Chương 2: Nhiệt động học các hệ sinh vật - Lý Sinh | Trường đại học Hồng Bàng

Chương 2: Nhiệt động học các hệ sinh vật - Lý Sinh | Trường đại học Hồng Bàng  được sưu tầm và soạn thảo dưới dạng file PDF để gửi tới các bạn sinh viên cùng tham khảo, ôn tập đầy đủ kiến thức, chuẩn bị cho các buổi học thật tốt. Mời bạn đọc đón xem!

Chương II: NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT
Cơ thể sống là một hệ nhiệt động mở.
Nguyên I nhiệt động học: Bảo toàn năng lượng chu
trình
năng lượng trong thế giới sống.
Entropy, xác suất nhiệt động đ trật tự trong cơ thể
sống.
Các trạng thái dừng.
Đánh giá trạng thái của cơ thể sống.
Vai trò của nhiệt.
Tác nhân vật lý Vật lý trị liệu.-
Trong vật lý đại cương chúng ta đã làm quen với những nguyên lý của nhiệt động
học ngành khoa học nghiên cứu các quy luật chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang
dạng kh Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học là các hệ nhiệt động, được hiểu ác.
như mt tập hợp các đối tượng vật chất tách ra khi môi trường bên ngoài bằng một
phương thức nào đó. Tùy thuộc vào tương tác với môi trường, các hệ nhiệt động được
chia thành 3 loại: hệ lập, hệ kín hệ mở. Nếu hkhông trao đổi vật chất và năng
lượng vớii trường ngoài thì nó được gi là hệ cô lập. Hệ kín chỉ trao đổi năng lượng
không trao đổi vật chất với môi trường. Hệ thống phổ biến nhất trong tnhiên
các hệ mở, trong đó có cả sự trao đi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài.
Ta sẽ thấy cơ thể sống chính là một hệ mở như vậy.
Về mặt nội dung, nhiệt động học bao gồm hai phần cơ bản: nguyên I và nguyên
II. Nguyên lý I nói về sự bảo toàn năng lượng, nguyên lý II chỉ xu hướng các quá
trình xẩy ra trong tự nhiên. Đấy cũng hai nội dung chủ yếu khi ta đề cập đến nhiệt
động học các hsinh vật, và ta cũng sẽ dừng lại lâu hơn ở một trạng thái đặc biệt của
hệ: c trạng thái dừng. Một điều đáng lưu ý: trong vật lý, nhiệt động học sử dụng sự
biến đổi năng lượng để nghiên cứu các loại động cơ, còn cơ thể sống lại không phải
mt dạng động cơ nhiệt kiểu như vậy. Bởi thế, cách trình bầy và cách hiểu hai nguyên
nhiệt động trong hệ thống sống sẽ có những nét đặc thù, chẳng hạn như phần xét các
phương thức chuyển trạng thái dừng trong hệ.
Chúng ta cũng biết, bên cạnh việc xem hệ như một toàn bộ và không để ý đến cấu
trúc bên trong của chúng, phương pháp của nhiệt động học là phương pháp tiên đề. Hai
nguyên lý nhiệt động là hai tiên đề. Trong hệ thống sống, có thể tiến hành những phép
đo xác định để chiêm nghiệm lại sự đúng đắn của các tiên đề đó.
Ngoài ý nghĩa to lớn vmặt luận khi i rằng sự sống vẫn tuân theo các quy
luật vật trong t nhiên và do đó nó không phải một cái đó siêu nhiên, ta cũng
suy ra được nhiều ứng dụng cụ thể trong y học. Chẳng hạn ch đoán nhận về trạng thái
của một hệ thông qua một số tham số cơ bản, chẳng hạn vai tcủa nhiệt trong y hc
hay sự chuyển các trạng thái dừng dưới tác dụng của các tác nhân vật . Đây cũng là
chỗ ta có thể giới thiệu sơ qua về các thiết bị vật tr liệu, một ứng dụng quan trọng
của vật lý trong y học.
2.1. Cơ thể sống là một hệ nhiệt động mở:
Không gì mới hay khó hiểu, khi ta i rằng, thể sống- ở mi trình độ tổ chức
của chúng, luôn được xem là mt hệ nhiệt động mở, và do đó việc ứng dụng các khái
niệm nhiệt động học, các phương pháp nhiệt động học và các định luật nhiệt động học
là điều tất nhiên.
Chúng ta có thể nghiên cứu sự sống ở mức phân tử, mức tế bào, mức mô các hệ -
cơ quan, coi cả cơ thể sống như một toàn bộ, hay mức cao hơn các hệ sinh thái, sinh -
quyển. Cho dù ở mức nào, cơ thể sống ấy vẫn đáp ứng định nghĩa về hệ nhiệt động mở.
Cơ thể chúng ta tiếp nhận các chất dinh dưỡng, không khí từ môi trường và trả về đấy
những chất cặn hay thải loại (trao đổi vật chất), mt hình thức trao đổi năng lượng
phổ biến dễ thấy nhất là trao đổi nhiệt (bức xạ hay hấp thụ). Ngay mức độ phân
tử, tương tác của các phân tử sống với i trường quanh cũng rất ràng, ví như
tương tác về điện mà ta sẽ khảo sát trong Chương IV Điện sinh học. Màng tế bào vốn -
được xem là đơn vị cấu trúc và đơn vị chức năng của sự sống. Trước đây, người ta xem
màng tế bào như một lớp ngăn cách hay bảo vệ đơn thuần, nhưng bây giờ ai cũng biết,
chính trên lớp màng này đã thực hin những chức phận sống hết sức quan trọng, thể
hiện tương tác của tế bào với môi trường ngoài.
Sự tương tác của cơ thể sống vi môi trường cũng là điều kiện cần thiết để duy trì
và phát triển bản thân sự sống. Chính tính “mở” của các hệ thống sống đã khiến cho sự
thể hiện các nguyên lý nhiệt động có nhiều đặc điểm nổi bật, ví như việc tiếp nhận năng
lượng tự do thông qua dinh dưỡng giúp cho cơ thể tự xây dựng nên những cấu trúc có
trật tự rất cao của riêng mình, yếu tố cấu trúc mang đặc trưng nền tảng của sự sống và
từ đó, riêng của hệ sinh vật vẫn có thể gim.Entropy
2.2. Nguyên lý I của nhiệt động học:
Về thực chất, nguyên I nguyên bảo toàn chuyển hóa năng lượng;
cho rằng năng lượng không mất đi và cũng không tự nhiên sinh ra, chỉ biến đổi từ
dạng này sang dạng khác và trong quá trình biến đổi ấy nó ln luôn đảm bảo sự tương
đương về lượng. Như vậy, tổng năng lượng của mt hệ vật chất là một đại lượng không
đổi, độc lập với những thay đổi xẩy ra trong hệ này. Sự thay đổi năng lượng chỉ có th
xẩy ra nhờ sự tương tác của hệ với môi trường xung quanh.
Giả sử rằng ta có một hệ kín. Nếu giữa hệ và môi trường sự trao đổi năng lượng
kèm theo quá trình sinh công và tỏa nhiệt thì ta có hệ thức sau:
d dU = Q + A d
Sự thay đổi nội năng của hệ bằng tổng đại số của nhiệt lượng trao đổi trong quá
trình và công sinh ra ( nếu hệ thực hin công lên môi trường thì dA mang dấu dương
và ngược lại, nếu hệ nhận nhiệt từ môi trường thì ang dấu âm và ngược lại).dQ m
Để có thể ứng dụng nguyên lý này vào cơ thể sống, điều cần thiết là phải biết dạng
công, các dạng nhiệt tương ứng cũng như hiểu về ni năng trong cơ thể.
2.2.1. Các dạng công trong cơ thể:
Công độ đo sự chuyển hóa năng lượng tdạng này sang dạng khác. bốn
dạng công trong cơ thể sống: ng cơ học, công hóa học, công thẩm thấu và ng điện.
Công cơ học là công sinh ra khi dịch chuyển các bộ phận của cơ thể, các cơ quan
trong cơ thể hay toàn bộ cơ thể nhờ các lực cơ học. Lực cơ học sinh ra khi cơ co, và đó
chính là nguồn gốc của công cơ học.
Công hóa học là công sinh ra khi tổng hợp các chất cao phân ttừ các chất
trọng lượng phân t thấp khi thực hin các phản ứng hóa học xác đnh. Việc tổng
hợp các chất cao phân tử (protit, axit nucleic, đa đường…) thường đòi hỏi tiêu phí năng
lượng và vì vậy quá trình này được xem là một quá trình thực hiện công.
Công thẩm thấu là công vận chuyển các chất khác nhau qua màng hay qua các hệ
đa màng từ vùng nồng đthấp sang vùng có nồng độ cao hơn. Sự vận chuyển này
thực hiện được nhờ mt cơ chế đặc biệt của vận chuyển ch cực chống li lực khuếch
tán và đòi hỏi phải tiêu hao năng lượng tế bào.
