АТФ, ее молекулы также постоянно воспроизводятся в организме. Организм может прожить без пищи достаточно большой промежуток времени (например, человек – месяц и более). Все это время он будет расходовать на энергетические нужды органические вещества своего тела. В то же время, без кислорода человек способен прожить лишь несколько минут. Это обусловлено очень малыми запасами АТФ в организме и быстрым их расходованием, что вызывает необходимость их постоянного пополнения. Так, общая масса АТФ, образующейся в организме человека за сутки, приблизительно равна массе его тела.

Поскольку в процессе дыхания вся энергия органических веществ в конечном итоге превращается в тепло, в организмах постоянно идет воспроизводство энтропии, что приводит к снижению их упорядочненности. Однако часть энтропии организм удаляет в среду в виде тепла, продуктов распада и т. д. Таким образом, живые системы сохраняют низкоэнтропийное состояние путем удаления части образующейся энтропии во внешнюю среду. Они извлекают из среды виды энергии с низкой энтропией (энергия химических связей органических соединений пищи, электромагнитная энергия солнечного света), а возвращают виды энергии с высокой энтропией (тепло, отходы жизнедеятельности и пр.). Отсюда существование живых систем не является нарушением второго закона термодинамики, поскольку снижение энтропии в них сопровождается ростом энтропии внешней среды.

Исходя из этого, можно дать общее определение жизни: «Жизнь – это сложная, открытая и саморегулирующаяся система, образованная органическими макромолекулами, сохраняющая устойчивое термодинамическое неравновесие с окружающей средой, способная к самовоспроизводству благодаря сохранению и передаче во времени информации о своих свойствах и функциях».

Энтропия живых систем всегда ниже энтропии окружающей среды. Тем не менее, на уровнях организации от клетки до организма она постоянно возрастает во времени, что приводит к снижению упорядочненности системы. Следствием этого являются процессы старения и смерти. Когда организм умирает, его энтропия и степень упорядоченности сравниваются с аналогичными показателями для внешней среды. Напротив, экологические системы потенциально бессмертны, поскольку их элементами являются отдельные особи, естественная убыль которых восполняется в процессах размножения. В экосистемах могут замещаться не только особи, но и целые виды. Например, за период существования Биосферы Земли (не менее 3,5 млрд. лет) ее видовой состав многократно менялся.

Все экосистемы на Земле, в совокупности образующие Биосферу, поддерживаются только благодаря постоянному потоку солнечной энергии, падающему на поверхность Земли; если он иссякнет, Биосфера очень быстро разрушится. В своем нынешнем состоянии Солнце будет существовать еще около 4 млрд. лет. Можно надеяться, что люди и или другие разумные существа, которые будут жить на Земле, найдут к тому времени другой источник энергии для поддержания Биосферы и своего существования.

2.2. Энергоемкость органических веществ. Количество энергии химических связей, аккумулированное в единице массы органических веществ, и которая выделяется при их окислении в живом организме или сжигании называется их удельной энергоемкостью. В технике аналогичный показатель для органического топлива (угля, нефти, природного газа, торфа и др.) называют удельной теплотворностью.

Содержание энергии во всем веществе называется энергетическим эквивалентом его массы. Чаще всего удельная энергоемкость выражается во внесистемных единицах – калориях (кал), отсюда ее более распространенное название – калорийность. Одна калория равна количеству теплоты, необходимого для нагревания одного грамма воды на 1 ^оС в интервале от 14,5 до 15,5 ^оС.

В системе СИ единицей теплоты, внутренней энергии, а также мощности является джоуль (Дж, или J). Один Дж определяется как величина работы, необходимая для поднятия тела массой 1 кг на высоту 1 м. Отсюда 1 Дж = 1 кг · 9,8 м сек^-2 · 1 м = 9,8 кг·м^-2сек^-2. В свою очередь, 1 калория = 4,184 джоуля.

