Энергетическая ценность основных компонентов пищи

Вопросы к экзамену по химии 1 курс.

1. Предмет и задачи химии. Химическая форма движения материи. Место химии в системе естественных наук. Химические дисциплины в системе медицинского образования: бионеорганическая, аналитическая, биофизическая и биоорганическая химии.

Химия относится к естественным наукам. Химия – это наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Предмет химии – вещества, из которых состоит окружающий нас мир. К настоящему времени известно примерно 15 млн сложных и простых веществ, и это число непрерывно увеличивается. Все вещества изучаются, классифицируются и получают свое название.

По философским представлениям окружающий нас мир – природа – это различные формы движущейся материи, которая всегда находится в состоянии непрерывного движения, изменения, развития. Движение, как постоянное изменение, присуще материи в целом и каждой мельчайшей ее частице. Формы движения материи разнообразны. Нагревание и охлаждение тел, излучение света, электрический ток, химические превращения, жизненные процессы – все это формы движения материи. Одни формы движения материи могут переходить в другие. Так механическое движение переходит в тепловое, тепловое в химическое, химическое в электрическое и т.д. Эти переходы свидетельствуют о единстве и непрерывной связи качественно различных форм движения. При разнообразных переходах одних форм движения в другие точно соблюдается основной закон природы – закон вечности материи и ее движения. Ни один вид материи и ни одна форма движения не могут быть получены из ничего и превращены в ничто. Материя может существовать в виде элементарных частиц, имеющих массу покоя, и полей, лишенных массы покоя. Взаимодействуя с друг с другом, элементарные частицы образуют более сложные системы – атомы, которые соединяясь между собой, дают различные вещества. Различие веществ обусловлено внутренним строением: видом и числом атомов, входящих в состав вещества, их взаимным расположением и характером связи между ними.

Химическая форма движения материи подчиняется большому числу менее общих законов. Так, для химии чрезвычайно важны законы стехиометрии, устанавливающие количественные соотношения элементов в химических соединениях, и уравнения химических реакций.

Открытый немецким физиком И.Рихтером закон эквивалентов описывает количественные соотношения химически взаимодействующих веществ.

Закон сохранения массы веществ – масса веществ, вступивших в реакцию равна массе веществ, получившихся в результате реакции.

Закон постоянства состава химических соединений, открытый Ж.Прустом и К.Бертолле гласит, что каждое химическое соединение, каким бы способом оно не было получено, имеет один и тот же постоянный состав.

Закон кратных отношений, установленный Дж. Дальтоном заключается в следующем: в двух соединениях, образованных из одних и тех же элементов на одно и тоже массовое количество одного элемента приходятся такие массовые количества другого элемента, которые относятся как небольшие целые числа.

Закон объемных отношений, открыл Ж. Гей-Люссак: объемы, вступающих в реакцию газов, относятся между собой, а также к объемам, образующих газообразных продуктов, как небольшие целые числа.

А.Авогадро сформулировал закон: в равных объемах различных газов при одинаковых внешних условиях содержится одинаковое число молекул.

Один моль газа связан следующим соотношением pV=RT, это уравнение состояния идеального газа, или уравнение Клапейрона-Менделеева.

Закон удельных теплоемкостей – предложил Дюлонг и Пти, по которому произведение удельной теплоемкости простого вещества в твердом состоянии на атомную массу этого элемента является величиной приближенно постоянной = 25,9*10³Дж/К

В широком понимании вещество – это любой вид материи, обладающий собственной массой, например элементарные частицы. В химии понятие вещества более узкое, а именно: любое вещество – это совокупность атомов и молекул. Все тела в природе состоят из веществ. Каждое вещество имеет определенные физические и химические свойства.

Физические свойства вещества – агрегатное состояние, плотность, растворимость, температура плавления, температура кипения, цвет, вкус, запах и др.

Существуют 3 агрегатных состояния веществ: твердое, жидкое и газообразное. При обычных условиях различные вещества находятся в разных агрегатных состояниях. Любое вещество при изменении условий(например, температуры) может переходить из одного агрегатного состояния в другое.

Изменение агрегатного состояния вещества – это пример физических явлений.

Физические явления – это изменение формы или агрегатного состояния веществ, в результате которых не образуются новые вещества.