Công điện là công vận chuyển các hạt mang điện (chủ yếu là các ion) trong điện
trường, to nên các hiệu điện thế và các dòng điện. Trong cơ thể, công điện được thực
hiện khi sinh ra điện thế sinh vật và dẫn truyền kích thích trong tế bào.
Như vậy, ta có thể tóm tắt:
2.2.2. Nội năng:
Đối với cơ thể, nguồn năng lượng để có thể thực hiện tất cả các dạng công kể trên
là năng lượng hóa học thu được từ thức ăn (protit, gluxit, lipit) khi bị oxy hóa. Đối với
thực vật, nguồn năng lượng tương ứng chính là năng lượng mặt trời tích tụ li trong quá
trình quang hợp. Năng lượng này ng được động vật sử dụng khi ăn thực vật. Tuy
nhiên, không thể sử dụng nguồn năng lượng đó một cách trực tiếp để thực hiện các dạng
công cần thiết cho sự sống của cơ thể. Cơ thể người không phi là mt loại động cơ mà
chúng ta vốn quen biết trong nhiệt động học các hệ không sống. Cơ thể vốn biết cách
xây dựng cho chính mình mt dạng nội năng ưu việt hơn.
Đầu tiên, năng lượng của mặt trờiđồ ăn được chuyển thành liên kết cao năng
của các chất tch hợp (mà chủ yếu là ATP Adenozintriphosphat) . Sau đó ATP phân -
hủy trong những tổ chức tương ứng của tế bào và giải phóng tại đây nguồn năng lượng
cần thiết để sinh công. Lực sinh ra tại để sinh công học kết quả của việc sử
dụng năng lượng khi phân hủy ATP khiến phức hợp actomiosin của sợi thể co
ngắn lại. Việc vận chuyển chất qua màng ngược chiều gradient nồng độ chính nhờ
năng lượng phân hủy ATP, giúp vận hành các hệ thống “bơm” khác nhau trong tế bào.
Việc tổng hợp chất cũng chỉ thể xẩy ra khi sử dụng năng lượng ATP bằng cách
phosphorin hóa các sản phẩm đầu tiên và các sản phẩm trung gian của phản ứng. Công
điện của tế bào quá trình vận chuyển thụ động được thực hiện nhờ sự giải phóng
năng lượng gradient tế bào, song bản thân các gradient này lại hình thành nhờ quá trình
vận chuyển tích cực với việc sử dụng năng lượng ATP.
Như vậy, tất cả các quá trình sinh công trong tế bào chỉ xẩy ra khi sử dụng năng
lượng ATP. Đó chính là nội năng của tế bào, là nhiên liệu vạn năng, là “bn vị năng
lượngtrong sinh vật. Chúng ta lưu ý thêm rằng, năng lượng liên kết cao ng ATP
được giải phóng ra không phải nhờ đứt liên kết giữa hai phân tử chứa phospho mà nhờ
chuyển nhóm HPO tới phân tử nước:
3
2.2.3. Nhiệt sơ cấp và nhiệt thứ cấp:
Các phản ứng hóa học liên quan đến ATP, ADP cũng như các quá trình sinh công
trong cơ thể sống đều có liên quan mật thiết với hiệu ứng nhiệt. Sự sống ln gắn liền
vớic quá trình trao đổi nhiệt và cơ thể con người cũng như nhiều động vật máu nóng
Công trong cơ thể sống = công cơ học + công hóa học + công thẩm thấu + công điện
ATP + H O ADP + H + (7,0
2
3
PO
4
8,5 Kcal )
khác có thân nhiệt ổn định. Hiện nay, người ta quy ước chia nhiệt lượng sinh ra làm 2
loại: nhiệt sơ cấp (hay nhiệt cơ bản) và nhiệt thứ cấp (hay nhiệt hoạt động).
Nhiệt sơ cấp Q được giải phóng như một kết quả tất yếu của sự tán xạ nhiệt trong
1
quá trình trao đổi chất, được quy định bởi tính chất bất thuận nghịch của các quá trình
hóa sinh sinh. Trong các quá trình đó, mt phần năng lượng luôn “mất đidưới
dạng nhiệt năng, khiến cho quá trình “nghịch” không thể xy ra. Phần Q như vậy có
1
trong tất cả các quá trình thủy phân ATP để thu được năng lượng cần thiết cho quá trình
sinh công khiến cho tất cả các quá trình sinh công trong cơ thể luôn xẩy ra với
hiệu suất nhỏ hơn 100 %. Cũng tương tự, không phải tất cả năng lượng thu được từ
thức ăn và mặt trời đều được tích lũy lại trong ATP: một phần không nhỏ năng lượng
ấy đã tán xạ dưới dạng nhiệt.
Ngoài phần năng lượng tản mát dưới dạng nhiệt Q , phần năng lượng còn lại thực
1
sự là hữu ích hiểu theo nghĩa dùng để sinh công, đó là nhiệt hoạt động Q . Năng lượng
2
này rồi cuối cùng cũng được chuyển hoàn toàn thành nhiệt. Chng hạn năng lượng tim
dùng để đẩy máu chảy trong hệ mạch (công cơ học) sẽ dùng để thắng lực ma sát trên
thành mạch rồi chuyển thành nhiệt năng. Khi có dòng điện chạy qua, điện năng tiêu phí
để thắng điện trở của cuối cùng ng chuyển thành nhiệt. Nếu thể thực hiện
phần ng vật lý ở bên ngoài thì nhiệt thứ cấp cũng chuyển ra bên ngoài chứ không sinh
ra ngay trong bản thân thể. Vì trong thể luôn các quá trình sinh công khác
nhau nên cũng thường xuyên diễn ra các quá trình sinh nhiệt cấp nhiệt thứ cấp
khác nhau. Lượng nhiệt thứ cấp sinh ra ln tỷ lvới hoạt tính của mô, trong đó phần
nhiệt thứ cấp tạo ra từ sự co cơ có vai trò quan trọng hơn cả.
Sơ đồ tổng quát về sự biến đổi của ni năng, về sự sinh công tỏa nhiệt trong
cơ thể sống được trình by tổng quát trong hình 2.1. Có thể nói đấy chu trình năng
lượng rộng lớn nhất bao quát cho hoạt động sống. Ta có thể t ra rằng: cơ thể không
hoạt động như một máy nhiệt, mà như một máy a. Nhiệt sinh ra trong cỗ máy này
không phi là động lực, chỉ vai trò nmt hao phí, giống như nhiệt tạo thành
khi có sự ma sát giữa các bộ phận của máy. Nhưng mặt khác, cũng không thể xem quá
trình sinh nhiệt là hn toàn vô ích: loài vật máu nóng ln cần nhiệt lượng cần thiết để
duy t hoạt đng của thể. Trong trường hợp này, hai chế điều chỉnh nhiệt
lượng sinh ra: thay đổi tốc độ tạo thành nhiệt cấp và thay đổi tốc độ tạo thành nhiệt
thứ cấp. Chng hạn khi gặp lạnh, có thể tăng sinh nhiệt sơ cấp bằng cách chuyển con
đường trao đổi oxy hóa cơ bản sang một con đường khác không kinh tế bằng, nghĩa là
tạo ra ít ATP hơn, nhưng lại sinh nhiệt nhiều hơn. Còn khả năng thứ hai là tăng rung cơ
để tìm hơi ấm, việc chúng ta đã quá quen thuộc.
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát chuyển hóa năng lượng trong cơ thể.
Q
1
- Nhiệt sơ cấp, Q Nhiệt thứ cấp.
2
-
Để tin vi c tham kh o hay tra c u, c ng xin gi i thi ũ ệu thêm đây bảng chuyn
đổi các đơn vị đo năng lượng thường đượ c s dng trong y h c
Jun - J
Kilowatt gi -
KWh
Electronvolt - eV
Kilocalo -
Kcal
Ec - erg
1J
1KWh
1eV
1Kcal
1erg
1
3,6.10
6
1,6.10
-19
4,19.10
3
10
-7
2,78.10
-7
1
1,45.10
-26
1,16.10
-3
2,78.10
-14
6,24.10
48
2,25.10
25
1
2,61.10
22
6,24.10
11
2,39.10
4
860
3,83.10
-23
1
2,39.10
11
10
7
3,6.10
13
1,60.10
-12
1,19.10
10
1
2.2.4. Bảo toàn năng lượng trong cơ thể sống:
Ta sẽ cố gắng chiêm nghiệm lại sự bảo toàn năng lượng trong cơ thể sống. Người
ta có thể đo đạc để chứng minh rằng, sự oxy hóa thức ăn đưa vào cơ thể giải phóng ra
trong thể mt lượng năng lượng chính bằng công sinh ra bởi thể đó. Như vậy
cũng có nghĩa bản thân cơ thể sống không phải là một nguồn năng lượng mới. Phương
pháp đo công sinh ra bởi cơ thể được thực hiện một cách gián tiếp: cuối cùng tất cả
đều chuyển thành nhiệt nên cũng chỉ cần đo chính xác lượng nhiệt thải ra khi thể
là đủ.
