Nhiệt động học hệ sinh học

19 NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘNG HỌC CHO CƠ THỂ SỐNG Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá giữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướ

MỤC LỤC

Trang

I Một số khái niệm và đại lượng cơ bản ……… 2

2.1 Định luật I nhiệt động học ……… 4 2.3 Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật ………… 6 2.3 Nhu cầu năng lượng của cơ thể……… 8

2.4 Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động

3.1 Định luật II nhiệt động học……… 11 3.2 Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật ………… 16 3.3 Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máy

nhiệt………

19

NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘNG HỌC CHO CƠ THỂ SỐNG

Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá giữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn

tự diễn biến của các quá trình xảy ra trong hệ thống sống

Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng năng lượng vì vậy nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở

do luôn xảy ra sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh, có

khả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản nên khác với hệ vật lí như chất rắn, chất lỏng hay chất khí Hiện nay nhiệt động học hệ sinh vật có các hướng nghiên cứu chủ yếu sau:

- Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan hay toàn bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt động Xác định hiệu suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liên kết của các cao phân tử sinh học

- Nghiên cứu tính chất nhiệt động của các quá trình diễn ra trong cơ thể sống như quá trình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực

- Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tốmôi trường lên quá trình chuyển hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường

I Một số khái niệm và đại lượng cơ bản

- Hệ: Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối tượng để nghiên cứu

Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể để nghiên cứu thì quần thể là một hệ

- Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa hệ với môi trường xung quanh Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng

ở qui mô thí nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt lượng dùng để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hóa

- Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh

- Hệ mở: Là hệ có trao đổi cảvật chất và năng lượng với môi trường xung quanh

Ví dụ: cơ thể sống là một hệ mở

- Tham số trạng thái: Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ, ví dụ như nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi

- Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trị nhất định và không đổi theo thời gian

- Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham sốtrạng thái thay đổi với tốc

độ chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thểxem nhưtrạng thái của hệlà trạng thái cân bằng

- Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình diễn ra trong đó nhiệt độ, áp suất và thểtích luôn không đổi trong suốt quá trình diễn ra

- Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trởvềtrạng thái ban đầu không kèm theo bất cứ một sự biến đổi nào của môi trường xung quanh

- Quá trình bất thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trởvềtrạng thái ban đầu làm thay đổi môi trường xung quanh

- Hàm trạng thái: Một đại lượng được xem là một hàm trạng thái, đặc trưng cho trạng thái của hệ, khi sựbiến thiên giá trịcủa nó trong bất cứquá trình nào cũng chỉphụthuộc vào giá trị đầu và giá trịcuối mà không phụthuộc vào con đường chuyển biến Nội năng (U), năng lượng tựdo (F), thếnhiệt động (Z hay G), entanpi (H), entropi (S) là những hàm trạng thái

- Năng lượng: Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thểbiến đổi một cách định lượng luôn theo cùng một tỉlệthành nhiệt lượng Năng lượng phản ánh khảnăng sinh công của một hệ Đơn vịdùng để đo năng lượng là Calo (Cal) hay Joule (J)

- Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từhệnày sang hệ khác Nếu như sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vịtrí của hệ thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng công

Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng lượng tiêu tốn đã được dùng vào thực hiện công

để di chuyển vị trí

Nếu sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của phân tử ở hệ nhận năng lượng thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng nhiệt Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì chúng đều phụ thuộc vào cách chuyển biến

- Nội năng: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử chuyển động và thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng với năng lượng của hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện tử

II Định luật I

2.1 Định luật I nhiệt động học

Định luật I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu của các tác giảnhưM V Lomonoxob (1744), G I Heccer(1836), R Majo (1842),

Helmholtz (1849), Joule (1877) Định luật I nhiệt động học được phát biểu như sau:

"Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng khác sẽ xuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị của năng lượng dạng ban đầu"

Định luật I nhiệt động học bao gồm hai phần:

- Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác

- Phần định lượng khẳng định giá trị năng lượng vẫn được bảo toàn (tức giữ nguyên giá trị khi qui đổi thành nhiệt lượng) khi chuyển từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác Giá trị năng lượng chỉ được bảo toàn khi quá trình xảy

ra là quá trình thuận nghịch và hiệu suất của quá trình đạt 100% Đối với quá trình bất thuận nghịch, hiệu suất của quá trình nhỏ hơn 100% thì ngoài phần năng lượng truyền cho hệ phải cộng thêm phần năng lượng đã toảra môi trường xung quanh Biểu thức toán học của định luật I nhiệt động học: Một hệ cô lập ở trạng thái ban đầu có nội năng U1, nếu cung cấp cho hệmột nhiệt lượng Q thì một phần nhiệt lượng hệ sử dụng để thực hiện công A, phần còn lại làm thay đổi trạng thái của hệ

từ trạng thái ban đầu có nội năng U1 sang trạng thái mới có nội năng U2(U2>U1) Từnhận xét trên ta có biểu thức:

Q = ΔU + A (1.1) Trong đó ΔU = U2- U1

Công thức (1.1) có thểviết dưới dạng:

ΔU = U1- U1= Q - A (1.2) Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, phương trình (1.2) có thểviết dưới dạng:

dU = δQ - δA (1.3) dU: Chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số trạng thái

δQ và δA: Chỉ sự biến đổi nhiệt và công, là hàm số của quá trình

Từ biểu thức (1.2), định luật I nhiệt động học có thể phát biểu như sau:

"Sự biến thiên nội năng của hệ bằng nhiệt lượng do hệ nhận được trừ đi công do

hệ đã thực hiện"

Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến các hệ quả sau đây:

- Nếu hệ biến đổi theo một chu trình kín (có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùng nhau) thì nội năng của hệ sẽ không thay đổi (U2= U1→ΔU = 0)

- Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng, nếu hệ không thực hiện công thì toàn bộ nhiệt lượng mà hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ

Theo (1.2) ΔU = U2- U1= Q - A, nếu A = 0 →U2- U1= Q

Hệ nhận nhiệt nên Q > 0 →U2- U1= Q > 0 →U2> U1

- Khi không cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực hiện công thì chỉ có cách là làm giảm nội năng của hệ

Theo (1.2) ΔU = U2- U1= Q - A,

Nếu Q = 0 →U2- U1= -A →A = U1- U2

Hệ muốn thực hiện công, tức A > 0

→U1- U2> 0 →U1> U2

Sau khi thực hiện công (tức A > 0), nội năng của hệ đã giảm từ U1 xuống U2 nhỏ hơn

- Hệ thực hiện theo chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ sẽ không có khả năng sinh công

ΔU = Q - A, Nếu hệ thực hiện theo chu trình kín, theo hệquả 1 thì

ΔU = 0 →Q - A = 0 →Q = A

Do vậy, nếu Q = 0, tức không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ cũng không có khả năng sinh công, tức A = 0 Hệ quả này, có thể phát biểu dưới dạng: "Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một, là loại động cơ không cần cung cấp năng lượng nhưng vẫn có khả năng sinh công"

2.2 Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật

Người đầu tiên tiến hành thí nghiệm đểchứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệthống sống là hai nhà khoa học Pháp Lavoisier và Laplace vào năm 1780 Đối tượng thí nghiệm là chuột khoang Thí nghiệm cách ly cơ thể khỏi môi trường bên ngoài bằng cách nuôi chuột trong nhiệt lượng kế ở nhiệt độ 0oC Dùng một lượng thức ăn đã xác định trước đểnuôi chuột thí nghiệm

Trong cơ thể chuột sẽ diễn ra các phản ứng phân huỷthức ăn tới sản phẩm cuối cùng là khí CO2và H2O, đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng Q1 Nếu coi ở điều kiện 0oC, chuột đứng yên, không thực hiện công mà chỉ sử dụng nhiệt lượng giải phóng ra do oxy hoá thức ăn để cung cấp nhiệt lượng cho cơ thể và tỏa nhiệt ra môi trường, qua nhiệt kế đo được sự tăng nhiệt độ, theo công thức sẽ tính được nhiệt lượng Q1 Đồng thời lấy một lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn

