ТЕРМОДИНАМИКА Диапазон температур на Земле от – 80Со до

ТЕРМОДИНАМИКА
Диапазон температур на Земле от – 80Со до +85Со значительно
превышает границы, в которых возможна активная жизнь. Температура
определяет уровень активности животных и распространение. В открытом
океане температура поверхностных слоев воды от –2 Со до +30 Со. Процессы
жизнедеятельности возможны лишь в диапазоне от 0 до +40 Со. В
неактивном
состоянии животные переносят температуры ниже 0,
выдерживая даже замораживание. Например, мелкие нематоды, тканевые
культы (эпителиальная, мышечная ткани и др.), простейшие при помещении
в жидкий воздух (-197 Со) застывают, а при быстром отогревании оживают.
Ряд животных обитает в горячих источниках, так отдельные виды
водорослей и бактерий размножаются в них при температуре до+70Со.
Температура, как мера скорости движения молекул, определяет скорость
химических реакций и является одним из факторов ограничивающих рост и
метаболизм.
Животные меняющие свою температуру вслед за изменением
температуры среды называют холоднокровными, или пойкилотермные (т.е.
изменчивые, лабильные). Температуры при этом не обязательно равна
температуре среды, а может быть несколько выше, особенно в активном
состоянии. Так рыбы весом около 40 г имеют мышечную температуры на
0.44Со выше, чем температура воды.
Животные способные менять и регулировать температуру собственного
тела
- это теплокровные, гомойтермные животные. Это птицы и
млекопитающие. Постоянство температуры тела у них поддерживается за
счет теплопродукции, с помощью защитного поведения, изменений
теплоизоляции, кровообращения и других факторов, меняющих перенос
тепла. Периоды зимней спячки, или летаргии сопровождает снижение
температуры тела, при этом физиологический термостат переключается на
более низкую температуру. Сенсорные механизмы сообщают об изменениях
температуры, вызывая соответствующие защитные реакции.
Относительно
небольшая
часть
животных,
так
называемые
гетеротермные животные способные к частичной регуляции температуры
тела, которая ограничивается либо какими-то областями тела, либо
определенными условиями среды. Таких животных много среди насекомых,
например пчелы, или муравьи, хотя большая часть членистоногих являются
типичными пойкилотермные организмами.
Температура любой активной клетки обязательно должна быть выше
температуры окружающей среды, так как при окислительных процессах и
гликолизе происходит выделение тепла. Температура тела животного
зависит от ряда факторов, влияющих на тепловой баланс организма
противоположным образом. Источником тепла может быть метаболический
термогенез (эндотермия) или внешняя среда, главным образом солнечная
энергия (эктотермия).Теплоотдача происходит путем излучения, конвекции,
теплопроводности и испарения воды. Потерям тепла способствует
циркуляция крови от внутренних частей организма к внешней поверхности, а
препятствует теплоизоляция.
Термические свойства воды главным образом определяют тепловой
баланс организма. Теплопроводность воды – 0.0014 кал/(см*с*град), ниже
чем у металлов, но выше чем у других жидкостей (например, этиловый
спирт - 0.00042 кал/(см*с*град)).Удельная теплоемкость воды – 1,0
кал/(г*гад), для этилового спирта -0,09 кал/(г*гад), а для большинства
животных тканей от 0,07 кал/(г*гад) до 0,09 кал/(г*гад). Коэффициент
температуропроводности равен теплопроводности, деленной произведение
удельного веса на удельную теплоемкость. Низкая температуропроводность
приводит к медленному охлаждению или прогреванию тканей и
ограничению распространения тепла в организме. Хороший изолятор для
животных – жир. Животные с большой тканевой массой медленно
согреваются и медленно охлаждаются, передачу тепла в организме
осуществляют циркулирующие жидкости.
Испарение воды охлаждает любую поверхность, так для испарения 1 г
воды при 20оС затрачивается 585 кал. Большинство наземных животных
используют это для предотвращения перегревания тела.
Биологическая кинетика изучает скорость биологических процессов и
зависимость их от концентрации веществ, участвующих в биохимических
превращениях, а также зависимость от внешних условий, в частности от
температуры. Такая зависимость понятна, если учесть, что любое химическое
превращение происходит при условии соударения молекул, пребывающих в
беспорядочном тепловом движении. По мере повышения температуры
увеличивается длина пробега молекул, а тем самым, и вероятность их
соударения друг с другом. Таким образом, относительное количество
молекул, способных вступить в реакции, или как принято говорить, активных
молекул, с повышением температуры увеличивается, а само скорость
реакции возрастает.
Величину, показывающую во сколько раз увеличивается количество
активных молекул, следовательно, и скорость реакции, при повышении
температуры на 100С, называют температурным коэффициентом и
обозначают символом Q10.