Ngay từ thế kỷ thứ 18, Lavoisier và Laplace khi đo nhiệt lượng khí cacbonic
thải ra bởi chuột khoang trong những thiết bị đo nhiệt lượng đặt 0
o
C đã đi tới kết
luận rằng, sự oxy hóa các chất trong cơ thể và sự đốt cháy trực tiếp chất ấy trong nhiệt
lượng kế cho hiệu ứng nhiệt gần như nhau. Những phép đo về sau tiến hành bằng những
hệ thống đo chính xác hơn đều khẳng định kết luận trên. Sau này, Etuvateur đã đặt
người vào trong một buồng cô lập đặc biệt và đo toàn bộ lượng nhiệt thải ra khi cơ thể
(phép đo nhiệt trực tiếp). Đồng thời tác giả cũng đo lượng oxy hấp thụ, lượng CO
2
cũng
như lượng nitơ, urê … thải ra để tđó tính được lượng protit, lipit, gluxit đã oxy hóa
trong cơ thể, với mục đích cuối cùng là xác định năng lượng cơ thể đã thu được từ đồ
ăn. Nếu xem rằng khi oxy hóa đến cacbonic nước 1g lipit giải phóng 9,3Kcal, 1g
gluxit gii phóng 4,2Kcal và oxy hóa 1g protit tới urê cho ta 4,2Kcal thì thể tính ra
toàn phần năng lượng đưa vào cơ thể theo thức ăn (phương pháp đo nhiệt gián tiếp).
Giá trị năng lượng đưa vào theo phương pháp gián tiếp gần như trùng với giá tr
năng lượng thải ra theo phương pháp trực tiếp trong thí nghiệm (chính xác tới 1%). Kết
quả của mt trong những phép đo như vậy được dẫn ra ở bảng dưới đây:
Cân bằng năng lượng của người trong mt ngày đêm:
Thải ra (Kcal)
Phương pháp trực tiếp
Nhiệt thải qua da: 1347
Khí thở ra: 43
Phân và nước tiểu: 23
Bay hơi (qua đường hô hấp) 181
Bay hơi qua da: 227
Bổ chính: 11
Tổng số: 1859
Sự tồn tại cân bằng năng lượng đã chỉ ra rằng cơ thể thực sự không thể là một
nguồn năng lượng mới. Sự ứng dụng nguyên lý I trong cơ thể sống là điều hiển nhiên
và ta có thể phát biểu dưới dạng sau: “Tất cả các dạng công trong cơ thể được thực hiện
nhờ một lượng tương đương năng lượng giải phóng ra khi oxy hóa thức ăn”.
2.2.5. Định luật Hess:
Định luật Hess là hệ quả của nguyên lý I nhiệt động học và thường dùng để khảo
sát các phản ứng hóa học: hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học phát triển qua một loạt
các giai đoạn trung gian không phụ thuộc vào con đường chuyển hóa mà chỉ được xác
định bởi trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ hóa hc. Hình 2.2 cho ta thấy hơn
nội dung của định luật này.
Hình 2.2. Định luật Hess
Định luật cho phép tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hoàn toàn không thể
xẩy ra trong điều kiện tnghiệm hay cho dù có xẩy ra nhưng ta không thể đo nhiệt trực
tiếp. Chẳng hạn ta không biết hiệu ứng nhiệt của phản ứng oxy hóa cacbon đến oxyt
cacbon vì khi thực hiện phản ứng luôn kèm một lượng cacbonic nào đó. Nhưng ta lại
biết hiệu ứng nhiệt của phảnng oxy hóa C tới CO và CO tới CO
2
2
:
C + O = CO + 97 Kcal/mol
2 2
CO + (1/2) O
2 =
CO
2
+ 68 Kcal/mol
Trừ vế với vế ta có:
(C + O ) - (CO + (1/ 2) O ) = (97 68) Kcal/mol
2
2
Hay:
C + (1/2) O = CO + 29 Kcal/mol
2
Đó chính là hiệu ứng nhiệt của phản ứng ta quan tâm. Trong cơ thể có những
biến đổi sinh hóa rất phức tạp diễn biến qua nhiều giai đoạn, ta thể biết hiệu ứng
nhiệt của cả dẫy phản ứng nếu biết chất ban đầu và sản phẩm cuối cùng.
2.3. Nguyên lý II:
Nguyên lý II cho ta biết chiều hướng phát triển của các hệ nhiệt động. Nội dung
cơ bản của nguyên lý này thể hiện ở chỗ: tất cả các quá trình chuyển hóa năng lượng
luôn kèm theo một phần phân tán năng lượng dưới dạng nhiệt. Quá trình này bất
thuận nghịch, sau đó không thể tập trung trở lại lượng nhiệt đã bị phân tán để sinh
công. do cũng không phức tạp lắm: nhiệt năng lượng liên quan đến chuyển động -
hỗn loạn của các hạt vi mô không thể hoàn toàn biến đổi thành c dạng năng lượng
khác- các dạng năng lượng luôn gắn bó với những chuyển động có trật tự của hệ. Ngược
lại, các dạng năng lượng khác lại có thể biến hoàn toàn thành nhiệt. Cái trật tự có thể
biến đổi thành hỗn loạn, nhưng cái hỗn loạn không thể tự nhiên biến thành trật tự. Đấy
là chiều hướng diễn biến tt yếu của tự nhiên.
Phần năng lượng biến thành nhiệt càng lớn thì tính bất thuận nghịch của quá trình
càng cao. Trong thực tế, không có quá trình thuận nghịch, đó là trường hợp giới hạn mà
ta chỉ có thể tiệm cận tới hay đạt tới khi bỏ qua một số sự kin nào đó. Tuy nhiên, khi
giả định quá trình thuận nghịch ta sẽ có một số thuận lợi trong tính toán hay giải.
Mọi quá trình hóa sinh hay lý sinh xẩy ra trong cơ thể sống đều bất thuận nghịch.
nhiều các khác nhau để trình bầy nguyên II của nhiệt động học. Vấn đề
trung tâm trong mọi trình bầy là Entropy. Ta sẽ giới thiệu đại lượng này qua hai phương
pháp: phương pháp năng lượng tdo mang nh kinh điển phương pháp xác suất
nhiệt động phù hợp với các tiếp cận y sinh sau này.
2.3.1. Entropy và năng lượng tự do:
Khả năng xẩy ra các quá trình nhiệt động, chiều hướng giới hạn của chúng
được đặc trưng bởi những tham số trạng thái như Entropy và năng lượng tự do. Thuần
túy lý thuyết, ta có thể hiểu Entropy là t số giữa nhiệt lượng Q sinh ra trong quá trình
đẳng nhiệt thuận nghịch và nhiệt độ T ứng quá trình này:
S =
T
Q
Nếu lấy vi phân ta sẽ có:
dS =
T
dQ
Đến đây dQ = TdS. Thay giá trị này vào phương trình của nguyên lý I ta có:
dU = dA + TdS
Công sinh ra dA được gọi là sự thay đổi của năng lượng t do, ký hiệu qua dF và
ta sẽ có:
dU = dF + TdS
Quay trở về cách viết cho giá trị tuyệt đối:
U = F + TS
Nội ng U của hệ bằng tổng năng lượng tự do F và năng lượng liên kết TS. Năng
lượng tự do của hệ là phần năng lượng có thể sử dụng để sinh ng, còn năng lượng
liên kết là năng lượng không thể sử dụng để sinh công và sẽ phát tán dưới dạng nhiệt.
Ta đã giả thiết quá trình là đẳng nhiệt với T không đổi. Như vậy, năng lượng liên
kết xác định bởi Entropy, nếu Entropy càng lớn thì năng lượng liên kết càng lớn, sự
phân tán năng lượng dưới dạng nhiệt càng nhiều quá trình càng trở nên bất thuận
nghịch. Như thế, có thể xem Entropy là độ đo sự phân tán năng lượng cũng là độ đo
tính bất thuận nghịch của quá trình.
Nếu quá trình sinh công tng này có được nhờ sự thay đổi của năng lượng tự
do và trong quá trình thuận nghịch thì nó bằng chính sự thay đổi của năng lượng tự do:
A = dF = dU TdS
Tuy nhiên, ta biết rằng các quá trình thực tiễn thường là bất thuận nghịch. Khi đó
công sinh ra nhỏ hơn sự thay đổi của năng lượng tự do và chính mt phần sự thay đổi
năng lượng tự do cũng phát tán dưới dạng nhiệt.
Tổng quát hóa những điều vừa trình bầy, nguyên II cho rằng: Năng lượng tự
do của hệ lập chỉ thể giảm hay giữ nguyên không đổi. Khi quá trình bất thuận
nghịch, năng lượng tự do giảm xuống, còn năng lượng liên kết sẽ tăng lên, khiến cho
tổng năng lượng không đổi đúng như nguyên lý I đã khẳng định.
Các quá trình chuyển hóa năng lượng xẩy ra cho đến khi năng lượng tự do bằng
không Entropy tăng đến giá trị cực đại thể, trạng thái này được gọi cân bằng
nhiệt động. Trong trạng thái này, hệ không có khả năng sinh công và hoàn toàn mất trật
tự. Hệ không có khnăng tự thoát ra khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động, trừ khi cung
cấp thêm năng lượng từ bên ngoài.
