Применение второго закона термодинамики в оценке эффективности БАД

Второй закон термодинамики сформулирован эмпирически, в его основу положено очевидное всем природное явление, впервые констатированное Р. Клаузисом в 1850 г.: «Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более нагретому». Основы второго закона термодинамики были заложены ранее, чем был сформулирован первый закон термодинамики. Французский военный инженер С. Карно в 1824 г. выпустил научную работу «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Размышления С. Карно о том, как происходит трансформация теплоты в работу, в последующем своем развитии и привело к созданию второго закона термодинамики.

Основополагающим при этом было положение, что движущая сила теплоты не зависит от агентов, используемых для ее реализации, а количество этой силы фиксируется только температурами тел, между которыми она реализуется, в конечном итоге – передачей тепла. Р. Клаузис в 1865 г. ввел понятие «энтропия». По сути дела, энтропия явилась новой физической величиной столь же фундаментальной и универсальной, как и энергия.

В организме человека температура постоянна, изменение объема невелико, поэтому при рассмотрении многих жизненных процессов можно пользоваться понятием свободной энергии Гельмгольца (F), то есть практический интерес представляет не абсолютное значение свободной энергии, а ее изменение:

ΔF = ΔU – TΔS.

Каждый совершающийся в замкнутой системе процесс сопровождается увеличением энтропии. Это положение, которое часто называют «законом возрастания энтропии», по своему значению и точности формулировки становится рядом с первым законом термодинамики – законом сохранения энергии и успешно применимо не только для тепловых машин, но и для биологических живых систем.

Возрастание энтропии является импульсом всего происходящего непосредственно в окружающем нас мире, в том числе и в организме человека. Если выражаться образно – жизнь человека является постоянной борьбой с возрастанием энтропии. В природе не существует реальной системы, которая могла бы пройти цикл операций и вернуться в начальное состояние, не увеличивая энтропию внешней среды.

При нарушении замкнутости системы, как в случае с биообъектами, это тепловое состояние будет непрерывно изменяться с возрастанием энтропии. Более перспективным для оценки влияния энтропии на жизнедеятельность организма человека является подход к пониманию энтропии как величины, характеризующей беспорядочность системы. Р. Максвелл в 1860 г. на основе кинетической теории газов установил основной закон классической статистической механики, определяющий наиболее вероятное распределение молекул по различным возможным энергетическим уровням при статистическом равновесии в системе с неизменной общей энергией – Максвеллово распределение, в результате – понятие энтропии как характеристики беспорядка (или порядка) в настоящее время используется очень широко во многих отраслях науки и техники – в кибернетике, экономике, социологии, истории, химии и т. д.

Для установления взаимосвязи второго закона термодинамики с воздействием на организм биологически активных добавок важны два постулата интерпретации энтропии.

• 1.    Энтропия характеризует устойчивость или неустойчивость организма человека или его адаптационный ресурс.

• 2.    Изменение энтропии является характеристикой энергии, поступающей с пищей в организм человека.

В октогенезе человека постоянство энтропии в основном подтверждается. У эмбриона основной обмен (а именно он отображает продукцию энтропии в организме), действительно, понижается к рождению, но через 3–4 дня начинает возрастать, достигая максимума (300 Кдж м-2·час-1) к 10–12 дням постнатальной жизни. Затем в течение жизни основной обмен понижается до 150 Кдж м-2·час-1 в 20–25 лет и до 120 Кдж м-2·час-1 – к 70–80 годам.

Человек получает энергию в результате биотермодинамической трансформации пищи. При питании мы используем химическую энергию пищевых продуктов, при этом следует отметить, что изменение энтропии в зависимости от качества пищи может колебаться в довольно широких пределах (рисунок 1).

Пища

С олнце

О Фотосинтез на хлоропластах

Растительный мир

<3— Макронутриенты

Микронутрие нты

Биоэлсктрогинсз

Продукты расщепления макронутриентовД8>0

Двигательная активность механическая энергия 270 ккал в сутки Д5>0

В сутки Белк^КОг Жиры-100 г Углеводы^400 г Энергия-3000 ккал

Макронутриенты животные

Микронутриенты животные

Митохондрия Энергетический оборот

Поглощение энергии 4 1О‘Ь ккал в год Д8«0

Выделение тепловой энергии в условиях основного обмена 1800 ккал в сутки

Соотношение АТФ : АДФ 1:5-1:10 Суточный оборот АТФ равноценно весу человека Энергия 7 ккал/моль

Организм человека

______________ ^7

Биологическое окисление потеря энергии 900 ккал в сутки А8>0

I? _________

Транспорт веществ через

Синтез биополимеров О химическая энергия 415 ккал в сутки Д8<0

электрическая AS=O биологическую мембрану

--------D AS=O

Стационарность организма

______5=001181; $—»пмп_______ р Прирост сухой общей массы 10~ тн в год

__       *      __

-О Количество сухой растительной массы на корм животных и человека 2-10" тн в год____

Организм животного —

Рисунок 1. Принципиальная схема энергетической трансформации пищи человека с учетом энтропийной составляющей

| 215 ккал в суткй"Т

Energy absorption 440” kcal per year AS«0

Flora

Per day Proteins 80 g Fat= 100 g Carbohydrates=400 g Energy=3000 kcal

Food -J.