Химические свойства вещества – это способность данного вещества превращаться в другие вещества. Превращение одних веществ в другие называются химическими реакциями или химическими явлениями.

Традиционная химия изучает реакции, которые происходят на макроскопическом уровне (в лаборатории или окружающем мире) и интерпретирует их на атомно-молекулярном уровне. Например, сера горит на воздухе голубым пламенем, давая резкий запах. Это макроскопическое явление. На молекулярном уровне происходит взаимодействие молекул кислорода с молекулами серы на поверхности расплавленной серы и образованием молекул SO2. Часть энергии химической реакции выделяется в виде электромагнитного излучения, которое придает цвет пламени. Ощущение резкого запаха появляется в результате взаимодействия молекул SO2 с определенными рецепторами нашего организма. Современная химия способна изучать химические реакции с участием отдельных молекул Например, химические свойства невозбужденной молекулы воды и колебательно-возбужденной молекулы воды оказываются разными.

Взаимодействие химии и физики дало 2 науки: физическую химию и химическую физику. Биохимия изучает химические основы жизни. Самой молодой является математическая химия, которая применяет математические методы для обработки химических закономерностей.

Современная химия взаимодействует со всеми другими областями естествознания.

Бионеорганическая химия изучает комплексы биополимеров или низкомолекулярных природных веществ с ионами металлов, присутствующих в живых организмах (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+). Исследует роль этих ионов в выполнении биологических функций ферментов. Сформировалась в самостоятельную область в 50-х гг. XX века. Практическое применение связано с синтезом металлсодержащих лекарственных препаратов.

Одним из примеров роли неорганических ионов в организме является калий-натриевый насос. Это вероятностный механизм сопряженного активного трансмембранного транспорта ионов натрия (из клетки) и ионов калия (внутрь клетки). Этот механизм обеспечивает концентрационный градиент и трансмембранную разность потенциалов.

Существование управляемой трансмембранной разности потенциалов мембраны является основой многих функций: возбуждения, возникновения потенциалов действия, проведения нервных импульсов, управления возбудимостью мембран, сокращения мышцы, секреции клеток желез, трансмембранного обмена веществ, восприятия, переработки информации и формирования управляющих воздействий, а также многих других неспецифических и специфических функций клеток, тканей, органов и систем органов.^[1]

Аналитическая химия необходима в здравоохранении.

Аналитическая химия – не просто дисциплина, накапливающая и систематизирующая знания; эта наука имеет огромное практическое значение в жизни общества, она создает средства для химического анализа и обеспечивает его осуществление – в этом ее главное предназначение. Без эффективного химического анализа невозможно функционирование ведущих отраслей народного хозяйства, систем охраны природы и здоровья населения, оборонного комплекса, невозможно развитие многих смежных областей знания.

Биоорганическая химия - наука, которая изучает строение и биологические функции важнейших компонентов живой материи, в первую очередь биополимеров и низкомолекулярных регуляторов^[1].

Биоорганическая химия изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями. Объекты исследований: биополимеры, витамины, гормоны, антибиотики и др. Сформировалась на стыке биохимии и органической химии. Биоорганическая химия связана с практическими задачами медицины, сельского хозяйства, химической, пищевой и микробиологической промышленности.

2. Основные понятия и законы химии. Эквивалент вещества. Определение эквивалентов оксидов, кислот, оснований, солей в реакциях обмена и присоединения. Закон эквивалентов. Применение в количественном анализе.

Стехиометрические законы:

Число, показывающее какую долю от реальной частицы составляет эквивалент, называют фактором эквивалентности (f). Фактор эквивалентности не может быть больше 1. Молярная масса вещества и эквивалента связаны между собой:

МЭ =М*f

3. Квантово-механическая модель атома. Характеристики энергетического состояния электрона системой квантовых чисел. Основное и возбужденное состояние атома.

4. Периодический закон и периодическая система Д.И.Менделеева в свете квантово-механической теории строения атомов: s-, p-, d-, f- блоки элементов.

5. Развитие представлений о природе химической связи. Основные характеристики связи. Геометрия связи и молекулы.

Различают несколько типов химической связи: ионную, ковалентную, металлическую, водородную.