Cuối cùng, ta nói đến hiệu suất của các quá trình. Trong các quá trình lý sinh và
hóa sinh, sự biến đổi năng lượng tự do giúp cơ thể sinh công, nhưng bao giờ cũng
mt lượng nhiệt mất mát như một hao phí. Hiệu suất quá trình là tỷ số giữa công hữu
ích sinh ra và toàn bộ sự thay đổi năng lượng tự do cần thiết để thực hiện công ấy:
HS =
dF
A
≤ 1
HS = 1 trong quá trình thuận nghịch
HS < 1 trong quá trình bất thuận nghịch
Bảng dưới đây cho ta giá trị HS cực đại của một số quá trình sinh vật:
Glucoliz : 0,36
Oxy hóa Phosphorin hóa : 0,55-
Co cơ : 0,40
Quang hợp : 0,75
Như ta đã biết, quá trình oxy hóa thức ăn trong cơ thể dẫn tới việc hình thành các
hợp chất cao năng, nhờ đó cơ thể luôn tiềm trữ năng lượng tự do. Sau đó, năng lượng
hóa học của ATP được sử dụng để sinh công. Trong một số trường hợp, năng lượng
thủy phân ATP được trực tiếp sử dụng để sinh công (chng hạn khi co cơ hay tổng hợp
cao phân tử), còn trong mt số trường hợp khác năng lượng này dùng để tạo nên nhiều
loại gradient khác nhau, rồi chính sự phân giải các gradient này lại sinh ra công. Sự tồn
tại các gradient như vậy và cơ chế sinh công như vậy là rất đặc trưng cho cơ thể sống.
Gradient của một đại lượng Y nào đó là t số gia hiệu hai giá trị của đại lượng
ấy lấy tại hai điểm khác nhau trong không gian và khoảng cách giữa hai điểm ấy:
Gradient Y = G =
Δx
ΔY
Gradient là một đại lượng vec tơ có hướng từ vùng có giá trị cao đến vùng có giá -
trị thấp được xét. Một hệ nhiệt đng bất kỳ có thể sinh công khi chứa các gradient, vì
xu thế của quá trình là tiến về cân bằng. Hệ thực sự tiềm chứa mt lượng năng lượng
tự do (và muốn có năng lượng tiềm chứa đó ta cũng phi tiêu tốn năng lượng. Mối quan
hệ giữa năng lượng tự do và gradient là:
F = RT ln
Y2
Y1
Y1 và Y2 là giá tr của Y tại hai điểm 1 và 2 đang xét. Nếu Y1 = Y2 thì G = 0 và
F = 0, hệ không thể sinh công. Trong cơ thể sống, có rất nhiều quá trình sinh công gắn
với việc giải phóng năng lượng của một gradient nào đó. Nếu nói tới chiều hướng của
quá trình, thì rõ ràng tất cả các quá trình trong hệ nhiệt động xẩy ra theo xu hướng
gradient giảm: nhiệt ln truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp, trong
quá trình khuếch tán vật chất cũng chuyển từ nơi nồng độ cao sang nơi có nồng độ
thấp… để rồi quá trình dừng lại khi cân bằng nhiệt độ hay cân bằng nồng độ…
2.3.2. Entropy và xác suất nhiệt động:
Tarusov có mt cách trình bầy khác về nguyên II nhiệt động học dựa trên khái
niệm xác suất nhiệt động. Theo đó, xác suất nhiệt động của một hệ là số các trạng thái
vi mô khả dĩ ứng với mt trạng thái vĩ mô xác định của hệ đó. Điều này trở nên dễ hiểu
nếu ta quan sát cách giải thích trên hình 2.3. Giả sử hệ có 2 hạt, và giả sử hệ được tưởng
tượng chia thành 2 nửa, các trạng thái vĩ mô khả dĩ là: trái 2 hạt, phải 0 hạt trái 0 hạt, -
phải 2 hạt và trái 1 hạt phải 1 hạt. Với trạng thái trái 2 phải 0 hay trái 0 phải 2, chỉ có -
mt khả năng vi mô duy nhất: cả hai hạt ở cùng một phía, xác suất nhiệt động W = 1.
Còn với trạng thái trái 1 phi 1, ta có 2 trạng thái vi mô tương ứng, lần lượt là hạt 1 bên
trái, hạt 2 bên phải rồi hạt 1 bên phải, hạt 2 bên trái và bây giờ W = 2.
Nếu hệ 4 hạt, thì các trạng thái vĩ mô khả dĩ : (0 4) , (1 3), (2 2)…(phần
còn li là các trạng thái đối xứng), ứng các xác suất nhiệt động W là 1, 4 và 6…. Khái
niệm xác suất sẽ thhiện rõ ý nghĩa, khi ta biết rằng chiều hướng phát triển của hệ
tiến tới trạng thái có xác suất cao nhất. Đó là các trạng thái có W = 2 (đối với hệ 2 hạt)
hay W = 6 (đối với hệ 4 hạt). Đấy cũng chính là trạng thái cân bằng, khi số hạt ở 2 nửa
giả định là bằng nhau, cũng có nghĩa là khi gradient số hạt bằng không. Hệ không còn
năng lượng tự do, không còn khả năng sinh công, nằm trong trạng thái cân bằng nhiệt
động.
Theo cách gii thích Tarusov, ntropy S của hệ là:e
S = k ln W
Với k là hằng số Bolzman.
Khi W tăng S cũng tăng và khi W đạt cực đai S cũng đạt cực đại. Ta trở về với
kết luận đã quen thuộc phần trước: trong các hệ cô lập, entropy tăng đến giá trị cực
đại, và đó chính là nơi kết thúc các quá trình nhiệt động.
Cách giải thích như vậy cho ta một cách hiểu khác, tương đối cụ thể về chiều
hướng các quá trình trong hệ. Ta coi đó như một bổ sung cho các diễn đạt truyền thống,
kinh đin qua năng lượng tự do.
Hình 2.3. Giải thích về xác suất nhiệt động của hệ: a) Hệ 2 hạt
b) Hệ 4 hạt
2.3.3. Nguyên lý II nhiệt động và các hệ thống mở:
Một thời gian dài, người ta cho rằng không thể áp dụng nguyên II cho các h
thống sống. Theo nguyên này, trong hệ chỉ diễn ra các quá trình liên quan đến sự
phân tán năng lượng, entropy của hệ tăng dần tới giá trị cực đại, htrở nên hoàn toàn
hỗn loạn trật tự. Đồng thời, năng lượng tự do của hệ dần giảm về không, các
gradient không còn, hcũng không khả năng sinh công. sớm hay muộn, hsẽ
tiến đến cân bằng nhiệt động. Hay nói khác đi, hệ của chúng ta đã chết, sự sống không
còn nữa. Hệ thống sống, trái lại, là mt h trình độ tổ chức rất cao, trật tự đạt tới mức
gần như hoàn chỉnh, các cấu trúc đặc thù được duy trì và phát triển, các gradient luôn
tồn tại thường xuyên tái sinh, khả năng sinh công vẫn dồi dào... Nghĩa entropy
không những không tăng mà n có thể giảm, năng lượng tdo cũng chẳng hề bằng
không. Mâu thuẫn này có tính nguyên tắc, đến mức nhiều nời cho rằng thể sự sống
không hoàn toàn tuân theo các quy luật vật lý. Tuy nhiên, may mắn thay, đó chỉ là mt
ngộ nhận. Khó khăn trên hoàn toàn được giải quyết khi sử dụng đặc tính mở của hệ
sinh vật. Nguyên II vốn được xây dựng cho các hệ lập, còn hệ thống sống của
chúng ta là một hệ mở, luôn trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường ngoài.
Chính đó là điều khiến cơ thể sống khác hẳn những hệ vô sinh.
Ta quay lại biểu thức từ nguyên lý I:
U = F + TS
Giả sử quá trình diễn ra trong điều kiện nội năng nhiệt độ của hhằng định.
Trong các hệ lập, lúc đó giảm năng lượng tdo tăng Entropy là hợp lẽ. Tuy nhiên,
trong các hệ thống sống, năng lượng tự do ln có thể duy trì và tăng lên nhờ việc oxy
hóa thức ăn đưa từ bên ngoài vào hệ, và từ đó Entropy của hcó thể duy t hay giảm
xuống, nghĩa độ trật ttrong thể sinh vật có thể được bảo trì hay tăng cường.
Trước đây, ngạc nhiên về tính tổ chức cao của cơ thể sống, Schroedinger đã từng cho
rằng thể sống du nhập độ trật tự tmôi trường ngoài qua thức ăn. Tuy nhiên,
Metnhicov đã chỉ ra một cách đúng đắn rằng, mi cơ thể không những không thu nhập
mà còn từ chối những trật tự xa lạ vi mình. Cái mà cơ thể lấy từ môi trường chính là
năng lượng tự do, rồi dùng năng lượng tự do ấy tạo ra cấu trúc của riêng mình. Trong
thế giới vô sinh cũng có những hệ thống có độ trật tự cao mà cấu trúc tinh thể là một
dụ điển hình, tuy nhiên ở hệ thống này năng lượng tự do lại ở mức cực tiểu, hệ không
có khả năng sinh công và điều đó khác xa với sự sống.