đã cho chuột ăn trước khi thí nghiệm đem đốt cháy trong bom nhiệt lượng kế cũng tới khí CO2và H2O, giải phóng ra nhiệt lượng Q2 So sánh hai kết quả thí nghiệm thấy giá trị Q1tương đương với Q2 Điều này chứng tỏ nhiệt lượng giải phóng ra từcác phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơthể sống hoàn toàn tương đương với nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng ôxy hoá diễn ra ởngoài cơ thể sống Nói cách khác, hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ởtrong cơthể sống và hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ởngoài cơ thể sống là hoàn toàn tương đương

Để tăng độ chính xác của thí nghiệm, sau này có nhiều mô hình thí nghiệm của nhiều nhà nghiên cứu được tiến hành nhưng đáng chú ý nhất là của Atwater và Rosa vào năm 1904

Đối tượng thí nghiệm là người và thời gian thí nghiệm là một ngày đêm (24 giờ) Trong thời gian thí nghiệm, cho người tiêu thụmột lượng thức ăn nhất định, thông qua đo lượng khí ôxy hít vào (hay khí CO2thởra), nhiệt thải ra từ phân và nước tiểu sẽ tính được hiệu ứng nhiệt của các phản ứng phân huỷthức ăn diễn ra

ở cơ thể người trong 24 giờ

Đồng thời đốt lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn mà người đã tiêu thụ ở trong bom nhiệt lượng kế sẽ đo được nhiệt lượng toả ra Kết quả thí nghiệm:

Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng diễn ra ở

cơ thể người trong 24 giờ

Nhiệt lượng do thức ăn

cung cấp

Nhiệt lượng toảra xung quanh : 1374 KCal

Nhiệt lượng toảra do thởra : 181 KCal

Nhiệt lượng toảra do bốc hơi qua da: 227 KCal

Nhiệt do khí thải ra : 43 KCal

Nhiệt toảra từphân và nước tiểu : 23 KCal

56,8 gam Protein : 237 KCal 79,9 gam Gluxit : 335 KCal 140,0 gam Lipit : 1307 KCal

Hiệu đính (do sai số) : 31 KCal

Tổng cộng nhiệt lượng thải ra : 1879 KCal Tổng cộng : 1879 KCal

Lưu ý: Khi ôxy hoá 1 gam Protein ở trong bom nhiệt lượng kế tới khí CO2và H2O, giải phóng ra 5,4 KCal còn trong cơ thể sống phân giải 1 gam Protein tới urê chỉ giải phóng khoảng 4,2 KCal Khi oxy hoá hoàn toàn 1 gam Gluxit, giải phóng khoảng 4,2 KCal còn ôxy hoá hoàn toàn 1 gam Lipit giải phóng từ 9,3 đến 9,5 KCal

Kết quả thí nghiệm của Atwater và Rosa khẳng định năng lượng chứa trong thức ăn sau khi cơ thể tiêu thụ đã chuyển thành năng lượng giải phóng thông qua quá trình phân giải bởi các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống Năng lượng chứa trong thức ăn và năng lượng giải phóng ra sau khi cơ thể phân giải thức

