芻議能量守恒定律和人體的生命活動(dòng)

江津津* 賈 強(qiáng) 萬(wàn)紅霞

（廣州城市職業(yè)學(xué)院食品科學(xué)與美食養(yǎng)生學(xué)院 廣東·廣州 510405）

1 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)與生物物理學(xué)的發(fā)展

德國(guó)生物物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家亥姆霍茲發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律，他在對(duì)生理過(guò)程和動(dòng)物熱的來(lái)源進(jìn)行分析的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)著名化學(xué)家李比希的“活力”學(xué)說(shuō)有問(wèn)題。亥姆霍茲認(rèn)為，如果生物機(jī)體除了從食物發(fā)熱取得能量外，還可以從某種“活力”得到能量，那么生物機(jī)體就成了永動(dòng)機(jī)，即人不吃飯也可以從“活力”中得到能量而活下去。他把自己的觀點(diǎn)加以整理，寫(xiě)成《論力的守恒》一文，送到德國(guó)《物理學(xué)年鑒》，但是被退稿了。1847年7月23日，亥姆霍茲在柏林物理學(xué)會(huì)的一次講演中報(bào)告了這篇論文。他全面闡述了能量守恒和轉(zhuǎn)換來(lái)表示“活力”并將能量守恒定律應(yīng)用于生物系統(tǒng)。另一位科學(xué)家波埃斯·雷曼在研究肌肉神經(jīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了靜息電位與動(dòng)作電位。到了20世紀(jì)40年代薛定諤（Schrodinger）則提出了生命現(xiàn)象中量子過(guò)程的概念。到了50年代，由于生命科學(xué)的研究已經(jīng)從個(gè)體器官水平進(jìn)入到細(xì)胞與分子水平，同時(shí)也由于原子核能，超聲與激光以及各種電磁波的廣泛應(yīng)用，刺激了一些研究者要更多的從分子水平研究許多生物過(guò)程，另一方面迫切需要了解這些外界因素對(duì)人體的作用機(jī)理及防護(hù)的措施，生物物理學(xué)作為生命科學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它與其它分支學(xué)科，如分子生物學(xué)，生物化學(xué)，細(xì)胞學(xué)與生理學(xué)等之間有著密切的聯(lián)系，并在研究中相互促進(jìn)。它與生物工程學(xué)，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)，環(huán)境科學(xué)之間又有交叉的研究領(lǐng)域。生物物理學(xué)對(duì)生命科學(xué)從定性走向定量的發(fā)展，從描述現(xiàn)象到具有數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)的精確科學(xué)的發(fā)展具有重要作用。

經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，生物物理學(xué)的內(nèi)容包括如下方面：研究大分子結(jié)構(gòu)和功能，特別是大分子的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的分子生物物理學(xué)；研究細(xì)胞膜的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)及其在內(nèi)外環(huán)境中物質(zhì)與能量傳遞中作用的膜生物物理學(xué)；研究視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)及神經(jīng)的生物物理學(xué)的感官與神經(jīng)生物物理學(xué)；應(yīng)用理論物理的原則，特別是應(yīng)用非線性理論研究生物學(xué)的理論生物物理學(xué)。

2 蛋白質(zhì)活動(dòng)的“力源”

蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者，除了供氮和供能，許多具有重要生理作用的物質(zhì)都是蛋白質(zhì)，如有催化作用的酶；調(diào)節(jié)各種代謝過(guò)程的蛋白激素；輸送各種小分子、離子、電子的運(yùn)輸?shù)鞍祝患∪馐湛s的肌動(dòng)蛋白；有防御功能的免疫球蛋白；構(gòu)成機(jī)體支架的膠原蛋白等。在蛋白質(zhì)的活動(dòng)中，ATP是直接能量來(lái)源，機(jī)體維持生命活動(dòng)需要不斷消耗ATP，ATP不斷生成又保障了機(jī)體連續(xù)不斷地能量供應(yīng)。生物體內(nèi)能量的釋放、轉(zhuǎn)移和利用的過(guò)程都是以ATP為中心進(jìn)行的。而ATP的分解與再合成的速度隨代謝的需要而變化。ATP的再生成實(shí)際上是ADP與Pi再連接，是一個(gè)磷酸化的吸能過(guò)程。被吸收的能量只能從攝入機(jī)體內(nèi)的糖、脂肪和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的分解（放能）過(guò)程中獲得。糖的分解可以是有氧氧化，也可以是無(wú)氧酵解；脂肪的分解則完全是有氧氧化。