Nói tóm lại, có trật tự cao và khả năng sinh công, Entropy không cực đại và năng
lượng tự do không cực tiểu là mt đặc trưng có tính bản chất của cơ thể sống, và có bản
chất nàynhờ sự trao đổi liên tục vật chất và năng lượng vớii trường ngoài.
Sự thay đổi năng lượng tự do dF và Entropy dS của hệ thống mở được chia thành
2 phần: d F và d S ứng với các quá trình lý sinh và hóa sinh xẩy ra trong bản thân hệ
i i
và d
e
F , d
e
S ế ng k t qu tương tác với môi trường ngo i à
dF = d
i
F + d F
e
dS = d S + d S
i e
Đối với bản thân hệ không kể đến tương tác, d F < 0 và d S > 0. Nhưng trong cơ
i i
thể luôn nhng quá trình ngược gradient và tăng năng lượng tự do, dụ việc vận
chuyển chất từ nơi nồng độ thấp đến nơi nồng độ cao hay sự tổng hợp các chất
cao phân tử. Những quá trình này thường có tính cục b luôn kèm theo các quá trình
thuận gradient. Ví dụ, sự vận chuyển các ion ngược gradient dẫn tới việc tích lũy năng
lượng tự do luôn kèm theo việc thủy phân ATP kết quả là trong khu vực cụ thể đó
năng lượng tự do của hệ vẫn giảm trong khuôn khổ nguyên II. Nếu hệ nhiệt động
không mở thì điều này sẽ dẫn đến cân bằng nhiệt động.
Tuy nhiên, do hệ sinh vật là mở, sự suy giảm năng lượng tự do khi thủy phân ATP
lập tức được đền bù, thậm chí mt cách dư giả, bằng năng lượng tự do mới đưa từ bên
ngoài vào thông qua thức ăn, còn entropy mới sản sinh trong hệ sẽ được thải o i
trường, kết quả là d F > 0 và d S < 0. Lúc y ta nói có dòng entropy âm từ môi trường
e e
đi vào cơ thể, ứng với quá trình thực là cơ thể luôn thải chất cặn bã có cấu trúc rất thô
sơ cũng như nhiệt vào môi trường, đồng thời lấy thức ăn từ môi trường.
Có thể có 3 trường hợp sau:
d
e
S = d
i
S dS = 0, hệ ổn định
d
e
S > d
i
S dS < 0, hệ phát trin
d
e
S < d
i
S dS > 0, hệ suy thoái.
Như vậy, entropy của hệ thống sống có thể không đổi, có thể giảm và cũng có thể
tăng tùy theo tương quan giữa dòng entropy âm đi vào cơ thể và dòng Entropy dương
sinh ra trong bản thân cơ thể. Trong mi trường hợp, entropy của toàn hệ “thể môi -
trường” luôn dương và điều đó không mâu thuẫn với nguyên lý II.
2.3.4. Các trạng thái dừng:
Volkenstein đã chỉ ra rằng, trong quá trình phát sinh và phát triển Entropy của các
hệ sinh vật giảm xuống còn năng lượng tự do của chúng lại tăng lên, đến một lúc nào
đó, độ trật tự của cấu trúc và khả năng sinh công tiềm trữ trong cấu trúc ấy đủ để duy
trì sự sống thì các tham số trạng thái của hệ không đổi ta nói rằng hệ trong các
trạng thái dừng. Đặc trưng này thể hiện rất rõthể người. Nếu điều kiện môi trường
không những thay đổi quá lớn, nhiệt đcủa thể, thành phần cấu trúc của máu,
thành phần hóa học các dịch nội bào và chất lng gian bào, nhịp tim, nhịp hô hấp…đều
có giá trị hằng định. Trạng thái dừng không chỉ thể hiện ở môi trường bên trong cơ thể
hay hoạt động của toàn bộ cơ thể mà còn ở tất cả các tế bào của nó và được đặc trưng
bởi các giá trị không đổi của các gradient nồng độ, điện, thẩm thấu cũng như các chỉ
tiêu hóa lý khác. Cần nhấn mnh rằng, dừng hoàn toàn không có nghĩa là đứng lại, trái
lại, trong trạng thái dừng luôn din ra hàng loạt các quá trình, các biến đổi phong phú
và phức tạp nhưng lạin bằng lẫn nhau.
Về toán học, các biến đổi theo thời gian có dạng:
dt
Sd
dt
Sd
dt
dS
ei
dt
Fd
dt
Sd
dt
dF
e
F
Nếu muốn có trạng thái dừng:
dt
Sd
dt
Sd
ei
dt
Fd
dt
Sd
e
F
0
dt
dS
,S = Const.
0
dt
dF
,F = Const.
Cần nói ngay rằng, cân bằng dừng của hmở khác với cân bằng nhiệt động của
hệ cô lập (mà ta đã biết trước đây) về mặt bản chất. Chúng giống nhau chỉ ở hiện tượng
(các tham số trạng thái không đổi), song khác nhau ở phương thức duy trì trạng thái ấy
(cân bằng nhiệt động: không xẩy ra các quá trình, cân bằng dừng: tốc độ và hướng của
các quá trình cân bằng lẫn nhau). Bảng dưới đây chỉ ra những sự khác nhau cơ bản đó:
Cân bằng nhiệt động Cân bằng dừng
Ví dụ: Bình mở, mt phần chứa chất lỏng, Ví dụ: Ngọn nến đang cháy,
một phần chứa hơi. Cơ thể sống
1. Không có dòng vật chất ra và 1. Có dòng không đổi vật chất
vào hệ
vào môi trường. và ra khỏi hệ.
2. Không cần tiêu phí năng lượng tự do 2. Luôn cần tiêu phí năng lượng
tự do
để duy trì cân bằng để duy t cân bằng
3. Năng lượng tự do và khả năng sinh 3. Năng lượng tự do khả năng
sinh
công của hệ bằng không công của hệ không đổi
4. Entropy của hệ có giá trị cực đại 4. Entropy của hệ không đạt giá
trị
cực đại.
5. Không có gradient trong hệ 5. Có gradient không đổi trong
hệ.
Nguyên nhân của sự khác nhau này rất rõ ràng. Trong hệ cô lập, d S = 0, do vậy
e
dS = d
i
S và điều kiện dS = 0 đồng nhất với điều kin d S = 0. Hơn nữa, nguyên II
i
nhiệt động nói rằng S chỉ có thể tăng, nên điều kiện cân bằng chính là khi S không thể
tăng được nữa: S = S
max
. Nếu hệ mở, d S ≠ 0, do vy điều kiện dS = 0 chỉ có nghĩa là
e
d
e
S = d
i
S, nghĩa là d ≠ 0 và entropy của hệ không phải là S
i
S
max
. Với năng lượng tự
do ta cũng có lý luận hoàn toàn tương tự, để dẫn ti kết luận rằng, trong cân bằng nhiệt
động, F = F = 0 còn trong cân bằng dừng F ≠ F
min
min
do đó F ≠ 0. Chính hai khác
biệt cơ bản này cho phép ta suy ra hay lý giải tất cả các sự khác biệt còn lại.
Trong các trạng thái dừng như vậy, luôn xẩy ra các quá trình bất thuận nghịch
bản thân hệ, cho nên:
0
dt
Sd
i
,
nghĩa là tương tác giữa thể và môi trường thể hiện qua dòng entropy âm đi từ môi
trường vào cơ thể.
Nghiên cứu các hệ thống mở, Prigogine đã phát biểu nguyên lý sau: Trong trạng
thái dừng, tốc độ tăng entropy quy định bởi các quá trình bất thuận nghịch là dương và
nhận giá trị nhỏ nhất trong các giá trị có thể, tức là trong trạng thái phân tán năng lượng
tự do là cực tiểu, vì entropy là độ đo sự phân tán năng lượng tự do. Để duy trì trạng thái
dừng chỉ cần dòng cực tiểu trong tập hợp tất cả các giá trị khả dĩ của năng lượng tự do.
Nếu vì một lý do nào đấy mà hệ lệch ra khỏi trạng thái dừng, t do bản năng của h
hướng tới sự tăng entropy cực tiểu nên trong bản thân hệ sẽ xẩy ra những thay đổi nội
tại đẩy hệ quay dần trở về trạng thái dừng ban đầu. Đây chính là phương thức tự điều
chỉnh để duy trì trạng thái dừng của cơ thể, nhờ đó mà ta trạng thái dừng được
xem là ổn định. Chẳng hạn nếu ta tăng nhiệt độ của môi trường thì sẽ có mt cơ chế tác
động sao cho sự sinh nhiệt trong thể giảm và sự thải nhiệt vào môi trường tăng. Điều
này đảm bảo cho thân nhiệt không đổi, mặc dù nhiệt độ môi trường thường xuyên thăng
giáng trong mt khoảng khá rộng. Khả năng tự ổn định như vậy là một nét đặc trưng
cho tổ chức sống.