ăn là hoàn toàn tương đương

Nhiệt lượng trong cơ thể người được chia làm hai loại là nhiệt lượng cơ bản (hay nhiệt lượng sơ cấp) và nhiệt lượng tích cực (hay nhiệt lượng thứ cấp) Nhiệt lượng cơ bản xuất hiện ngay sau khi cơ thể hấp thụ thức ăn và tiêu thụ ôxy để thực hiện phản ứng ôxy hoá đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng Ví dụ khi cơ thể hấp thụ1 phân tử gam (tức 1M) glucose, lập tức xảy ra phản ứng ôxy hoá đường và giải phóng ra 678 KCal (nhiệt lượng cơbản) Cơ thể sẽ sử dụng nhiệt lượng cơ bản vào các hoạt động sống, nếu còn dư sẽ được tích luỹvào ATP Phần nhiệt lượng tích luỹ vào các hợp chất cao năng gọi là nhiệt lượng tích cực Trong cơ thể sống, nhiệt lượng cơbản và nhiệt lượng tích cực có liên quan với nhau Nếu nhiệt lượng cơ bản nhiều mà cơ thể sử dụng ít thì nhiệt lượng tích cực sẽ tăng lên Nếu nhiệt lượng cơ bản không có thì không những nhiệt lượng tích cực bằng không mà cơ thể phải phân giải ATP, giải phóng ra năng lượng để cung cấp cho các hoạt động sống Ở trạng thái sinh lý bình thường, cơ thể sống sẽ duy trì mối tương quan nhất định giữa nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực Ở mức độ tế bào, có khoảng 50% năng lượng của chất dinh dưỡng được tích luỹ vào ATP

2.3 Nhu cầu năng lượng của cơ thể

Cơ thể cần năng lượng để tái tạo các mơ cơ thể, duy trì thân nhiệt, tăng trưởng và cho các hoạt động Cơ thể người sử dụng hình thức cung cấp nhiệt cho các hoạt động sau:

+ Năng lượng hoá học cho các quá trình chuyển hoá

+ Năng lượng cơ học cho hoạt động của cơ

+ Năng lượng nhiệt để giữ cân bằng nhiệt của cơ thể

+ Năng lượng điện cho hoạt động của não và các mô thần kinh

Thực phẩm là nguồn cung cấp năng lượng: Glucid và Lipid là các nguồn năng lượng chính, các nguồn khác là Protein và rược Etylic

- Đơn vị năng lượng thể hiện bằng kí lô calo, viết tắt kcal: 1 kcal = 1000 calo Trong cơ thể, khi đốt 1g Glucid cho 4 kcal, 1g Lipid cho 9 kcal; 1g Protein cho 4 kcal Để đảm bảo mức liên kết tối ưu giữa các chất sinh năng lượng, tỉ lệ năng lượng Protid : Lipid : Glucid là 12 : 18 : 70 và tiến tới 14 : 20: 66 Tỉ lệ Lipid không nên vượt quá 30 % năng lượng khẩu phần

- Tiêu hao năng lượng của cơ thể trong một ngày được xác định bằng tổng số năng lượng cơ thể sử dụng cho các phần sau:

+ Năng lượng sử dụng cho chuyển hoá cơ bản (CHCB)

+ Năng lượng do tác động nhiệt của thức ăn

+ Năng lượng cho hoạt động thể lực

- Năng lượng cho CHCB: là năng lượng cần thiết để duy trì sự sống con người

trong điều kiện nhịn đói, hoàn toàn nghỉ ngơi và nhiệt độ môi trường sống thích hợp

Đó là năng lượng tối thiểu để duy trì các chức phận sinh lý cơ bản như tuần hoàn,

hô hấp, hoạt động các tuyến nội tiết, duy trì thân nhiệt

Có nhiều yếu tố có ảnh hưởng tới CHCB bao gồm: cấu trúc cơ thể, nữ thấp hơn nam, càng ít tuổi mức CHCB càng cao, cường giáp làm tăng CHCB, suy giáp làm giảm CHCB, thân nhiệt tăng 1oC CHCB tăng 10%

Để tính CHCB, trong phòng thí nghiệm sinh lý người ta đo trực tiếp thông qua lượng oxy tiêu thụ Trong dinh dưỡng thực hành công thức tổng quát tính năng lượng cho CHCB cho người trưởng thành như sau:

