,第四章 生物热力学,热力学中的研究对象称为热力学系统，,本章教学内容：,第一节 人体代谢,(,重点,),第二节 生命现象研究的几个重要热力学函数,(,了解,),第三节 体温与体温的控制,(,重点,),第四节 热和冷的生物效应及医学应用,(,阅读,),第五节 分子迁移现象与跨膜输运,(,了解,),开放系统、封闭系统、孤立系统。,生物体是一个开放热力学系统，生命现象是一种广义的热力学过程。,热力学是研究热现象中物质系统在平衡态的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的学科。,第四章 生物热力学热力学中的研究对象称为热力学系统，本章教,第一节 人体代谢,1.,人体代谢,热力学第一定律，,Q=,E+,W,E,t,：分解代谢率,Q,t,：生热率,W,t,：动物体传递给其他系统的机械功率。,分解代谢率可通过观察人把食物转换成能量和废物时利用氧的速率，即氧消耗率来精确测量。,人体为维持生命活动而消耗体内储存的能量和物质的过程叫人体代谢。,E=,Q-,W,E,:,内能变化量,Q,:,产生热量,W,:,对外做功,第一节 人体代谢 1.人体代谢热力学第一定律，Q=,2.,氧消耗率和氧热当量,氧热当量,:,氧消耗和人体内能的减少之间的关系,即消耗单位体积的氧所产生的能量。,表,41,典型食物的氧热当量,食物的氧热当量取决于碳水化合物、蛋白、脂肪等在食物中所占的比例。,各种食物平均来说，消耗一升氧约能产生,2.02,10,4,J,的能量。,氧消耗率,:,单位时间内生物体摄取并消耗外界氧的量。,食物,氧热当量,/(,10,7,Jm,-3,),醣,蛋白质,脂肪,乙醇,标准平均值,2.113,1.866,1.983,2.033,2.02,2.氧消耗率和氧热当量氧热当量:氧消耗和人体内能的减,3.,健康状况与最大耗氧率的关系,表,42,人体健康水平和耗氧率,人的健康状况以及他所能进行各类体力活动的剧烈程度，也取决于其耗氧能力，即做功能力的大小为耗氧能力所制约。,健康水平,最大耗氧率,(mLmin,-1,kg,-1,),很差,差,尚好,好,最好,28,34,42,52,70,3.健康状况与最大耗氧率的关系表42 人体健康水平和耗,4.,各类活动水平的耗氧率和分解代谢率,表,4-3,各类活动水平的耗氧率和分解代谢率,基础代谢率,(BMR):,当人处于完全静息状态下的代谢率。,d,E,/d,t,=2.929,10,5,J/h80W,哺乳类动物基础代谢率与质量关系：,d,E,/d,t,=,cM,3/4,c,3.766,10,5,J/(kg,3/4,h),活动水平,耗氧率,/(mLmin,-1,kg,-1,),以质量,65kg,人为准,分解代谢率,/(Jh,-1,),睡眠,轻微活动,(,演讲、散步、家务,),中等活动,(,骑自行车,16km/h,赛马,),剧烈活动,(,踢足球、锯木,),甚剧烈活动,(,篮球赛、快速游泳,),极剧烈活动,(,自行车竞赛,43km/h),3.5,10,20,25,30,70,2.929,10,5,8.368,10,5,1.674,10,6,2.092,10,6,2.510,10,6,5.858,10,6,4.各类活动水平的耗氧率和分解代谢率表4-3 各类活动水,第二节 生命现象研究的几个重要热力学函数,4.2.1,焓,(enthalpy),等压过程，引入态函数焓，,H,=,E,+,pV,H,=,E,+,p,V=,E,+,W,根据热力学第一定律，,Q,=,E,+,W,故,Q,=,H,意义：等压过程中系统焓变化等于系统与外界交换的热量。,4.2.2,吉布斯自由能,(Gibbs free energy),等温等压过程，引用态函数吉布斯自由能,G,=,E,+,pV,-,TS,根据热力学第一定律,Q,=,E,+,W,及第二定律,d,S,d,Q/T,，,最大功原理：,d,G,p,d,V-,d,W,意义：等温等压过程，系统对外做功,吉布斯自由能减少,若,d,V,0,，,d,W,-d,G,（,d,W,为非膨胀功,）,第二节 生命现象研究的几个重要热力学函数4.2.1 焓(,4.2.3,生物生长过程中的熵,熵,(entropy):d,S,=d,Q,/,T,熵是系统状态有序性的量度。