Металлическая связь

6. Взаимосвязь между процессами обмена веществ и энергии в организме. Химическая термодинамика как теоретическая основа биоэнергетики. Предмет и методы химической термодинамики. Системы: изолированные, закрытые, открытые, гомогенные, гетерогенные. Понятие о фазе.

Процессы жизнедеятельности на Земле обусловлены в значительной мере накоплением солнечной энергии в биогенных веществах (белках, жирах, углеводах) и последующими превращениями этих веществ в живых организмах с выделением энергии.

Работы А. М. Лавуазье (1743—1794) и П. С. Лапласа (1749– 1827) прямыми калориметрическими измерениями показали, что энергия, выделяемая в процессе жизнедеятельности, определяется окислением продуктов питания кислородом воздуха, вдыхаемого животными.

Обмен веществ и энергии — совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. В обмене веществ, или метаболизме, обеспеченном сложнейшей регуляцией на разных уровнях, участвует множество ферментных систем. В процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. При этих превращениях освобождается и поглощается энергия.

С развитием в XIX—XX вв. термодинамики стало возможно количественно рассчитывать превращение энергии в биохимических реакциях и предсказывать их направление.

С точки зрения термодинамики живые организмы представляют собой открытые системы, поскольку они обмениваются с окружающей средой как энергией, так и веществом, и при этом преобразуют и то, и другое. Однако живые организмы не находятся в равновесии с окружающей средой и поэтому могут быть названы неравновесными открытыми системами.

В гомогенной системе отсутствуют резкие изменения фи­зических и химических свойств при переходе от одних областей системы к другим. Примером такой системы может служить плаз­ма крови, представляющая собой раствор различных биогенных веществ.

Гетерогенная система состоит из двух или более гомогенных частей. Примером гетерогенной системы является цельная кровь, т. е. плазма с клетками — эритроцитами и лейкоцитами

Важным примером открытой системы является живая клетка.

7. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Изобарный и изохорный тепловые эффекты. Энтальпия. Принцип Бертло. Закон Гесса. Термохимические уравнения. Стандартные теплоты образования и сгорания, нейтрализации, растворения. Термохимические расчеты и их использование для энергетической характеристики биохимических процессов. Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы. Процессы жизнедеятельности как пример необратимых процессов. Калорийность продуктов.

Бертло принадлежит почётное место среди основоположников термохимии. Он провёл обширные калориметрические исследования, приведшие, в частности, к изобретению в 1881 г. калориметрической бомбы, ввёл понятия «экзотермической» и «эндотермической» реакций. Развивая термохимические идеи датского химика Ю.Томсена, Бертло выдвинул в 1867 г. принцип максимальной работы (принцип Бертло — Томсена), согласно которому все самопроизвольные процессы протекают в направлении наибольшего теплообразования.

Тепловые процессы можно разделить на обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который можно провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния.

Энергетическая ценность, или калорийность — это количество энергии, высвобождаемой в организме человека из продуктов питания в процессе пищеварения. Энергетическая ценность продукта измеряется в кило-калориях (ккал) или кило-джоулях (кДж) в расчете на 100 гр. продукта^{[ источник не указан 194 дня ]}. Килокалория, используемая для измерения энергетической ценности продуктов питания, также носит название «пищевая калория», поэтому, при указании калорийности в (кило)калориях приставку кило часто опускают.

Также, в расчете на 100 грамм продукта, указывается его Пищева?я це?нность — содержание углеводов, жиров и белков.

Для продуктов еще не готовых к употреблению — макароны, крупы, пельмени и тому подобное — энергетическая и пищевая ценность указывается в расчете на 100 грамм исходного (то есть сырого или сухого) продукта.

Энергетическая ценность основных компонентов пищи

В таблице указаны лишь средние значения для каждого класса веществ. Точные значения могут слегка отличаться от вещества к веществу.

Компонент пищи	Энергетическая ценность, кДж/г	Энергетическая ценность, ккал/г
Жиры		9,3
Алкоголь		7,1
Белки		4,1
Углеводы		4,1
Карбоновые кислоты (лимонная кислота и др.)
Многоатомные спирты (глицерин, подсластители)

1 кал = 4,186 Дж

процессы жизнедеятельности как пример необратимых процессов (Посмотреть в методичке)

8. Второе начало термодинамики. Энтропия. Стандартные энтропии. Энергия Гиббса. Термодинамические условия равновесия. Критерии и направления самопроизвольных процессов. Энтальпийный и энтропийный факторы. Экзер- и эндергонические процессы в организмах. Стандартные термодинамические величины некоторых продуктов питания и конечных продуктов метаболизма.