+ Đối với nam: CHCB = 1 kcal x CN (kg) X 24 giờ

+ Đối với nữ: CHCB = 0,9 kcal x CN (kg) X 24 giờ

*/ Chỉ sổ BMR

Bằng cách tính được BMR, ta có thể tính toán được lượng calo nạp vào cơ thể hàng ngày để giảm cân, tăng cân hay giữ cân

Công thức này được nghiên cứu và chứng minh là gần chính xác nhất với thực tế Công thức mới nhất của Harris-Benedict được sửa đổi năm 1984 từ công thức gốc năm 1919 do lối sống và thể trạng con người thay đổi sau nhiều năm:

a Công thức BMR:

Basal metabolic rate (BMR): Tỷ lệ trao đổi chất cơ bản ( chính là lượng năng lượng tiêu thụ tối thiểu trên 1 trọng lượng trong 1 đợn vị thời gian của động vật máu nóng

BMR nó là lượng năng lượng tiêu thụ tối thiểu để duy trì sự sống Nó bao gồm các năng lượng bỏ ra để duy trì các hoạt động sống của cơ thể như: Hoạt động não bộ, tuần hoàn, hô hấp,

Nam: [ (13.397 x Trọng lượng kg) + (4.799 x Chiều cao cm) - (5.677 x Tuổi năm) + 88.362 ]

Nữ : [ (9.247 x Trọng lượng kg) + (3.098 x Chiều cao cm) - (4.330 x Tuổi năm) + 447.593 ]

Từ kết quả lượng calo tiêu thụ trong 1 ngày ở trạng thái nghỉ ngơi, ta cần tính toán thêm để biết lượng calo tiêu thụ phù hợp với cường độ vận động của mỗi người:

b Lượng calo cần thiết để duy trì cân nặng của bạn:

Kiểu người:

• Nhóm 1 Ít hoặc không vận động: BMR x 1.2

• Nhóm 2 Vận động nhẹ: 1-3 lần/1 tuần: BMR x 1.375

• Nhóm 3 Vận động vừa phải: 3-5 lần/ 1 tuần: BMR x 1.55

• Nhóm 4 Vận động nhiều: 6-7 lần/1 tuần: BMR x 1.725

• Nhóm 5 Vận động nặng: Trên 7 lần 1 tuần: BMR x 1.9

- Kết quả tính ra là số lượng calo cần thiết nạp vào hàng ngày để có thể duy trì cân nặng hiện tại của bạn

- Nếu bạn muốn giảm cân, hãy giảm lượng calo tiêu thụ hàng ngày xuống và kết hợp với tập luyện để đốt cháy lượng mỡ thừa trong cơ thể

Lời khuyên của các chuyên gia bạn chỉ nên cắt giảm 200-500 calo mỗi ngày để có thể giảm được 0.9-1.81 kg 1 tháng Bạn không nên cắt giảm nhiều hơn bởi việc giảm cân quá nhanh có thể ảnh hưởng đến sức khỏe

- Nếu bạn muốn tăng cân, hãy cung cấp thêm calo cho cơ thể Nên nhớ phải có năng lượng dư ra mỗi ngày bạn mới có thể tăng cân được Nhưng cũng có khuyến cáo cho việc tăng cân quá nhanh như việc giảm cân Tăng 10% lượng calo 1 ngày

để giữ cân là an toàn nhất Nếu tăng 20% là tạm được Không khuyến khích việc tăng quá 20% lượng calo hàng ngày.

2.4 Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động của

cơ thể sống

Phương pháp đo nhiệt lượng của Lavoadie và Laplace dùng trong thí nghiệm chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào

hệ sinh vật, gọi là phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp Cơ sở của phương pháp này là dựa vào lượng khí ôxy tiêu thụhoặc lượng khí CO2 do cơthểthải ra ở động vật máu nóng (động vật có vú và người), có liên quan chặt chẽvới nhiệt lượng chứa trong thức ăn Ví dụ: Quá trình ôxy hóa glucose, phản ứng diễn ra như sau:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2+ 6H2O + 678 KCal (180gam) (134,4l) (134,4l)