,热力学第二定律：,d,S,d,Q/T,。,生物体的群体进化及个体发育过程是一个从简单到有序的过程。,1969,年比利时学派提出了“耗散结构”的概念与理论，为自然界存在的大量的,(,特别是在生物系统,),远离平衡的有序现象的解释提供了理论基础，发现其与趋向平衡现象一样，非但不违反热力学第二定律，而是同样受热力学第二定律的支配，因而人们除了看到通常热力学给出的趋向平衡的情景外，尚可以看到“达尔文”式的生动活泼的物质进化的情景。,孤立系统熵增大,生命系统熵减小,4.2.3 生物生长过程中的熵熵(entropy):d,熵在生物信息学中的应用,人体蛋白质有,10,多万种，由,20,种氨基酸按一定的编码组成，每一种氨基酸由,4,种碱基按照一定排列组成，问题是，如果用,4,种编码,20,种氨基酸，每,1,种氨基酸至少需要几个碱基进行编码？,碱基位数,可编码氨基酸数目,信息量,(bit),1,4,1,=4,Log,2,4,1,=2,2,4,2,=16,Log,2,4,2,=4,3,4,3,=64,Log,2,4,3,=6,1950s,物理学家伽莫夫（,George Gamov,）根据信息论提出三联核苷酸密码编码,20,种氨基酸的推测。,1960s,三联核苷酸编码得到证实，并逐一被破译。,Log,2,20=4.322bit,熵在生物信息学中的应用人体蛋白质有10多万种，由20种氨基酸,第三节 体温与体温的控制,人体中央体温,:372,。,人类生存环境温度,:-30 +40,。,恒温性：是指机体得热和失热各因素千变万化情况下，机体维持深部温度或体核温度,(,即内环境温度,),在一较窄范围内的能力。,保持体温恒定的意义在于：恒温是高级生命形式的重要特征，恒温对维持哺乳动物机体生存是关键性的。,也是生物体从低级形式向高级形式演化的重要保证。,第三节 体温与体温的控制 人体中央体温:372。人类,(1),体温越高，和生命有关的重要化学过程和物理过程就进行得越快，,(a),酶的最适宜温度在,3637,，过高导致酶变性，催化作用丧失。,(2),体温下降，有可能完全阻止酶的活性。体温下降至,33,以下，神经功能便会受到抑制且知觉会消失。,30,以下则会引起调温系统失灵，若降至,28,，更会引起心室纤颤甚至死亡。,(b),体温提高到,41,中枢神经系统功能开始衰退且会出现惊厥，,(c),温度进一步提高到,45,便会造成蛋白变性及死亡。,(1)体温越高，和生命有关的重要化学过程和物理过程就进行得,4.3.1,体温,1.,体核温度,(core temperature),:,人体躯干核心的温度。,测量体核温度的部位通常为直肠、口腔、食管、耳膜以及尿流，但所得的值却各不相同，因而没有一处温度可认为是真正的体核温度。,食管温度,:,能间接量度从心脏泵出的动脉血血温。,肛温,:,直肠热惯性大,不适于进行变化较快的温度量度。,耳膜温度,:,耳膜热惯性小，,能反映温度变化最快。,环境温度为,530,时，人体活动时的体核温度只是代谢率的函数，,环境温度高于,30,，因出现热应激，体核温度上升。,4.3.1 体温1.体核温度(core tempera,2.,皮肤温度,(skin temperature),皮肤温度是一个不确定的概念，随体表部位的不同而不同。常用的皮肤温度是一平均值，选取不同部位测试点的皮肤温度加权平均。如：,10,8,6,4,3,点法,如四点法：,T,皮,0.2(,T,小腿,+,T,大腿,)+0.3(,T,胸,+,T,上臂,),如三点法：,T,皮,0.5,T,胸,+0.36,T,小腿,+0.14,T,上臂,3.,体温,(body temperature),T,b,=,T,肛,+(1-,),T,皮,寒冷环境,：,=0.64,温度适中环境,：,=0.67,炎热环境,：,=0.80.9,一般情况：,=0.65,平均体温：,36.5,37.0,2.