Биология в новом свете

Размерность энтропии — калория/градус (температура измеряется по шкале Кельвина), отсюда ясно, что произведение энтропия X температура = тепло. Это тепло — своего рода дань, которую система отдает окружающей среде при каждом акте преобразования энергии. Любой электромотор при работе становится теплым, бензиновые моторы требуют охлаждения, тормоза нагреваются. Каждый процесс преобразования энергии в системе сопровождается выделением в окружающую среду тепла, которое система теряет безвозвратно.

Но не пора ли, наконец, перейти от физики к биологии? Ведь читатель уже может с полным правом спросить: "Что же все это означает?" Наш собственный повседневный опыт поможет нам сделать этот переход. Кто из нас не чувствовал, как тело выделяет тепло, когда, потея, влезал на гору, колол дрова или копал землю? Именно такие наблюдения заставили ученых пристальнее взглянуть на потерю энергии живым организмом и изучить этот вопрос экспериментально.

С помощью такого ледяного калориметра Лавуазье и Лаплас в 1780 г. определяли образование тепла у морской свинки. Тепло, выделяемое животным, вызывает таяние льда во внутреннем сосуде. Внешняя ледяная рубашка предохраняет калориметр от нагревания извне

Вообще говоря, попытки провести подобные исследования предпринимались задолго до открытия первого начала термодинамики. Еще в 1777 г. французский ученый Лавуазье попытался исследовать связь между образованием тепла у животного и его дыханием. Спустя три года к этим опытам присоединился его соотечественник Лаплас. Исследователи помещали морских свинок в ледяной калориметр и установили, что за 10 часов животное "производит" тепло, достаточное для того, чтобы растопить 341 г льда. Предположив, что теплота образуется в результате физических процессов сгорания, и определив, сколько двуокиси углерода выделяет морская свинка за то же время, Лавуазье рассчитал количество тепла, выделяющееся при сгорании; оно оказалось достаточно близким к измеренной величине.

Современный калориметр позволяет точно измерять теплоотдачу различных объектов, подопытных животных и даже людей

Этот первый опыт, положивший начало термодинамическим исследованиям в биологии, позже повторили другие естествоиспытатели, которые уточнили результаты Лавуазье и Лапласа. При помощи усовершенствованных приборов они изучили тепловой баланс у различных животных и человека и определили чрезвычайно важные энергетические параметры, характеризующие обмен веществ.

В последнее время такие измерения вновь стали актуальными. Выяснилось, что потеря тепла на единицу массы тела в ходе развития организма не постоянна. Так, при развитии лягушки из икринки сначала наблюдается резкий подъем кривой потери тепла, а затем ее спад до минимального значения. Подобные эксперименты заложили основу термодинамики процессов развития биологических систем. Живой организм представляет собой открытую систему, которая обменивается веществом и энергией с окружающей средой. В термодинамике существует теоретически обоснованный закон, согласно которому открытая система развивается всегда так, что потеря энергии, или скорость выделения тепла, другими словами, прирост энтропии стремится к минимуму. Применим ли этот закон к эмбриональному или даже видовому развитию организмов? Вторая половина кривой, описывающей развитие лягушки, говорит в пользу этого положения. Кривые подобного типа были получены и во многих других исследованиях. Однако не исключено, что наблюдаемые явления в этих случаях лишь внешне похожи на только что описанное, а на самом деле они обусловлены совсем другими причинами.

Рассеяние энергии, или, говоря иначе, прирост энтропии, в процессе эмбрионального развития организма сначала увеличивается, а затем стремится к минимуму. В настоящее время идут горячие споры о справедливости применения к биологическим объектам закона, согласно которому любая открытая система стремится к состоянию, при котором прирост энтропии минимален