Эндергонический Процесс, протекающий в системе только при поступлении свободной энергии извне.
В живых системах эндергонические процессы сопряжены с экзергоническими. В частности, процессы катаболизма (распад или окисление молекул) обычно являются экзергоническими процессами, а процессы анаболизма - эндергоническими процессами. Таким образом метаболизм есть совокупность взаимодействующих экзергонических и эндергонических процессов. Экзергонические процессы передают свободную энергию для осуществления эндергонических процессов (синтез, активный транспорт, неспецифические эффекты возбуждения, специфические эффекты возбуждения и др.) посредством общего высокоэнергетического соединения. В живых клетках главным таким высокоэнергетическим продуктом является аденозинтрифосфат (АТФ).

Стандартные термодинамические величины некоторых продуктов питания и конечных продуктов метаболизма.(Посмотреть в методичке)

9. Применимость основных закономерностей термодинамики к живым организмам. Понятие о термодинамике открытых систем. Организмы как открытые системы. Стационарное состояние организма и его подсистем. Принцип Пригожина и Онзагера.

Живой организм есть открытая термодинамическая система и поддержание этой системы при постоянной температуре возможно лишь при непрерывном обмене тепловой энергией между организмом и внешней средой, а это возможно лишь при наличии в организме источников тепла.

Многие ученые ХIХ века высказывали сомнение, правомочно ли применение законов термодинамики к биологическим объектам. В них протекают биохимические реакции и другие процессы, а также в них происходят различные превращения энергии (табл.1). Поэтому опытная проверка первого начала термодинамики для биологических объектов имела принципиальное значение. Для этого необходимо было сравнить количество теплоты, выделенной животным, с тем, которое можно получить при непосредственном окислении продуктов питания. Выделяемую организмом теплоту можно определить, помещая животное в адиабатический калориметр. Что же касается теплоты, выделяющейся при окислении пищевых продуктов, можно преодолеть, применяя закон Гесса.

Тепловой эффект химической реакции, развивающейся через ряд последовательных стадий, зависит лишь от разности энергий исходного и конечного состояний химической системы. Закон Гесса широко используют для определения теплосодержания (калорийности) продуктов питания. Продукты сжигают в термостате и определяют количество теплоты, образовавшейся при окислении продуктов кислородом. В соответствии с законом Гесса точно такое же количество теплоты получается при окислении этих продуктов внутри организма.

Одной из основных реакций, происходящих в организме, является реакция окисления глюкозы: С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + 2870 кДж. Это количество теплоты выделяется как и при непосредственном сжигании глюкозы, так и при расщеплении равного количества глюкозы в живом организме.

энергетический баланс организма находится в полном соответствии с законом сохранения энергии и может быть сформулирован так: количество теплоты Q, освобождающееся в организме при усвоении пищи, затрачивается на компенсацию потери теплоты U в окружающую среду и на совершаемую организмом работу А, то есть Q=U+A.

Живой организм в какой то степени сходен с тепловой машиной - также выделяет теплоту в окружающее пространство, то есть обладает свойством теплопродукции за счет энергии, полученной от продуктов питания и от фотосинтеза и выполняет различные виды работы: механическую, электрическую, химическую, осмотическую. В конечном счете все виды энергии превращаются в теплоту, которая выводится в окружающую среду и энтропия системы возрастает.

Так же как в тепловой машине происходит выделение энергии при сгорании, то есть при окислении топлива, в живом организме энергия выделяется при окислении пищевых продуктов-белков, жиров, углеводов. Аккумулирование энергии в живом организме происходит в сложных биохимических соединениях важнейшим их которых является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Между собой фосфатные группы связаны макроэргическими связями (макроэргический - обладающий большой энергией). При гидролизе АТФ отщепляется одна фосфатная группа, которая присоединяет к себе из раствора ионы Н⁺ и ОН^-, образуя ортофосфорную кислоту и аденозиндифосфат (АДФ). Окончательная схема реакции: АТФ+Н₂О=АДФ+Н₃РО₄+Q. При повторении образуется аденозинмонофосфат (АМФ)