Khi sự thay đổi điều kiện sống quá lớn, cơ thể sẽ chuyển sang một trạng thái dừng
mới phù hợp với môi trường hơn. Có ba phương thức chuyển trạng thái dừng được mô
tả trên hình 2.4.
Hình 2.4. Ba phương thức chuyển trạng thái dừng từ X
2
về
X
1
t- thời gian
X- tham số đặc trưng cho trạng thái dừng
a) Chuyển theo hàm e mũ với xu hướng tiệm cận (ví dụ:
tần số thở và nhịp đập của tim người khi tăng cường đ lao
động)
b) Chuyển với độ lệch dư (ví dụ : sự thay đổi áp lực máu ở
động mạch khi đột ngột tăng cường độ lao động)
c) Chuyển với xuất phát giả (ví du. : thay đổi đường kính
mạch máu khi đột ngột tăng nhiệt độ).
2.4. Ứng dụng các nguyên lý nhiệt động trong y học:
Với tư cách một ngành khoa học mang đặc trưng liên ngành còn rất non trẻ, mục
đích cuối cùng của vật lý y sinh học đưa ra những ứng dụng cụ thể mới mẻ trong y
học, sau khi đã tiếp cận sinh học bằng con đường vật lý, sau khi nghiên cứu bản chất
vật của sự sống và sau khi tìm ra cách sử dụng những phương pháp vật để khảo
sát sự sống và tác động lên sự sống. Y học là một ngành khoa học có nội dung hết sức
rộng rãi, tuy nhiên trên quan điểm ứng dụng các ngành khoa học khác trong nh vực
này, ta có thể quan tâm đến hai phạm vi nổi bật nhất là chẩn đoán và điều trị. Ngành
sinh cung cấp cho chúng ta hàng loạt phương pháp để đánh g trạng thái cũng như cấu
trúc của hệ thống sống , hàng loạt phương pháp tác động có bản chất vật lý để làm thay
đổi tình trạng sống. Đó chính là cơ sở tạo nên các thiết bị y tế mới trong chẩn đoán
điều trị, góp nên những đường nét cơ bản tạo ra chuyên ngành vật lý y sinh học.
thể nói, cùng với hóa học và sinh học, vật lý đã góp phần định hình một nn y học mới,
nền y học công nghệ cao với nỗ lực ứng dụng mi thành tựu cuối cùng của khoa hc tự
nhiên và kỹ thuật phục vụ cho việc chăm sóc sức khỏe con người.
Nhiệt động học các hệ thống sống chương đầu tiên được khảo sát theo quan
điểm mới mẻ như vậy. Chúng ta sẽ xét xem nó mang lại những gì cho y học?
2.4.1. Cơ thể sống như một toàn bộ:
Chúng ta biết cơ thể con người có cấu tạo rất chi tiết, chính xác. Tphân tử ADN
đến nhiễm sắc thể, từ tế bào tới và các hệ quan…, rồi thể phân tích chi tiết
sâu hơn nữa hay mở rộng phạm vi nghiên cứu hơn nữa. Quá trình phân ch đó có thể
kéo dàikhông điểm dừng. Nhưng mt mặt khác, mithể sống đều có khả năng
thống nhất mi chi tiết cấu trúc của mình, mọi hoạt động chức năng của mình để thể
hiện như một toàn bộ. Chỉ một cái răng bị sâu cả thể cảm thấy đau đớn nhức
nhối, trong mt ny oi bức chỉ cần chút gió nhẹ thoảng qua mặt mà cả người cảm thấy
dể chịu… là những biểu hiện của tính toàn bộ đó. Cho nên, bước đầu tiên để đánh giá
hệ thống sống xét xem toàn bộ đó ở trong trạng thái nào ? Đó chính lúc xem
thể con người như một hệ nhiệt động và khảo sát nó dựa theo những đặc trưng của toàn
hệ mà chưa cần đi sâu vào những chi tiết cấu trúc.
Trong vật lý, chỉ cần biết P, V và T của một hệ nhiệt động là ta có thể biết chắc
hệ đó đang ở trong trạng thái nào: rắn, lỏng hay khí. Sự sống phức tạp hơn nhiều, và do
đó ta không hy vng một khái niệm chặt chẽ và đầy đủ như vậy về các tham số nhiệt
động của hệ. Tuy nhiên, đối với thể, một số đại lượng vật thể đóng vai trò
tương tự. Nhiệt độthể là mt đại lượng vật lý cho phép đánh giá cơ thể như một toàn
bộ theo nghĩa đó. Trong thể con người hàng loạt quá trình sinh hóa sinh
luôn kèm theo sinh nhiệt,tùy từng trường hợp, thể có thể tự điều chỉnh để thực
hiện các quá trình tương xứng sao cho nhiệt sinh ra nhiều hơn hay ít đi (rung khi
chống lạnh là ví dụ đơn giản nhất trong trường hợp này). Mặt khác, cơ thể cũng thường
xuyên thải nhiệt vào môi trường, qua bức xạ nhiệt, qua hơi thở, qua đường mồ hôi…
Tổng hai dòng nhiệt lượng sinh ra và thải đi ln phải cân bằng để giữ cho cơ thể một
nhiệt độ không đổi. Thân nhiệt 37 C mt giá trị cho phép ta đánh giá trạng thái cơ
0
bản của cơ thể.
Chính vì thế, đo nhiệt độ là k thuật phải thực hiện thường xuyên trên bệnh nhân
người ta đã liên tục nghiên cứu để thay đổi các phương pháp đo nhiệt độ sao cho
đơn giản hơn và nhanh chóng hơn. Trước đây, nhiệt kế trong bệnh viện thường là nhiệt
kế thủy ngân, khi đo phải để trong cơ thể chừng 3 5 phút, nay là các nhiệt kế sử dụng -
nhiệt đin trở, đo nhanh chóng và quá trình tạo tiếp xúc với cơ thể cũng dễ chịu hơn.
Rồi người ta cũng tìm ra các phương pháp đo nhiệt trên toàn mặt da (đo bằng chất lỏng
tinh thể hay bằng bức xạ hồng ngoại) để đánh gsơ bộ xem thể ở trạng thái bình
thường hay bất thường. “Sốt là khái niệm đầu tiên trong chẩn đoán để nói rằng cơ thể
đang khỏe’ hay “ốm”, cho sốt có rất nhiều nguyên nhân khác nhau. Đó chính là
trạng thái cơ thể xét như mt toàn bộ. Đơn giản thôi, nhưng không gì có thể thay thế.
Ta cũng lại biết, tốc độ hầu hết các quá trình hóa sinh và lý sinh trong cơ thể đều
phụ thuộc vào nhiệt độ. Tăng nhiệt cho cơ thể trong một thời gian xác định mt
phạm vi xác định là một cách điều chỉnh tốc độ các quá trình và có vai trò quan trọng
trong điều trị. Người ta thể cấp nhiệt cho thể bng con đường trực tiếp (đắp
paraphin, ngâm chân nước nóng…) hay gián tiếp (nhờ các loại dòng điện, qua tác dụng
của siêu âm…). Đây một lĩnh vực quan trọng của vật tr liệu. Dưới tác dụng của
nhiệt, các mạch máu sẽ dãn ra, tuần hoàn vi mạch cục bộ được cải thiện và từ đó tăng
cường độ của các quá trình sống (trao đi chất, phản ứng miễn dịch, phản ứng bảo
vệ…).
Hình 2.5. Các thiết bị và phương pháp đo nhiệt độ khác nhau.
Huyết áp và nhịp tim là những đại lượng vật đặc trưng cho hệ tuần hoàn chứ
không phải cho toàn thể. Nhưng do hệ tuần hoàn tác dụng toàn din đến hoạt
động toàn thân, những đại lượng vật này ng ý nghĩa quan trọng để đánh giá
trạng thái thể như một toàn bộ. Huyết áp quá cao hay quá thấp, nhịp tim quá chậm
hay quá nhanh đều là những dấu hiệu cho ta thấy toàn bcơ thể không trong trạng
thái dừng tch hợp. Đó có thể là những dấu hiệu đầu tiên mang tính tổng quát cho ta
biết cần phải kiểm tra lại cơ thể mt cách chi tiết hơn.
Thông thường, huyết áp được đo từ bên ngoài thông qua những măng set bó vào -
khuỷu tay và đọc kết quả trên nhng đồng hồ áp lực khí hay cột thủy ngân. Hiện cũng
có những dụng cụ đo huyết áp điện tử, và trên mặt số đồng hồ đo sẽ hiện lên huyết áp
tối đa (huyết áp thì tâm thu) , huyết áp tối thiểu (huyết áp thì tâm trương) và nhịp tim.