皮肤温度(skin temperature)皮肤温度是,4.3.2,温度梯度,体核温度高于皮肤温度，二者间便存在着温度梯度。,体内的温度梯度取决于如下诸因素：局部生热、得热率和失热率，以及局部血流率和组织的热导。,4.3.3,热盈和热亏,热盈,(heat storage),和 热亏,(heat debt),指的是体温升降时所吸收或放出的热量。,Q,=,mc,T,b,=,mc,(,T,b,-37,),m,:,人体质量,(,kg,),，,c,:,人体比热,c,=,0.83 kcal/(kg,)=3.5kJ/(kg,K),人对严寒比对酷热具有较大的耐受力。体温恒定对人体是非常重要的。,体温升高,Q,为正,热盈,:,最高,42,，,m,=70kg,，,Q,=360kcal,体温下降,Q,为负,热亏,:,最低,25,，,m,=70kg,，,Q,=700kcal,4.3.2 温度梯度体核温度高于皮肤温度，二者间便存在着温,4.3.4,人体的热性质,1.,比热：使,1 kg,生物组织材料升高,1,度所吸收的热量。,生物组织比热：,c,=(1.0 H,2,O,(,f,）,+(0.4,S,f,),H,2,O,(,f,),为组织中水所占分量，,S,f,为干性物所占分量。,瘦肉动物,(,蛋白,25%,水,75,),比热：,0.85kcal/(kg),脂肪性动物,(,脂肪,30%,蛋白,20%,水,50%),比热,:,0.70kcal/(kg),一般动物的均值常取,0.83kcal/(kg),故人体的比热一般取,0.83kcal/(kg),=,3.5kJ/(kg),热容量,C,=,mc,，,m,=70kg,，,C,=2.4,10,5,J/K,4.3.4 人体的热性质1.比热：使1 kg生物组织材料,表,4-4,正常与患有肿瘤的人体组织的比热,组织,正常组织比热,c,p,/(kJkg,-1,K,-1,),肿瘤组织比热,c,p,/(kJkg,-1,K,-1,),肝,肺,前列腺,肌肉,皮层,网状骨,血液,眼角膜,晶状体,水状液,3.6283.690,3.520,3.715,3.543,1.285,1.409,3.767,1.050,1.050,1.000,3.8,3.8,3.8,正常组织与肿瘤组织的比热是不同的。对肿瘤的致热或间质透热疗法也正是基于这一情况进行的。不同组织的比热有所不同，对于其他有关疗法有较大的参考价值。,表4-4 正常与患有肿瘤的人体组织的比热组织正常组织比,2.,热传导方程,由于存在温度梯度,生物组织内部的温度分布由,Pennes,方程描述：,为密度，,c,为比热，,称为热传导系数,。,c,b,为血液比热，,W,b,为血灌注率，,T,a,是供血动脉血温，,Q,m,与,Q,r,分别是容积代谢热与外部立体供热。,其解为：,T,(,x,y,z,t,),2.热传导方程由于存在温度梯度,生物组织内部的温度分布由,表,45,某些生物组织与材料的热传导系数,组织或材料,热传导系数,(,Wm,-1,-1,),水,(37,下,),脂肪,(,人,),肌肉,(,人,),人皮,皮层,(,人,),网状骨,(,人,),皮质骨,(,人,),眼角膜,(,人,),晶状体,(,人,),水状液,(,人,),视网膜,(,人,),肿瘤,(,人,),皮革,猪油,空气,(,干,),0.5652,0.2,0.545,0.2513,0.4,0.5,0.5,0.58,0.40,0.58,0.628,0.545,0.1759,0.2011,0.0209,表45某些生物组织与材料的热传导系数组织或材料热传导系数,4.3.5,人体的加热率,一、总加热率,m,=70kg,C,=,mc,=2.4,10,5,J/K,二、人体生热及生热率,p,0,=2.929,10,5,J/h,基础代谢率