Современный калориметр позволяет точно измерять теплоотдачу различных объектов, подопытных животных и даже людей
Этот первый опыт, положивший начало термодинамическим исследованиям в биологии, позже повторили другие естествоиспытатели, которые уточнили результаты Лавуазье и Лапласа. При помощи усовершенствованных приборов они изучили тепловой баланс у различных животных и человека и определили чрезвычайно важные энергетические параметры, характеризующие обмен веществ.
В последнее время такие измерения вновь стали актуальными. Выяснилось, что потеря тепла на единицу массы тела в ходе развития организма не постоянна. Так, при развитии лягушки из икринки сначала наблюдается резкий подъем кривой потери тепла, а затем ее спад до минимального значения. Подобные эксперименты заложили основу термодинамики процессов развития биологических систем. Живой организм представляет собой открытую систему, которая обменивается веществом и энергией с окружающей средой. В термодинамике существует теоретически обоснованный закон, согласно которому открытая система развивается всегда так, что потеря энергии, или скорость выделения тепла, другими словами, прирост энтропии стремится к минимуму. Применим ли этот закон к эмбриональному или даже видовому развитию организмов? Вторая половина кривой, описывающей развитие лягушки, говорит в пользу этого положения. Кривые подобного типа были получены и во многих других исследованиях. Однако не исключено, что наблюдаемые явления в этих случаях лишь внешне похожи на только что описанное, а на самом деле они обусловлены совсем другими причинами.
Рассеяние энергии, или, говоря иначе, прирост энтропии, в процессе эмбрионального развития организма сначала увеличивается, а затем стремится к минимуму. В настоящее время идут горячие споры о справедливости применения к биологическим объектам закона, согласно которому любая открытая система стремится к состоянию, при котором прирост энтропии минимален
Здесь действительно проходит сейчас граница применимости принципов термодинамики в биологии. Поэтому будем осторожны в своих выводах и подождем результатов дальнейшего развития этой науки. В настоящее время вырисовывается новое направление термодинамики, так называемая нелинейная термодинамика, которая обещает много интересного. Будущее покажет, оправдает ли она наши надежды. Сложные биологические процессы, такие, как процессы эмбрионального и эволюционного развития, пока лишь в очень малой степени поддаются расчетам. Поэтому мы остановимся сначала на самых элементарных процессах, протекающих в живом организме.
До сих пор мы говорили только об одной стороне энергетического баланса тела — теплоотдаче, или, как мы еще раньше ее назвали, рассеянии энергии. Эта сторона энергетического обмена веществ по праву вызывает наибольший интерес. Ведь если "тепловая дань" платится при каждом процессе преобразования энергии, то по образованию тепла или по соответствующей ему потере энергии можно судить о протекании энергетических процессов, подобно тому как по тиканью часов мы убеждаемся в действии часового механизма. Однако если нас интересует полный энергетический баланс, то нам следует не только учесть выделение тепла организмом, но и выяснить происхождение энергии в живом организме. Тиканье часов свидетельствует лишь о том, что часы идут, но ничего не говорит об их механизме.
Начнем с энергетического баланса у животных. На вопрос об источнике энергии в данном случае ответить легко. Организм "сжигает" потребляемые в виде пищи органические вещества, как примус, керосинка или автомобильный двигатель внутреннего сгорания, и использует освободившуюся энергию. Это сравнение, правда, касается только принципа использования энергии, но не механизма процесса ее "производства". В отличие от названных технических устройств в организме "сгорание" происходит без пламени. Путем сложного чередования ферментов, то есть биологических катализаторов, энергия постепенно отнимается у "сжигаемого" вещества и передается специальному химическому "аккумулятору". В результате образуются богатые энергией молекулы, так называемые "макроэргические соединения", которые диффундируют в ту часть организма, где они необходимы. Здесь присутствуют специальные ферменты, которые способны разряжать эти химические аккумуляторы и использовать освободившуюся энергию в каком-нибудь специфическом процессе.