Энергия, образующаяся при окислении продуктов питания, выделяется в виде теплоты, которую условно подразделяются первичную (основную) и вторичную (активную). Первичная теплота выделяется сразу же после окисления и независимо от того, совершает организм какую-либо работу или нет. Эта теплота идет на нагревания организма и рассеивается в окружающем пространстве. Около 50% энергии, полученной при окислении продуктов питания, накапливается в макроэргических связях, из которых организм человека черпает энергию на все основные процессы жизнедеятельности. Таким образом, свободная энергия окисления пищевых продуктов используется для совершения всех видов работы только после промежуточного сосредоточения ее в макроэргических связях. При совершении работы связи разрываются, выделяется дополнительная энергия, которая после совершения работы также превращается в теплоту (вторичная). Основная часть вторичной теплоты образуется в результате мышечной деятельности, и количество этой теплоты пропорционально мышечной активности.

Таким образом, живой организм скорее всего можно назвать хемотепловой машиной, для работы живого оргазма не требуется значительной разности температуры тела, а выделение тепла является побочным процессом, но не бесполезным, так как идет на поддержание постоянной температуры тела.

Соотношение между первичной и вторичной теплотой не всегда остается одинаковым. При патологических процессах уменьшается интенсивность образования макроэргических связей, а поэтому увеличивается доля выделяемой организмом первичной теплоты, что сопровождается повышением температуры тела. При увеличении теплоотдачи теплокровным животным возрастает теплопродукция, что необходимо для поддержания температуры тела постоянной. Это происходит за счет увеличения доли вторичной теплоты. Выделение теплоты происходит в значительной степени в скелетных мышцах и в некоторых внутренних органах и зависит от вида животного и в некоторых внутренних органах и зависит от вида животного, от его размера, возраста, питания, пола, степени акклиматизации к внешним условиям и от величины мышечной нагрузки

Организм как открытая система

Биологические объекты являются открытыми термодинамическими системами. Они обмениваются с окружающей средой энергией и веществом. Любой организм не может быть изолирован от окружающей среды. Он поглощает из нее питательные вещества и выводит в нее продукты метаболизма, получает энергию из внешней среды и выделяет в нее теплоту. Даже на человека и животных в космосе в условиях невесомости оказывает значительное влияние отсутствия гравитационного поля, которое определяет динамику кальциевого обмена в костных тканях. Животные, изолированные от слабого магнитного поля Земли болеют и погибают.

Деятельность Солнца также оказывает огромное влияние на биосферу Земли. При возрастании активности Солнца происходит увеличение сердечно-сосудистых и психических заболеваний, к усиленному размножению некоторых микроорганизмов и появлению эпидемий. Все это говорит о том, что существование биологических изолированных систем принципиально невозможно.

Классическая термодинамика рассматривает процессы, находящиеся в состоянии равновесия или близком к равновесию. Характерным же свойством живых систем является наличие градиентов различных физических величин, выравнивание которых означает смерть организма. Работа же, совершаемая биологической системой, а следовательно, и ее свободная энергия определяется градиентами различных величин, которые обусловлены неравновесным распределением вещества в биологической системе.

Для описания неравновесных процессов вводят понятие термодинамических потоков. Например, из закона Фурье следует, что интенсивность теплового потока пропорциональна градиенту температуры:

.

Различных потоков в живом организме достаточно много. В общем случае обозначим термодинамический поток, вызванный i-й причиной через I_i, а градиенты различных величин обобщенными силами и обозначим их Х_к. Соответствующие коэффициенты у термодинамических сил обозначим L_ik Тогда все потоки можно описать системой уравнений

(i,k = 1,2,3...)

(6.29)

Эти уравнения носят название феноменологические, а L_ik называются феноменологическими коэффициентами Онзагера. Смысл этих уравнений в том, что каждый из потоков влияет на величины других потоков. Например, химическая реакция окисления в клетках снижает концентрацию в них кислорода, что создает диффузионный поток кислорода внутрь клетки; одновременно эта же реакция (т.е. соответствующая термодинамическая сила) создает диффузионный поток углекислого газа из клетки наружу, поток тепла, вызванный окислением и многие другие потоки.

Стационарное состояние в открытой системе.