Trong những trường hợp cần thiết, có thể đo huyết áp qua những ống thông luồn vào
bên trong cơ thể, như đo huyết áp ở từng đoạn mch, ở từng buồng tim (khi thực hiện
những phép kiểm tra đin sinh lý). Đơn vị đo huyết áp trong y tế là mm Hg, theo những
truyền thống đã trở thành kinh điển và người ta thấy chẳng có lợi gì khi chuyển qua các
đơn vị đo thuộc hệ SI.
Hiểu được vai trò của huyết áp và nhiệt độ như vậy, chúng ta sẽ thấy không có
đáng ngạc nhiên nếu việc đo và ghi đầy đủ các tham số vật này (nhiệt độ, huyết áp,
nhịp tim) trên phiếu điều trị của mỗi bệnh nhân là quy đnh bắt buộc hàng ngày. Hơn
nữa, việc đo nhiệt độ huyết áp cũng được thực hiện khá đơn giản khiến cho ai ai
cũng có thể tự đo và tự kiểm tra các tham số của chính mình.
Trạng thái “khỏe” của cơ thể còn được đặc trưng bởi nhiều tham số khác, đặc biệt
những tham số thể hiện sự cân bằng ni môi, trong đó sự hằng định của áp suất
thẩm thấu, của cân bằng điện gii (rất quan trọng với quá trình vận chuyển nước
trong thể). Tuy nhiên, chúng ta sẽ không đi quá sâu vào những vấn đề đó trong khuôn
khổ của cuốn sách này.
Hình 2.6. Các thiết bị đo huyết áp .
2.4.2. Tác nhân vật lý, vật lý trị liệu:
Tác nhân vật lý là những tác động mang bn chất vật lý nhằm làm thay đổi cơ thể
sống về mặt cấu trúc, về mặt chức năng hay về mặt trạng thái. Trong đó, tác động thay
đổi trạng thái ý nghĩa quan trọng khi ta khảo sát hệ thống sống trên quan đim nhiệt
động. Đây chính sở vật của vật trị liệu, một chuyên ngành của y học phát
triển mnh trong những năm gần đây, vừa do sự phát triển mạnh mcủa vật lý và kỹ
thuật, lại vừa do yêu cầu ngày càng cao tính thuyết phục của những phương pháp
chữa bệnh không dùng thuốc.
Theo cách hiểu thông thường, một số phương pháp điều trị bản như sau:
điều trị bằng thuốc, điều trị bằng can thiệp ngoại khoa (phẫu thuật cắt bỏ hay thay thế,
kể cả những thủ thuật can thiệp tối thiểu), điều trị bằng các phương pháp cổ truyền và
điều trị bằng tác nhân vật lý. Vật trị liệu là chữa bnh thông qua những quá trình điều
khiển- điều hòa của riêng cơ thể, dựa trên phản ứng trả lời đối với các kích thích mang
bản chất vật lý từ bên ngoài. Trong dạng điều trị này, cho dù bản chất vật của từng
tác nhân là rất khác nhau, song hầu như tt cả các tác nhân đó đều gây nên hiệu ứng
kích thích sinh học. Chính kích thích đó là nguyên nhân cơ bản giúp cơ thchuyển từ
trạng thái “bệnh” sang trạng thái “khỏe”. Có thể coi sự sống chính là sự cân bằng của
trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng, được xác định bằng con đường phức tạp
được điều chỉnh bởi các quá trình t điều khin trong cơ thể, với mục đích của hệ thống
là duy trì tính hằng định của nội môi. Kích thích là mt trong nhng khả năng để tạo ra
sự điều hòa như thế, để duy trì thực hiện sự cân bng nội môi như thế. ba quá
trình điều hòa quan trọng: điều hòa nhiệt độ và hàm lượng nhiệt, điều hòa huyết áp và
điều hòa trao đổi chất.
Một trong nhng khả năng sống đặc trưng là khả năng thể bị kích thích, thể
hiện ở chỗ chúng có thể phản ứng lại với những tác động từ bên ngoài. Trên cơ sở ch
thích sẽ phản ứng tch nghi. Trong thể chúng ta cả một hệ thống hoàn
chỉnh cho việc tiếp nhn kích thích, truyền kích thích (như truyền tin), xử lý tin để cuối
cùng dẫn tới một hành xử thích đáng. Trong thể thao, sự luyện tập sẽ dẫn đến nhng tố
chất mới. Trong vật lý trị liệu, chu trình nhắc li kích thích phản ứng sẽ chuyển cơ thể -
sang những trạng thái mới. Đó cũng là lý do vì sao trong vật lý trị liệu thường phải nhắc
lại nhiều ln, để cho các phản ứng ban đầu đủ sức chuyển cơ thể sang trạng thái mới
tương đối ổn định.
Hầu như tất cả các tác nhân vật lý đều có thể sử dụng thành công trong vật lý tr
liệu chính là nhờ cơ thể có thể hiểu tác dụng của các tác nhân đó như mt kích thích và
có phản ứng thích hợp. Đó có thể là dòng điện, sóng đin hay từ trường, đó cũng có thể
là ánh sáng hay nước, là laser hay siêu âm, có thể các tác nhân đó vốn có sẵn trong tự
nhiên hay sinh ra từ những thiết bị chuyên dụng... Vật trị liệu thể xem dùng
ngay những yếu tố của tự nhiên để chữa bệnh, khi những yếu tố tự nhiên ấy được khảo
sát thấu đáo về mặt vật lý, được điều chỉnh chặt chẽ và chính xác về mặt định lượng.
Như thế, tác nhân vật không chỉ được xác định bằng bản chất vật lý của từng
tác nhân, mà còn được xác định bởi các tham số cụ thể của tác nhân ấy. Tác dụng kích
thích của điện trị liệu được phân theo tần số ta điện trị liệu tần số thấp, tần số
trung bình và tần số cao. Trong mỗi giải tần số ta lại những tham số cụ thể cho từng
xung đin: biên độ xung, độ dài xung, khoảng cách giữa hai xung... Với bức xạ laser,
chỉ bức xạ công suất thấp (dải mW) là được sử dụng trong vật trị liệu, bao gồm
cả laser vùng ánh sáng đỏ , ánh sánh xanh và vùng hồng ngoại, trong đó các thông số
về công suất và mật độ công suất có ý nghĩa quyết định hiệu quả điều trị. Đối với nhà
vật lý, bản thân các tham số này khá đơn giản, nhưng đưa các tham số đó vào trong
phác đồ điều trị lại rất phức tạp,và giúp bác sĩ sử dụng thành thạo các tham số thích hợp
thậm chín khó khăn hơn. Thống nhất tất cả những yếu tố đó trong một thực thể chính
là nhiệm vụ của vật y sinh học.
Trong y học, thiết bị vật trị liệu một phần quan trọng của hệ thống thiết bị
điều trị. Trong nhiều tài liệu, người ta ghép thiết bị vật trị liệu về nhóm điện tử y tế
(cùng với các thiết bị đo điện tim, điện não, điện cơ...). Các thiết bị vật lý trị liệu cũng
thường được sử dụng trong y học phục hồi . Hình 2.7 giới thiệu mt số thiết bị thường
sử dụng trong bệnh viện.
Hình 2.7: Các thiết bị vật tr liệu thường sử dụng trong bệnh viện.
| 1/20

Preview text:

Chương II: NHIỆT ĐỘNG HỌC CÁC HỆ SINH VẬT
Cơ thể sống là một hệ nhiệt động mở.
Nguyên lý I nhiệt động học: Bảo toàn năng lượng và chu trình
năng lượng trong thế giới sống.
Entropy, xác suất nhiệt động và độ trật tự trong cơ thể sống. Các trạng thái dừng.
Đánh giá trạng thái của cơ thể sống. Vai trò của nhiệt.
Tác nhân vật lý- Vật lý trị liệu.

Trong vật lý đại cương chúng ta đã làm quen với những nguyên lý của nhiệt động học – n
gành khoa học nghiên cứu các quy luật chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang
dạng khác. Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học là các hệ nhiệt động, được hiểu
như một tập hợp các đối tượng vật chất tách ra khỏi môi trường bên ngoài bằng một
phương thức nào đó. Tùy thuộc vào tương tác với môi trường, các hệ nhiệt động được
chia thành 3 loại: hệ cô lập, hệ kín và hệ mở. Nếu hệ không trao đổi vật chất và năng
lượng với môi trường ngoài thì nó được gọi là hệ cô lập. Hệ kín chỉ trao đổi năng lượng
mà không trao đổi vật chất với môi trường. Hệ thống phổ biến nhất trong tự nhiên là
các hệ mở, trong đó có cả sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài.
Ta sẽ thấy cơ thể sống chính là một hệ mở như vậy.
Về mặt nội dung, nhiệt động học bao gồm hai phần cơ bản: nguyên lý I và nguyên
lý II. Nguyên lý I nói về sự bảo toàn năng lượng, nguyên lý II chỉ rõ xu hướng các quá
trình xẩy ra trong tự nhiên. Đấy cũng là hai nội dung chủ yếu khi ta đề cập đến nhiệt
động học các hệ sinh vật, và ta cũng sẽ dừng lại lâu hơn ở một trạng thái đặc biệt của
hệ: các trạng thái dừng. Một điều đáng lưu ý: trong vật lý, nhiệt động học sử dụng sự
biến đổi năng lượng để nghiên cứu các loại động cơ, còn cơ thể sống lại không phải là
một dạng động cơ nhiệt kiểu như vậy. Bởi thế, cách trình bầy và cách hiểu hai nguyên
lý nhiệt động trong hệ thống sống sẽ có những nét đặc thù, chẳng hạn như phần xét các
phương thức chuyển trạng thái dừng trong hệ.