Определение калорийности производится в приборе, называемом калориметрической бомбой. Он представляет собой герметичную, толстостенную камеру из нержавеющей стали, вокруг которой имеется водяная рубашка, как в системе охлаждения автомобильного двигателя. Навеска вещества строго определенной массы сжигается в камере в атмосфере чистого кислорода под давлением 20 – 30 атм. Выделяющаяся при этом теплота нагревает воду, по величине повышения температуры рассчитывают количество выделившейся энергии.

Согласно закона Гесса, тепловой эффект химической реакции равен разности энергетических состояний начальных и конечных продуктов реакции и не зависит от путей перехода между ними. Поскольку начальные и конечные продукты дыхания и сгорания органических веществ одинаковы, количество энергии, выделившееся при полном окислении органического вещества в процессе дыхания, будет равным количеству энергии, выделившемуся при его сгорании, т. е. энергетическому эквиваленту этого вещества.

Калорийность органического вещества определяется количеством в нем неокисленных атомов углерода и водорода. Некисленными являются атомы, образующие связи С-С и С-Н, а окисленными – связи С-О и Н-О. Чем больше неокисленных атомов, тем выше калорийность вещества. Энергия неокисленных связей выше, чем окисленных. Поскольку полностью окисленным состоянием углерода является углекислый газ (СO₂), а водорода - вода (H₂O), разность энергий этих связей выделяется при окислении в виде тепла.

Общая формула углеводов имеет вид С_nH_2nO _n, a жиров - С_nH_2nСООН. Поскольку количество неокисленных атомов углерода и водорода в жирах значительно больше, чем в углеводах, калорийность последних существенно ниже (табл. 2.1). Поэтому калорийность жирных продуктов (животные и растительные масла, сало) в два и более раз превышает калорийность углеводных (мучные продукты, крупы, сахар и т. п.) и белковых продуктов (мясные продукты, рыба и т.д.).

Отдельные вещества, входящие в состав жиров, белков и углеводов, могут иметь существенно отличающуюся калорийность. Например, калорийность глюкозы составляет 3,8 ккал·г^-1, сахарозы – 4,0 ккал·г^-1, крахмала и гликогена – 4,2 ккал·г^-1. Высокую калорийность имеют спирты, например, у этилового спирта (С₆Н₁₂О₆) –7,0 ккал·г^-1. В широких пределах различается калорийность отдельных аминокислот, входящих в состав белков, – от 2,89 ккал·г^-1 (аспарагиновая кислота) до 6,72 ккал·г^-1 (фенилаланин).

Для белков различают физиологическую и физическую калорийность. Полностью окисленным состоянием азота является трехокись азота (^- NO₃). Однако среди конечных продуктов белкового обмена, у разных групп организмов имеются восстановленные недоокисленные соединения азота. В их числе аммиак (NH₃) -- у водных беспозвоночных и рыб, мочевина, CO(NH₂)₂ -- у млекопитающих и мочевая кислота (С₅Н₄N₄O₅) – у наземных насекомых и птиц. В химических связях между атомами азота и водорода этих соединений заключено определенное количество энергии, не усвоенной организмом. Поэтому количество энергии, выделяемой в организме при окислении белков (физиологическая калорийность), на 5 – 20% ниже, чем при их сжигании в калориметрической бомбе (физическая калорийность).

Для жиров и углеводов физиологическая и физическая калорийность совпадают, поскольку в организме и калориметрической бомбе они окисляются до одинаковых конечных продуктов – углекислого газа и воды.

Таблица 2.1. Удельная энергоемкость, оксикалорийный и дыхательный коэффициенты для основных групп органических веществ

Калорийность органических горючих ископаемых находится в пределах от 2,7 – 4,4 ккал·г^-1 (горючие сланцы, торф) до 10,4 – 11,0 ккал·г^-1 (нефть). Эти ископаемые представляют собой смеси органических веществ, которые ранее были заключены в телах живых организмов, с неорганическими соединениями.