Vт2
(1)
Q10= Vт1 ,
где Vт1 – скорость реакции при начальной температуре,
Vт2 – скорость реакции при увеличении температуры на 100С.
Между величиной температурного коэффициента реакции 100С и той
избыточной энергией, которой должны обладать молекулы, чтобы их
соударение привело к химической реакции (так называемой энергией
активации – Е ) существует зависимость, которую выражают формулой:
(2)
Е = 0,46 Т1 * Т2 * lgQ10 ,
где Е – энергия активации в ккал-моль,
Т1 и Т2 – температуры, выраженные в градусах абсолютной шкалы и
отличающиеся друг от друга на 100С, т.е. Т2 = Т1 + 100,
lgQ10– десятичный логарифм температурного коэффициента Q10.
Из этого выражения видно, что при повышении температуры на 10оС
число молекул, энергия которых превышает критическую может удвоиться,
хотя прирост кинетической энергии, пропорциональной абсолютной
температуре, будет гораздо меньше. В биологическом диапазоне температура
величин Q10 для многих метаболических реакций лежат в пределах от 2 до
2,5. В тоже время некоторые сложные
изменения скоростей
физиологических процессов, например циркадные ритмы, относительно
независимы от температуры, а величина Q10 для потребления кислорода ряда
пойкилотермных животных лежит между 1 и 2. Сравнивая потребления
кислорода у животных в покое и активном состоянии можно определить
характерные для этого уровни обмена при различных температурных
условиях. У моллюска Cаrdium величины Q10 для активного состояния и
покоя равны соответственно 1,84 и 1,20. Для многих беспозвоночных
принизких температрах
характерны невысокие величины Q10.
Температурные характиеристики
ферментативных реакций могут
понижаться по мере понижения концентрации субстрата до лимитирующего
уровня, тогда измерения температурного коээфициента теряет смысл.
Поэтому в случае сложных реакций с параллельными и последовательными
этапами, с противоположным влиянием на Q10 становятся не возможными
попытки элементарного анализа температурного коэффициента. И все же, в
биологических исследованиях адаптации и акклиматизации животных к
различным условиям внешней среды широко применяется изучение и
определение Q10.
Лабораторная работа № 1
Определение температурного коэффициента
и вычисление энергии активации сердца лягушки
Цель работы: Экспериментально убедиться в соблюдении физикохимических закономерностей в живом организме.
Задачи: 1. Провести подсчет сердечных сокращений
при комнатной
температуре;
2. Провести подсчет сердечных сокращений
при повышении
о
температуры на 10 С ;
3. Провести подсчет сердечных сокращений
при понижении
о
температуры на 10 С ;
4. Рассчитать по формулам температурный коэффициент и энергию
активации.
5. Сделать выводы о наблюдаемых явлениях и подготовить отчет.
Приборы и материалы: Термометр в диапазоне от 0 до 300С, сосуд для
сердца объемом на 50мл, термостат или термостатирующий сосуд объемом
не менее 500 мл, лед, горячая вода, раствор Рингер-Локка для
хладнокровных, секундомер, препаравальный инструмент (ножницы,
скальпель, препаравальные иглы, пинцеты, марля.
Ход работы: Для выполнения работы необходима регистрация ритма
сокращений сердца лягушки при двух или трех различных температурах,
отличающихся друг от друга на 100С.
После обездвиживания лягушки извлекают сердце из грудной полости и
помещают в заранее подготовленный сосуд, заполненный на 2/3 раствором
Рингер-Локка для хладнокровных.
Первый подсчет делают через5-7 минут после извлечения. Количество
сердечных сокращений за 1 минуту определяют 3-4 раза и вычисляют
среднюю величину числа сердечных сокращений в минуту. Определяют
температуру при комнатных условиях.
Затем сосуд с сердцем переносят в термостат, в котором температура на
0
10 С выше, чем в комнате. Через 3-5 минут проводят определение числа
сердечных сокращений в минуту, усредняя как и при комнатных условиях,
3-4 подсчета.
Вновь переносят сосуд с сердцем в комнатные условия и прослеживают
восстановление исходного ритма сокращений сердца. Опять через 3-5 минут
определяют число сердечных сокращений в минуту, усредняя как и ранее
3-4 подсчета.
Потом сердце помещают в камеру, охлаждаемую смесью воды со
льдом, и когда температура станет на 100С меньше, чем в комнатных
условиях, вновь начинают подсчет частоты сердечных сокращений в
минуту. Проводят 3-4 подсчета, результаты которых усредняют.
Вновь переносят сосуд с сердцем в комнатные условия и прослеживают
восстановление исходного ритма сокращений сердца. Опять через 3-5 минут
определяют число сердечных сокращений в минуту, усредняя как и ранее
3-4 подсчета.
Все данные вносят в таблицу.
Услови
Vт2
Q10=
Кол-во
я
опыта
темпер
атура
Vт1
сокращний
1
4
Vт1
V 1..ком.низ.