因此，ATP的生成包括有氧生成和無(wú)氧生成兩種類(lèi)型。人體從食物中攝取的總能量的50%是以熱能的形式維持正常體溫；其余絕大部分的能量是以化學(xué)能的形式重新再轉(zhuǎn)移到ATP分子中貯存，以供機(jī)體直接利用。能量的利用途徑為：（1）轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能：肌肉收縮做功，對(duì)人體而言，只有在肌肉中才能把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。肌肉收縮產(chǎn)生于肌原纖維上肌小節(jié)中的肌絲滑行，而肌絲滑行的始動(dòng)又在于橫橋的擺動(dòng)，完成這一橫橋擺動(dòng)的機(jī)械能來(lái)自ATP的分解。人體內(nèi)的肌肉約占總體重的35%～45%，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中體內(nèi)ATP能量的去路主要用于轉(zhuǎn)化為機(jī)械能使肌肉做功。（2）轉(zhuǎn)移到肌酸上：儲(chǔ)存能，ATP的生成主要來(lái)自氧化磷酸化過(guò)程。當(dāng)ATP生成較多時(shí)，可將含有高能磷酸鍵的Pi轉(zhuǎn)移給肌酸而形成CP，以備“急用”。（3）轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽和瓿筛鞣N生理功能，ATP分解產(chǎn)生的能量可用于完成人體各種生理功能，即ATP的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)轶w內(nèi)其它形式的能。如用于體內(nèi)合成代謝所需的化學(xué)能；消化與吸收、腎小管對(duì)濾液的重吸收、細(xì)胞膜的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)及細(xì)胞分泌等滲透能；神經(jīng)興奮的傳導(dǎo)、生物電能等等。所以說(shuō)蛋白質(zhì)活動(dòng)的力源是化學(xué)能。

3 人體的生命活動(dòng)與能量守恒的關(guān)系

人體內(nèi)能量的攝入與支出是符合能量守恒定律的，基本遵循如下公式：

能量輸入（食物）＝能量輸出（做功、產(chǎn)熱）±能量的儲(chǔ)存（脂肪等）。

一個(gè)健康成年人體重的變化，基本符合上述公式。當(dāng)能量攝入與支出相平衡時(shí)，體重基本保持不變；如果攝入大于支出時(shí)，人體就會(huì)發(fā)胖；相反則會(huì)消瘦。由于生物個(gè)體的多樣性與特殊性，也由于人體生命運(yùn)動(dòng)的獨(dú)特性，其能量代謝不是機(jī)械固定不變的而是受很多因素的影響和制約。譬如，想要減肥和防治動(dòng)脈硬化等心血管疾病的人群，應(yīng)該優(yōu)先選擇中低強(qiáng)度的長(zhǎng)時(shí)間有氧運(yùn)動(dòng)。例如：長(zhǎng)時(shí)間散步，走路，打太極拳等等。

在不同運(yùn)動(dòng)形式下，能量的利用及來(lái)源也各不相同。從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來(lái)看，由于人體生命運(yùn)動(dòng)的多樣性，運(yùn)動(dòng)分極限強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)與次極限強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)、遞增負(fù)荷的力竭性運(yùn)動(dòng)以及中低強(qiáng)度的長(zhǎng)時(shí)間有氧運(yùn)動(dòng)。各種運(yùn)動(dòng)其強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間都影響耗能，對(duì)能量的消耗利用是動(dòng)態(tài)變化的。

從運(yùn)動(dòng)的層面來(lái)看，三個(gè)供能系統(tǒng)各有不同特點(diǎn)。（1）磷酸原系統(tǒng)：主要在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后0到30秒內(nèi)由磷酸肌酸為身體進(jìn)行供能，在短時(shí)間和大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中，磷酸原系統(tǒng)是主要供能系統(tǒng)。磷酸原系統(tǒng)的輸出功率是最強(qiáng)的。（2）糖酵解系統(tǒng)：主要在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后的6秒至3分鐘，為身體進(jìn)行供能。在中高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)中主要由糖酵解系統(tǒng)參與。分為快速糖酵解和慢速糖酵解?？焖偬墙徒馐菬o(wú)氧反應(yīng)，慢速糖酵解是有氧反應(yīng)。快速糖酵解和慢速糖酵解區(qū)別在于兩者的產(chǎn)物丙酮酸的去處。前者的丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸，后者的丙酮酸進(jìn)入線粒體通過(guò)氧化系統(tǒng)供能，所以快速糖酵解也叫做無(wú)氧糖酵解，慢速糖酵解也叫做有氧糖酵解。當(dāng)肌細(xì)胞內(nèi)氧氣不足時(shí)，就會(huì)發(fā)生快速糖酵解（此時(shí)生成乳酸），氧氣充足時(shí)，就是慢速糖酵解。所以人體在做那些中高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉細(xì)胞氧氣不足的時(shí)候，你的肌肉就會(huì)堆積乳酸，就容易酸痛。同時(shí)，乳酸過(guò)多還會(huì)使氫離子濃度增加，從而抑制糖酵解從而引起肌肉收縮。而在進(jìn)行低強(qiáng)度長(zhǎng)跑、游泳時(shí)，乳酸就不會(huì)堆積，因?yàn)楸徇M(jìn)入線粒體功能了，身體就沒(méi)有乳酸堆積就不會(huì)酸痛。（3）有氧氧化系統(tǒng)：主要在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后2分鐘內(nèi)由糖、碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)氧化為身體進(jìn)行供能，它需要大量的氧氣參與。在運(yùn)動(dòng)2分鐘后，有氧大量供能便開(kāi)始了，脂肪的氧化也開(kāi)始了。