Состояние системы, в котором, несмотря на отсутствие термодинамического равновесия, сохраняются неизменными в течение длительного времени некоторые ее физические и химические свойства, называют стационарным состоянием. Такое состояние возможно только в открытой системе, в которой происходит непрерывный обмен веществом и энергией с внешней средой. Хоть процессы в живом организме являются неравновесными, но многие их параметры в течение длительного времени сохраняют свои величины постоянными. Например, температура отдельных органов и тканей животных сохраняется постоянной, сохраняется солевой баланс и кислотность различных биологических жидкостей, не меняются величины биопотенциалов покоя, осмотические давления и т.д.

Стационарное состояние достигается путем взаимной компенсации всех процессов, связанных с поступлением, удалением и превращением вещества и энергии. Таким образом, если термодинамическое равновесие характеризуется отсутствием каких-либо процессов, то стационарное состояние осуществляется за счет постоянства скоростей физических и химических процессов в живых организмах.

Профессор Пригожин сформулировал теорию неравновесных необратимых систем.

Теорема Пригожина (теорема термодинамически неравновесных процессов): стационарному состоянию системы (в условиях, препятствующих достижению равновесного состояния) соответствует минимальное производство энтропий. Если таких препятствий нет, то производство энтропии достигает своего абсолютного минимума — нуля. Доказана И. Р. Пригожиным в 1947 из соотношений взаимности Онсагера. Теорема Пригожина справедлива, если кинетические коэффициенты в соотношениях Онсагера постоянны; для реальных систем справедлива лишь приближённо, поэтому минимальность производства энтропии для стационарного состояния не является столь общим принципом, как максимальность энтропии для равновесного состояния.

Примером обратимого равновесия может служить таяние кусочка льда при температуре, которая лишь слегка превышает температуру замерзания воды. Энтропия этого кусочка льда повышается по мере того, как кристаллы льда на его поверхности тают, превращаясь в воду. Одновременно энтропия пленки воды на поверхности льда понижается, поскольку тепло из нее забирается на таяние льда. Этот процесс можно сделать обратимым, понизив температуру системы до точки замерзания воды: вода на поверхности кристаллизуется, и энтропия льда понижается, а энтропия пленки воды повышается. В каждом процессе (таяния и замерзания) при температуре замерзания воды или близкой к ней общая энтропия системы остается неизменной. Примером необратимой неравновесной системы может служить таяние кубика льда в стакане с водой при комнатной температуре. Энтропия кубика льда повышается до тех пор, пока не растают все кристаллы. По мере того как тепло поглощается сначала из всего объема воды в стакане, а затем из окружающего воздуха, энтропия всей системы возрастает.

Пригожина больше всего интересовали в термодинамике неравновесные специфически открытые системы, в которых либо материя, либо энергия, либо и то и другое обмениваются с внешней средой в реакциях. При этом количество материи и энергии либо количество материи или количество энергии со временем увеличивается или уменьшается. Чтобы объяснить поведение систем, далеких от равновесия, Пригожин сформулировал теорию диссипативных структур. Считая, что неравновесность может служить источником организации и порядка, он представил диссипативные структуры в терминах математической модели с зависимыми от времени нелинейными функциями, которые описывают способность систем обмениваться материей и энергией с внешней средой и спонтанно себя рестабилизировать. Ставший теперь классическим пример диссипативной структуры в физической химии известен как нестабильность Бенарда. Такая структура возникает, когда слои легкоподвижной жидкой среды подогреваются снизу. При достаточно высоких температурных градиентах тепло передается через эту среду, как обычно, и большое число молекул в жидкости образуют специфические геометрические формы, напоминающие живые клетки.

Ларс Онзагер (27 ноября 1903 — 5 октября 1976) — норвежско-американский физхимик и физик, лауреат Нобелевской премии по химии (1968). Известен благодаря своей теории необратимых реакций. Основные работы Онзагера охватывают теорию необратимых процессов, теорию фазовых переходов. Открыл (1931) принцип симметрии кинетических коэффициентов (см. Онзагера теорема), послуживший основой феноменологической термодинамики неравновесных процессов.