о- Macronutrients

Micronutrients

The increase in total dry weight 10" tons per year __       »      __ ^ Amount of dry vegetable mass for animal feed and person2"10~ tons per year

The body of the animal —

^7

Human body

о

Macronutrients animals

Cleavage products macronutrients1 AS>0

Micronutrients animals

The ratio of ATP : ADP 1:5-1:10 Daily turnover of ATP equivalent to the weight of a person Energy 7 kcal/mo!

4-

M itochondrion Energy turnover

-------P AS=0

Stationary state of the body ^=const, ^>min

Motor activity mechanical energy 270 kcal per day AS>0

Allocation of heat energy in the main exchange conditions 1800 kcal per day

Synthesis of biopolymers

-{> chemical energy 415 kcal per day ASO

Bioloical oxidation energy loss 900 kcal per day AS>0

Bioelectrogenesis electric AS-0

I 215 kcal per day |

\7 ____________

Transport of substances throughbiological membrane AS<0

Figure 1. Schematic diagram of the energy transformation of human food taking into account the entropy component

Для поддержания жизни необходимо непрерывное поступление в организм свободной энергии из окружающей среды, чтобы восполнять постоянную убыль свободной энергии самого организма, идущей на выполнение работы в различных видах, и поддерживать энтропию организма постоянной. В простом понимании энтропия – хаос, саморазрушение и саморазложение. Соответственно «поток отрицательной энтропии» – движение к упорядочиванию и к организации системы. По отношению к человеку, для того чтобы не погибнуть, организм его неустанно борется с хаосом путем организации и поддержания порядка за счет поступления потока отрицательной энтропии из продуктов питания растительного и животного происхождения, что исследуется в настоящее время с помощью «омиксных» подходов. При этом надо четко осознавать, что когда говорится об оценке влияния энтропии на пищевой статус человека, то речь идет не об абсолютном значении энтропии продуктов питания, а об изменении энтропии («потоке энтропии») при трансформации пищи. Основоположник современной кибернетики Н. Винер однозначно связывал влияние энтропии на организм человека с биологически активными продуктами: «Ферменты и витамины в организме человека являются метастабильными демонами Максвелла, уменьшающими энтропию».

Чтобы привести в соответствие второй закон термодинамики с парадоксом постоянства или снижения энтропии в живом организме, в биотермодинамику было введено понятие «равновесного и стационарного состояния» (таблица 1).

Таблица 1.

Отличительные признаки стационарного и равновесного состояний

Table 1.

Distinctive features of stationary and equilibrium States

Равновесное состояние Equilibrium state

Стационарное состояние Stationary state

1.    Свободная энергия и работоспособность системы минимальны. 2.    Энтропия в системе максимальна. 3.    Отсутствие градиентов в системе. 1.    Free energy and system performance are minimal. 2.    The entropy in the system is maximum. 3.    The lack of gradients in the system.

1.    Свободная энергия и работоспособность системы постоянны, но не минимальны. 2.    Энтропия в системе постоянна за счет равенства продукции и потока энтропии. 3.    Наличие постоянных градиентов в системе. 1.    Free energy and system performance are constant, but not minimal. 2.    Entropy in the system is constant due to the equality of production and the flow of entropy. 3.    The presence of constant gradients in the system.

В состоянии равновесия в системе прекращаются все процессы, кроме теплового движения молекул, выравниваются все градиенты.

В стационарном состоянии идут химические реакции, диффузия, перенос ионов и другие процессы, но они так сбалансированы, что состояние системы в целом не изменяется. В стационарном состоянии существуют постоянные градиенты между отдельными частями системы. Это возможно только при условии, что система из окружающей среды получает вещества и свободную энергию, а отдает продукты реакций и выделяющееся тепло. Именно данное состояние и есть – физическое здоровье биообъекта. По образному выражению И.Р. Пригожина: «Энтропия выносит смертный приговор человеку в день его рождения, но откладывает его исполнение во времени на период его жизни». Любой биологический объект, в том числе и организм человека, представляет собой термодинамически открытую стационарную систему, способную обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. Именно в окружающей среде открытая система черпает свободную энергию, необходимую для поддержания стационарного состояния. Для сохранения термодинамического равновесия ей не нужно затрачивать свободную энергию.

Биологически активные вещества – это вещества, имеющие активные группы, предназначенные для участия в процессах, требующих переноса электрона. Чем большая лабильность вещества к электронному возбуждению, тем в большей степени выражена их биологическая активность.

Предпосылкой анализа биологически активных добавок к пище с позиций биотермодинамики является то, что основная задача БАД – улучшение пищевого статуса в плане повышения устойчивости организма человека к негативных факторам внешней среды.

В анализе пищевого статуса с позиций биотермодинамики важно, как энергия трансформируется, неважно – физиологические или биохимические параметры определяют характер этой трансформации (рисунок 2).

