Термодинамический подход в физиологии Тренировочные задачи

122. Начнем эту главу с экзотического примера. Как известно, блохи – фантастические прыгуны. Ни одно живое существо не в состоянии «преодолевать планку» на высоте в 100 раз превышающей собственный рост. Если бы не сопротивление воздуха, то блоха прыгала бы еще в 2 раза выше. Все это замечательно. Но анализ параметров прыжка блохи показывает, что ни одна мышца при своем сокращении не в состоянии обеспечить количество энергии, необходимое для выполнения прыжка с такими параметрами. Но блоха-то прыгает! Откуда же берется нужное количество энергии?

Решение. Ну что ж, будем использовать уже полученные навыки. Понятно, что в данном случае речь идет не о физиологическом а о термодинамическом смысле явления. Если решение нельзя найти на макроуровне (мышца), поищем его на микроуровне (молекулы). Нет ли таких молекул, которые освобождают энергию более эффективно, чем это делает целая мышца? Ввиду некоторой необычности задачи Вы имеете право на подсказку. Кто в детстве стрелял из рогатки, понимает, что с ее помощью камешек летит гораздо дальше и гораздо быстрей, чем если бросить его рукой. Дело в том, что растянутая резина освобождает энергию с большой эффективностью. Это связано с особенностями ее молекулярного строения. Теперь разгадка близка.

В основании задних конечностей блохи имеется особое вещество. Не случайно оно называется резилин. Перед прыжком мышцы сжимают его, как резину. А затем срабатывает спусковой механизм и резилин, действуя как катапульта, отдает энергию почти со 100%-ной эффективностью. Обратите внимание на то, что решить задачу позволяет именно термодинамический подход, рассматривающий особенности превращения энергии.

123. При перегревании возникает терморегуляторное полипноэ. Об этом шла речь, в частности, в задаче 99. Там были рассмотрены адаптивные механизмы у жвачных животных, посредством которых им удается освободиться от избытка тепла, образующегося при усиленной работе дыхательных мышц. У собак задача решена совсем по другому. Попробуйте догадаться как, используя термодинамический подход и следующую подсказку. Работа дыхательных мышц связана с преодолением эластического сопротивления альвеол, неэластического сопротивления грудной клетки и трения воздуха в дыхательных путях. При очень частом дыхании в легкие попадает лишь небольшое количество воздуха. Поэтому величина первых двух преодолеваемых сил существенно уменьшается и основную роль играет сопротивление грудной клетки.

Решение. Из подсказки следует, что при терморегуляторном полипноэ у собаки (200-600 дыханий в минуту) основную нагрузку для дыхательных мышц создают перемещения грудной клетки. А в каком случае для механических колебаний системы требуются наименьшие затраты энергии? Если эти колебания совпадают с собственной резонансной частотой этой системы. Оказалось, что для грудной клетки собаки эта частота составляет примерно 350 в минуту. Полипноэ же у большинства собак обычно протекает с частотой 300-400 в минуту, т. е., практически совпадает с резонансной частотой.

Интересно отметить, что данную задачу решил в 1962 году Ю. Кроуфорд, бывший в то время аспирантом (по другим сведениям – студентом) университета Дьюка.

Так что, как видите, не боги горшки обжигают! Дерзайте!

124. Многие животные способны не только выдерживать высокую температуру среды, но при этом довольно долго бегать, как, например, антилопы в пустыне. Птицы же к этому не способны. Почему? Ответ достаточно дать в самой общей форме, но в термодинамических терминах.

Решение. Вспомните, что говорилось о стационарном состоянии систем.

В этом и состоит ответ. Птицы, которых заставляли бегать при высоких температурах воздуха, оказывались неспособными установить новое стационарное состояние и поэтому приходилось прекращать бег. Причина этого состоит в недостаточности адаптивных механизмов, но специальный анализ этого от Вас не требуется. Тем не менее понятно, что для основной массы птиц главное не бег, а полет.

125. В спорте известны явления, которые называются «мертвая точка» и «второе дыхание». Сущность их в том, что у некоторых бегунов на дистанции возникает в какой-то момент ощущение невозможности продолжать бег («мертвая точка»). Но, если пересилить себя и немного потерпеть, то наступает значительное облегчение («второе дыхание») и спортсмен нормально финиширует. В чем сущность этих явлений?

Решение. Мы имеем дело с наглядной иллюстрацией понятия стационарное состояние. При переходе от обычных условий к бегу резко, скачкообразно возрастает потребность в увеличении расхода энергии в мышцах. Для того чтобы обеспечить эту потребность, столь же скачкообразно должна увеличиться работа сердца и дыхательной системы. Но эти системы могут достигнуть необходимого уровня не сразу, а постепенно. Поэтому требуется некоторое время для установления нового стационарного состояния. В течение этого времени нарастает дисбаланс между нужным количеством кислорода и его поступлением, что и может привести к мертвой точке. Но затем работа ССС и дыхательной системы усиливается настолько, что, наконец, достигается равновесие между потребностью в энергии и ее поступлением – второе дыхание. Или, если использовать термодинамические термины – установление нового стационарного состояния.

126. Если бы стенки аорты полностью утратили эластичность, как изменились бы параметры гемодинамики?

Решение. Изменения были бы очень значительными. При выбросе крови в аорту весь систолический объем не успевает пройти через нее из-за сопротивления сосудистой системы. В результате возникает давление – потенциальная энергия, в которую переходит энергия сокращения сердца. Благодаря эластичности стенок аорты они под влиянием давления крови растягиваются и тем самым запасают часть потенциальной энергии. Во время диастолы стенки аорты спадаются и накопленная энергия снова сообщается крови, способствуя дальнейшему ее продвижению.

Если бы аорта утратила эластичность, то давление крови во время систолы резко возросло. Нагрузка на сердце значительно увеличилась. А кровь стала бы течь по сосудам прерывисто – только во время систолы. Таким образом эластичность стенок аорты избавляет кровеносную систему от многих неприятностей. Причина же их, как мы видели, имеет термодинамический характер.

127. Во многих случаях движение частиц через мембрану клетки происходит с помощью переносчиков. Молекула переносчика соединяется с молекулой «пассажира» и переносит его в клетку, где переносчик отсоединяется. Довольно часто встречается ситуация, когда освободившаяся молекула переносчика соединяется с другой частицей и переносит ее уже из клетки. Специальное рассмотрение показывает, что движение комплексов «переносчик – частица» происходит по градиенту концентрации и, следовательно, не требует затраты энергии. Но в конечном счете сами переносимые частицы накапливаются или внутри клетки или вне ее. Нет ли здесь противоречия? Может ли идти накопление частиц, приводящее к возрастанию градиента, без затрат энергии?

Решение. Всегда нужно помнить, что еще ни одному человеку не удавалось опровергнуть законы термодинамики. В науке встречаются реальные или мысленные ситуации, когда получаемый результат как будто бы противоречит термодинамическим закономерностям. Но всегда удается найти ошибку или в постановке исследования, или в объяснении его результатов. Так и в нашем случае. Сам перенос комплекса «переносчик – частица» происходит, как и при любом пассивном транспорте, за счет хаотического теплового движения и не требует специальных затрат энергии. Но не следует забывать о том, что, кроме движения комплекса через мембрану сначала происходит его образование (присоединение частицы), а потом разрушение (отсоединение частицы). Хотя бы один из этих процессов обязательно требует затраты энергии. Так что и здесь с законами термодинамики все в порядке.