Долгое время было непонятно, каким образом в живых организмах «обходится» запрет на рост энтропии. Сейчас мы знаем, что в основе самоорганизации лежит принцип Онзагера: одновременно протекающие процессы могут влиять друг на друга так, что хотя в каждом из процессов в отдельности энтропия не может уменьшаться, но, взятые вместе, они могут компенсировать уменьшение энтропии в одном из процессов за счет еще большего увеличения в других. В итоге по всем процессам энтропия растет.

Следствия из принципа Онзагера:

1) самоорганизующая система должна быть открытой по отношению к окружающей среде;

2) она может существовать, уменьшая внутреннюю энтропию, только за счет увеличения энтропии (разрушения) внешней среды.

Поэтому любая самоорганизующаяся система может существовать только в потоке энергии, при этом энтропия потока энергии на входе в систему меньше, чем энтропия выходного потока (система потребляет более концентрированную энергию, а выдает более рассеянную). В энергетический поток система сбрасывает свою внутреннюю энтропию (неупорядоченность), из этого потока она берет необходимый ей порядок, что позволяет ей существовать длительное время без саморазрушения. Для этого, например, мы потребляем пищу, разрушая ее внутри себя, высвобождая таким образом накопленную в ней информацию (порядок, мерой которого является свободная энергия), и за счет этого упорядочивая свою структуру. Продукты разрушения, несущие в себе хаос, мы выбрасываем в окружающую среду.

Согласно Пригожину, любая самоорганизующаяся система должна обладать рядом особенностей:

1) открытостью, то есть их существование немыслимо без постоянного взаимодействия с окружающей средой;

2) неравновесностью, то есть энтропия в данной системе существенно меньше энтропии окружающей среды;

3) нелинейностью, то есть непропорциональностью изменения различных свойств системы, ограниченностью пределов изменения этих свойств, что приводит к разного рода фазовым переходам.

В процессе самоорганизации происходит самопроизвольный поиск устойчивых структур. Под устойчивостью системы понимают ее способность сохранять свою структуру при наличии внешних воздействий на нее; при снятии воздействия такая система должна вернуться в исходное состояние. Для устойчивых систем характерно подобие части и целого. Только тогда система сможет потреблять энергию (упорядочивающий фактор) из окружающей среды, когда она подчинена принципу соответствия (резонанса) с окружающей средой. Однако подобие не должно быть абсолютным. «Свобода выбора», непредсказуемость в поведении систем дает перспективы для дальнейшего развития (поиска новых форм организации). Излишек стабильности, предсказуемости также грозит гибелью, как и отсутствие системного «законопослушания»

10. Предмет и основные понятия химической кинетики. Химическая кинетика как основа для изучения скоростей и механизмов биохимических процессов. Скорость реакции, средняя скорость реакции в интервале, истинная скорость.

Ме-

Это уравнение

В живом организме одновременно протекают миллиарды химических реакций, в результате которых человек двигается, думает, дышит, чувствует, говорит, слушает, ощущает запахи, переваривается пища, строятся новые клетки и т.п. При этом все эти биохимические реакции протекают не сами по себе, а четко контролируются с помощью различных систем организма. В каждой клетке организма человека имеется около 100.000.000 компонентов, для синтеза которых протекает около 10 в 8 степени биохимических реакций. В то же время биохимические реакции протекают и в межклеточном пространстве, в кровеносной системе, в желудочно-кишечном тракте и т.п. Таким образом, в организме человека одновременно могут протекать до 10 в 23-25 степени биохимических реакций с получением различных промежуточных компонентов.

Многие в школе на занятиях по химии, наверное, пытались провести хотя бы одну химическую реакцию до конца, для которой необходимо было подогревать исходные компоненты, чтобы в результате одной реакции из двух веществ получить то или иное новое вещество. А теперь представьте проведение одновременно миллиарды триллионов химических реакций так, чтобы ничего не перепуталось, чтобы каждая реакция не мешала другой и все они проходили в строго определенной последовательности и в одном организме. Такое возможно только при проведении биохимических процессов в живых организмах.

На химическом заводе для получения конкретного вещества обычно проводят одностадийную реакцию, в лучшем случае двустадийный химический процесс. И для контроля этой химической реакции имеется один или два отдела (технологический, отдел качества), которые ежедневно контролируют оптимальность проведения этой реакции. Сколько же нужно создать контролирующих органов, чтобы они смогли проконтролировать биохимические процессы, протекающие в организме одного человека! На земном шаре не имеется столько людей.