Рисунок 2. Основные направления использования активных корректоров пищевого статуса с позиций биотермодинамики

Figure 2. The main directions of the use of active correctors of nutritional status from the standpoint of biothermodynamics

В настоящее время рацион современного человека вполне достаточен по калорийности (около 2,2–2,5 тыс. ккал), но он не в состоянии удовлетворить потребность организма в витаминах, минералах и других эссенциальных биологически активных веществах. Значительный вклад в снижение ценности биохимического состава пищевых продуктов вносят современные агротехнологии и технологические процессы: рафинирование, обработка высокими температурами, обработка СВЧ, сублимирование, криогенные технологии и т. д. [4-6].

В целом для структуры питания в экономически развитых странах характерно избыточное потребление животных жиров и дефицит поли-ненасыщенных жирных кислот, полноценных белков, большинства витаминов, минеральных веществ (кальция, железа), микроэлементов (йода, фтора, селена, цинка) и пищевых волокон [7-10].

Другими словами, в питании сложилась парадоксальная ситуация – люди, переедая и обеспечивая избыточность энергии, недоедают с позиций обеспечения биологически активными веществами, т. е. в итоге жертвуют своим здоровьем. Эта общая тенденция отмечается и при кормлении сельскохозяйственных животных.

Существующая в настоящее время градация потребляемых человеком субстанций на пищевые продукты, биологически активные вещества и лекарственные препараты не совсем корректна. Так, для пищевых продуктов и лекарственных препаратов существует определенная система и обоснование. Для пищевых продуктов – это в основном энергетическая ценность. Для лекарственных препаратов – это точечное фиксирование агонистов на рецепторах. Для БАД на современном этапе отсутствует обобщающая характеристика и научно-теоретическое обоснование, позволяющие позиционировать их в качестве биологически активного продукта, а порой, и отличать их от пищи или лекарства. Основной задачей БАД является не лечение той или иной патологии организма человека (эту задачу должны

Таким обобщающим подходом, широко и успешно используемым в различных отраслях науки и техники, является анализ с позиций второго закона термодинамики. Результат анализа определяется единственным критерием – знаком изменения энтропии. Определив его, исследователь получает информацию о направлении интересующего процесса. Такой путь не только упрощает решение трудных задач, но и приводит к вскрытию единой природы явлений и механизмов, протекающих в организме человека при различных его состояниях.

Термодинамический анализ трансформации пищи в организме человека лучше всего проводить методом прямой калориметрии. Однако, данный метод является весьма сложным и дорогостоящим. Авторами был проведен ряд исследований по оценке влияния БАД путем анализа термодинамических параметров (прежде всего, энтропии) на биообъектах по схеме, представленной ниже (рисунок 3).

Рисунок 3. Схема анализа биологически активного продукта

Figure 3. Scheme of analysis of biologically active product

Такая схема анализа эффекта действия БАД была разработана учеными ВГУИТ и опробована при исследованиях БАД липидного происхождения [3]. Была установлена определенная тенденция: уменьшение масличности растительного сырья приводит, как правило, к увеличению в липидной части таких классических биологически активных веществ, как стабилизаторы окисления (токоферолы, каротиноиды, аскорбаты, фенольные соединения и длинноцепочечные стеролы), ненасыщенные соединения ( ω -3 и ω -6 жирные кислоты, сте-рины, стеролы, ненасыщенные углеводороды). Анализ полученных результатов и применение положений биотермодинамики дали основание выдвинуть гипотезу возможности объективного анализа эффективности БАД по его энтропийной составляющей при вводе ее в рацион питания в виде комбинаций БАД-субстрат. В качестве субстратов-носителей БАД был исследован широкий спектр пищевых форм [1]. Снижение энтропийной составляющей и энергии активации явились теоретической основой для создания липидных пробиотических пищевых форм, применимых в технологиях широкого спектра пищевых продуктов [2].

Процесс оценки продукта как «Функционального» или «Биологически активной добавки» состоит из нескольких этапов.

• 1.    «Предварительный» – исследование биохимического состава.

• 2.    «Обосновывающий» – определение термодинамических функций на биосубстрате.

• 3.    «Окончательный» – подтверждение эффективности на человеке.

Анализ возможностей стабилизации гомеостаза организма человека и повышения его адаптационных ресурсов с позиций биотермодинамики является тем путем, который позволит более полно и правильно оценивать влияние не только БАД, но и в целом пищевого статуса на здоровье человека. Первый закон термодинамики дает основание для количественной характеристики пищевого статуса. Второй закон термодинамики позволяет оценить его качественную характеристику.

Заключение

Можно сделать вывод о целесообразности и перспективности разработки новой парадигмы оценки эффективности биокорректоров на основе измерения эффективности энергообмена, изменения коэффициента потребления кислорода и его максимальных значений, уровня оксигенации гемоглобина крови. Принятые в настоящее время положения омиксных технологий в отношении оценки БАД дают основание для разработки системы их классификации и направленного проектирования целевых функций с учетом персонифицированного подхода к биообъектам, главный из которых – человек.