0
Vт2
Q10=
Vт1
2. низ. ком.
Vт2
Q10=
Vт2
Q10= Vт1
4..терм.-
31.ком.
ком
Е = 0,46 Т1 *
Т2 * lgQ10 ,
энергия
активации
-терм.
С
1.ком.t=
2 низ..t=
3.ком.t =
4 терм..t=
5..ком.t=
Е сред =
3
1
На рисунке 1 – сосуд с раствором Рингер-Локка,
2 – сердце лягушки,
3 - термометр, опущенный в сосуд с
сердцем.
ПРИМЕР: В опыт было установлено, что
0
сердце лягушки 18 С (Т1 =273 + 18=291)
совершает 31 сокращение в минуту, а при
0
28 С (Т2 =273 + 28=301) 60 сокращений в
минуту. Отсюда Q10 =60/31=1,9.
По таблице Брадиса находим значение Q10= 0,27875. Подставив соответствующие
значения в формулу (2),
определяем численное выражение значения энергии
активации: Е=0,46 * 291*301*0,27875= 11,239 ккал/моль.
Лабораторная работа № 2
Определение температурного коэффициента и вычисление энергии
активации дыхания веточки элодей
Цель работы: Экспериментально убедиться, что физико-химические
закономерности соблюдаются в живом организме.
Задачи: 1. Провести подсчет пузырьков газа при комнатной температуре;
2. Провести подсчет пузырьков газа при повышении температуры на 10 Со;
3. Провести подсчет пузырьков газа при понижении температуры на 10 Со;
4. Рассчитать по формулам температурный коэффициент и энергию
активации.
5. Сделать выводы о наблюдаемых явлениях и подготовить отчет.
Приборы и материалы: Элодея в маленьком сосуде, сосуды большего
объема с термостатированной температурой большей и меньшей комнатной
на 10 Со; термометры, секундомер, таблицы Брадиса.
Ход работы: Для выполнения работы необходима регистрация
выделения пузырьков кислорода, образуемого элодеи для двух или трех
различных температурах, отличающихся друг от друга на 100С.
Элодея это типичная для большинства аквариумов водоросль,
которая при достаточном освещении выделяет пузырьки газа кислорода с
кончиков листьев. Визуально можно вести их подсчет, определяя
количество пузырьков, выделяемых одним растением.
Первый подсчет делают через5-7 минут после термостатирования
емкости с водрослью. Для этого небольшой сосуд с элодеей помещают в
больший по объему сосуд с фиксированной температурой. Подсчитывают
количество выделяемых пузырьков газа за 1 минуту. Повторяют
определение 3-4 раза и вычисляют среднюю величину. Определяют
температуру при комнатных условиях. Затем сосуд с водорослью
переносят в термостат, в котором температура на 100С выше, чем в
комнате. Через 3-5 минут проводят определение числа выделяемых
пузырьков, усредняя как и при комнатных условиях, 3-4 подсчета.
Вновь переносят сосуд с водорослью в комнатные условия и
прослеживают восстановление исходного ритма выделения пузырьков
газа. Опять через 3-5 минут определяют количество выделяемых
пузырьков, усредняя, как и ранее 3-4 подсчета. Потом проводят такие
же замеры с понижением температуры на 100С.
Все данные вносят в таблицу.
Условия опыта
Кол-во
Vт2
Vт2
Vт2
Vт2
темпера-тура
0
сокращний
Q10=
Vт1
Q10=
Vт1
Q10=
Vт1
Q10=
Vт1
С
1
4
V
1..ком.-низ.
2. низ. -ком.
31.ком.-терм.
4..терм.- ком
Е = 0,46 Т1 * Т2 *
lgQ10 ,
энергия
активации
1.ком.t=
2 низ..t=
3.ком.t=
4 терм..t=
5..ком.t=
Е сред =
ПРИМЕР.
0
В опыт было установлено, что при 18 С (Т1 =273 + 18=291) выделяется 31 пузырек в
0
минуту, а при 28 С (Т2 =273 + 28=301) 60 в минуту. Отсюда Q10 =60/31=1,9. По таблице
Брадиса находим значение Q10= 0,27875. Подставив соответствующие значения в
формулу (2) определяем численное выражение значения энергии активации:
Е=0,46 * 291*301*0,27875= 11,239 ккал/моль.
Вопросы:
1. Как называют зависимость, которую выражают формулой
Е = 0,46 Т1 * Т2 * lgQ10?
2. К какому типу термодинамических систем можно отнести живой
организм?
3. Почему наша планета Земля является термодинамической открытой
системой?
4. Какие животные регулируют температуру своего тела исключительно за
счет гомеостатической регуляция температуры тела (изменения обменных
процессов) и изменения поведения.
5. Что называют энергией активации – Е?
6. Приведите примеры теплокровных и хладнокровных животных.