Количество энергии, выделяющееся при взрывах пороха, динамита и других взрывчатых веществ в расчете на единицу их массы, также вполне сопоставимо с энергоемкостью органических соединений (например, у гексогена – 13 ккал·г^-1). Высокая, на первый взгляд, энергия, выделяющаяся при их взрывах, объясняется очень быстрым (доли секунды) их сгоранием, сопровождающимся выделением значительных объемов газов, что приводит к образованию взрывной волны.

Физическая калорийность объектов, образованных смесью органических веществ (Y, ккал·г^-1), может быть рассчитана по их химическому составу согласно эмпирической формуле (Методы…, 1968):

Y = 4,1• C + 5,65 • P + 9,45 • L,

где P, C, L - соответственно содержание в долях от единицы белков, углеводов и жиров в сухом (обезвоженном) веществе анализируемого объекта. При расчетах калорийности пищевых объектов по их составу необходимо использовать физиологическую калорийность белков.

Примеры. Содержание углеводов в сухом веществе объекта составляет 30 %, белков – 50, жиров – 20 %. Тогда его удельная энергоемкость составит: 4,2 ·0,3 + 5,65 ·0,5 + 9,4 ·0,2 = 5,98 ккал·г^-1.

Доля углеводов в органической фракции комбикорма составляет 60 %, белков – 30 %, углеводов – 10 %. Отсюда содержание в нем энергии, доступной для использования млекопитающими, равно: 4,2·0,6 + 4,8·0,3 + 9,4·0,1 = 4,9 ккал·г^-1.

В абсолютном большинстве природных объектов (живые существа, их пища и т.д.) сумма долей жиров белков и углеводов в сухом веществе меньше единицы, поскольку в них содержится определенное количество золы, т.е. неорганических соединений, которые не используются живыми организмами для получения энергии. Зная долю золы (Z) в исследуемом объекте и калорийность его сухого вещества (Y₁) легко рассчитать калорийность его органического, или обеззоленного вещества (Y):

Пример. Калорийность анализируемой пробы составляет 5,4 ккал·г^-1 сухого вещества, а содержание в ней золы равно 15 %. Отсюда калорийность органического вещества пробы равна 5,4/(1 – 0,15) = 6,35 ккал·г^-1.

Чем ниже содержание золы в сухом веществе организма, тем выше в нем доля органической фракции, а соответственно и его удельная энергоемкость. Установлено (Методы…, 1968), что у морских и пресноводных беспозвоночных зависимость между калорийностью сухого вещества (Y₁, ккал·г^-1) и содержанием в нем органического вещества (Z, %) описывается уравнением:

Y₁ = 0,0559Х.

Если в пробе вещества находится определенное количество воды, то калорийность его сухого остатка (Y₁) рассчитывается согласно:

где Y – калорийность сырого вещества, Х – доля в нем воды.

Пример. Калорийность сырого вещества составляет 1,2 ккал·г^-1, а содержание в нем воды равно 75 %. Отсюда калорийность его сухого остатка равна 1,2/(1 – 0,75) = 4,8 ккал·г^-1.

По отношению к живым организмам различают энергетический эквивалент массы организма и энергетическую ценность. Первая величина измеряется в единицах энергии, заключенной во всем теле особи, вторая – в единицах энергии на 1 г сырого сухого либо органического (обеззоленного) вещества ее тела.

Зная массу тела организма или массу съеденного им корма и их физическую калорийность легко, рассчитать количество заключенной в них энергии, т.е. их энергетический эквивалент.

Пример. Содержание воды в массовой пробе зоопланктона составляет 94 %, ее равна 0,31 кал·мг^-1 сырого вещества, доля золы в сухом веществе – 8%. Тогда калорийность сухого вещества пробы составит 0,31/(1 – 0,06) = 5,17 ккал·г^-1, калорийность его органической фракции 5,17/(1 – 0,08) = 5,62 ккал·г^-1.

Анализ документов, подвергаемых проверке