從能量代謝的角度來(lái)看，有4個(gè)主要因素影響人體能量代謝：

（1）肌肉活動(dòng)對(duì)能量代謝的影響最為顯著。肌肉的任何輕微的活動(dòng)都能提高機(jī)體代謝率。劇烈運(yùn)動(dòng)或強(qiáng)體力勞動(dòng)時(shí)產(chǎn)的熱能超過(guò)人體平靜時(shí)很多倍，而且，即使在肌肉活動(dòng)停止后的一段時(shí)間內(nèi)，能量代謝仍舊會(huì)保持較高水平，隨后才能慢慢恢復(fù)到正常。

（2）精神活動(dòng)對(duì)能量代謝的影響。人體平靜思考問(wèn)題的時(shí)候，熱量增加一般不超過(guò)4%，能量代謝受到較小的影響；但是當(dāng)人的精神處于緊張狀態(tài)時(shí)，如恐懼、煩惱，惱怒或者情緒激動(dòng)時(shí)，身體會(huì)隨之出現(xiàn)無(wú)意識(shí)的肌肉緊張加強(qiáng)，這時(shí)的肌肉活動(dòng)雖然不明顯，但產(chǎn)生的熱量已明顯增加。加上神經(jīng)緊張狀態(tài)可促使腎上腺素類(lèi)的激素分泌，其結(jié)果必然使得機(jī)體物質(zhì)代謝和能量代謝雙雙加速，產(chǎn)生的熱量也增加。這也是在測(cè)定人體的基礎(chǔ)代謝率時(shí)，要求受試者的情緒平靜的原因。

（3）食物特殊動(dòng)力作用對(duì)能量代謝的影響。食物的特殊動(dòng)力作用指進(jìn)食行為刺激機(jī)體產(chǎn)生額外的熱量。從進(jìn)食后的1小時(shí)開(kāi)始，到進(jìn)食后7～8小時(shí)左右，這段時(shí)間的機(jī)體雖然處于安靜狀態(tài)，但機(jī)體產(chǎn)生熱量比進(jìn)食前是增加的，一般在飯后的2～3小時(shí)代謝率升高到最高值。如若進(jìn)食的全部都是蛋白質(zhì)，則身體額外增加30%左右的熱量；如果進(jìn)食的是碳水化合物或者脂類(lèi)，則身體增加熱量大約4%～6%的熱量；而進(jìn)食混合食物會(huì)讓身體增加10%左右的熱量。

（4）環(huán)境溫度對(duì)能量代謝的影響。研究顯示，環(huán)境溫度在20℃～30℃時(shí)，在安靜狀態(tài)下，人體能量代謝最穩(wěn)定。當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃時(shí)，人體代謝率即開(kāi)始增加，在10℃以下有明顯增加，原因?yàn)槭芎浯碳ひ鸬姆瓷湫院畱?zhàn)及肌肉緊張度增加。當(dāng)環(huán)境溫度在30℃～40℃時(shí)，人體代謝率又逐漸增加，可能是高溫導(dǎo)致體內(nèi)生化反應(yīng)速度增加，發(fā)汗機(jī)能旺盛及呼吸、循環(huán)機(jī)能增強(qiáng)等綜合因素所致。

4 結(jié)語(yǔ)

能量守恒定律即熱力學(xué)第一定律，人體內(nèi)能量的攝入與支出是基本符合能量守恒定律的。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者埃爾溫·薛定諤在其著作《生命是什么》中說(shuō)“人活著就是在對(duì)抗熵增定律，生命以負(fù)熵為生”。幾乎所有的生命現(xiàn)象都可以用熵增定律來(lái)解釋。熱力學(xué)第二定律表述的是能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中不會(huì)被100%利用，總會(huì)有部分損失，這部分損失就是熵增加的來(lái)源。薛定諤還說(shuō)：“自然萬(wàn)物都趨向從有序到無(wú)序，即熵值增加。而生命則需要通過(guò)不斷抵消其生活中產(chǎn)生的正熵，使自己維持在一個(gè)穩(wěn)定而低的熵水平上”。生命在熵減過(guò)程中一直在做三件事，第一，努力保證能量的供給。第二，努力開(kāi)放系統(tǒng)。第三，努力變得更加智能。生命為了花更少的能量來(lái)獲取更多物質(zhì)和能量，進(jìn)化出了感知能力。故而，熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律兩者結(jié)合起來(lái)才能表征人體復(fù)雜多變的各項(xiàng)生命活動(dòng)，才能解釋所有生命和非生命的演化規(guī)律。