Chúng ta cũng biết, bên cạnh việc xem hệ như một toàn bộ và không để ý đến cấu
trúc bên trong của chúng, phương pháp của nhiệt động học là phương pháp tiên đề. Hai
nguyên lý nhiệt động là hai tiên đề. Trong hệ thống sống, có thể tiến hành những phép
đo xác định để chiêm nghiệm lại sự đúng đắn của các tiên đề đó.
Ngoài ý nghĩa to lớn về mặt lý luận khi nói rằng sự sống vẫn tuân theo các quy
luật vật lý trong tự nhiên và do đó nó không phải là một cái gì đó siêu nhiên, ta cũng
suy ra được nhiều ứng dụng cụ thể trong y học. Chẳng hạn cách đoán nhận về trạng thái
của một hệ thông qua một số tham số cơ bản, chẳng hạn vai trò của nhiệt trong y học
hay sự chuyển các trạng thái dừng dưới tác dụng của các tác nhân vật lý. Đây cũng là
chỗ ta có thể giới thiệu sơ qua về các thiết bị vật lý trị liệu, một ứng dụng quan trọng
của vật lý trong y học.
2.1. Cơ thể sống là một hệ nhiệt động mở:
Không có gì mới hay khó hiểu, khi ta nói rằng, cơ thể sống- ở mọi trình độ tổ chức
của chúng, luôn được xem là một hệ nhiệt động mở, và do đó việc ứng dụng các khái
niệm nhiệt động học, các phương pháp nhiệt động học và các định luật nhiệt động học là điều tất nhiên.
Chúng ta có thể nghiên cứu sự sống ở mức phân tử, mức tế bào, mức mô- các hệ
cơ quan, coi cả cơ thể sống như một toàn bộ, hay ở mức cao hơn các hệ sinh - thái, sinh
quyển. Cho dù ở mức nào, cơ thể sống ấy vẫn đáp ứng định nghĩa về hệ nhiệt động mở.
Cơ thể chúng ta tiếp nhận các chất dinh dưỡng, không khí từ môi trường và trả về đấy
những chất cặn bã hay thải loại (trao đổi vật chất), một hình thức trao đổi năng lượng
phổ biến và dễ thấy nhất là trao đổi nhiệt (bức xạ hay hấp thụ). Ngay ở mức độ phân
tử, tương tác của các phân tử sống với môi trường quanh nó cũng rất rõ ràng, ví như
tương tác về điện mà ta sẽ khảo sát trong Chương IV- Điện sinh học. Màng tế bào vốn
được xem là đơn vị cấu trúc và đơn vị chức năng của sự sống. Trước đây, người ta xem
màng tế bào như một lớp ngăn cách hay bảo vệ đơn thuần, nhưng bây giờ ai cũng biết,
chính trên lớp màng này đã thực hiện những chức phận sống hết sức quan trọng, thể
hiện tương tác của tế bào với môi trường ngoài.
Sự tương tác của cơ thể sống với môi trường cũng là điều kiện cần thiết để duy trì và phát tr
iển bản thân sự sống. Chính tính “mở” của các hệ thống sống đã khiến cho sự
thể hiện các nguyên lý nhiệt động có nhiều đặc điểm nổi bật, ví như việc tiếp nhận năng
lượng tự do thông qua dinh dưỡng giúp cho cơ thể tự xây dựng nên những cấu trúc có
trật tự rất cao của riêng mình, yếu tố cấu trúc mang đặc trưng nền tảng của sự sống và
từ đó, Entropy riêng của hệ sinh vật vẫn có thể giảm. 2.2.
Nguyên lý I của nhiệt động học:
Về thực chất, nguyên lý I là nguyên lý bảo toàn và chuyển hóa năng lượng; nó
cho rằng năng lượng không mất đi và cũng không tự nhiên sinh ra, nó chỉ biến đổi từ
dạng này sang dạng khác và trong quá trình biến đổi ấy nó luôn luôn đảm bảo sự tương
đương về lượng. Như vậy, tổng năng lượng của một hệ vật chất là một đại lượng không
đổi, độc lập với những thay đổi xẩy ra trong hệ này. Sự thay đổi năng lượng chỉ có thể
xẩy ra nhờ sự tương tác của hệ với môi trường xung quanh.
Giả sử rằng ta có một hệ kín. Nếu giữa hệ và môi trường có sự trao đổi năng lượng
kèm theo quá trình sinh công và tỏa nhiệt thì ta có hệ thức sau:
dU = dQ + dA
Sự thay đổi nội năng của hệ bằng tổng đại số của nhiệt lượng trao đổi trong quá
trình và công sinh ra ( nếu hệ thực hiện công lên môi trường thì dA mang dấu dương
và ngược lại, nếu hệ nhận nhiệt từ môi trường thì d ang dấu âm Q m và ngược lại).
Để có thể ứng dụng nguyên lý này vào cơ thể sống, điều cần thiết là phải biết dạng
công, các dạng nhiệt tương ứng cũng như hiểu về nội năng trong cơ thể. 2.2.1.
Các dạng công trong cơ thể:
Công là độ đo sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Có bốn
dạng công trong cơ thể sống: công cơ học, công hóa học, công thẩm thấu và công điện.
Công cơ học là công sinh ra khi dịch chuyển các bộ phận của cơ thể, các cơ quan
trong cơ thể hay toàn bộ cơ thể nhờ các lực cơ học. Lực cơ học sinh ra khi cơ co, và đó
chính là nguồn gốc của công cơ học.
Công hóa học là công sinh ra khi tổng hợp các chất cao phân tử từ các chất có
trọng lượng phân tử thấp và khi thực hiện các phản ứng hóa học xác định. Việc tổng
hợp các chất cao phân tử (protit, axit nucleic, đa đường…) thường đòi hỏi tiêu phí năng
lượng và vì vậy quá trình này được xem là một quá trình thực hiện công.
Công thẩm thấu là công vận chuyển các chất khác nhau qua màng hay qua các hệ
đa màng từ vùng có nồng độ thấp sang vùng có nồng độ cao hơn. Sự vận chuyển này
thực hiện được nhờ một cơ chế đặc biệt của vận chuyển tích cực chống lại lực khuếch
tán và đòi hỏi phải tiêu hao năng lượng tế bào.
Công điện là công vận chuyển các hạt mang điện (chủ yếu là các ion) trong điện
trường, tạo nên các hiệu điện thế và các dòng điện. Trong cơ thể, công điện được thực
hiện khi sinh ra điện thế sinh vật và dẫn truyền kích thích trong tế bào.
Như vậy, ta có thể tóm tắt:
Công trong cơ thể sống = công cơ học + công hóa học + công thẩm thấu + công điện 2.2.2. Nội năng:
Đối với cơ thể, nguồn năng lượng để có thể thực hiện tất cả các dạng công kể trên
là năng lượng hóa học thu được từ thức ăn (protit, gluxit, lipit) khi bị oxy hóa. Đối với
thực vật, nguồn năng lượng tương ứng chính là năng lượng mặt trời tích tụ lại trong quá
trình quang hợp. Năng lượng này cũng được động vật sử dụng khi ăn thực vật. Tuy
nhiên, không thể sử dụng nguồn năng lượng đó một cách trực tiếp để thực hiện các dạng
công cần thiết cho sự sống của cơ thể. Cơ thể người không phải là một loại động cơ mà
chúng ta vốn quen biết trong nhiệt động học các hệ không sống. Cơ thể vốn biết cách
xây dựng cho chính mình một dạng nội năng ưu việt hơn.
Đầu tiên, năng lượng của mặt trời và đồ ăn được chuyển thành liên kết cao năng
của các chất thích hợp (mà chủ yếu là ATP- Adenozintriphosphat) . Sau đó ATP phân
hủy trong những tổ chức tương ứng của tế bào và giải phóng tại đây nguồn năng lượng
cần thiết để sinh công. Lực sinh ra tại cơ để sinh công cơ học là kết quả của việc sử
dụng năng lượng khi phân hủy ATP khiến phức hợp actomiosin của sợi cơ có thể co
ngắn lại. Việc vận chuyển chất qua màng ngược chiều gradient nồng độ chính là nhờ
năng lượng phân hủy ATP, giúp vận hành các hệ thống “bơm” khác nhau trong tế bào.
Việc tổng hợp chất cũng chỉ có thể xẩy ra khi sử dụng năng lượng ATP bằng cách
phosphorin hóa các sản phẩm đầu tiên và các sản phẩm trung gian của phản ứng. Công
điện của tế bào và quá trình vận chuyển thụ động được thực hiện nhờ sự giải phóng
năng lượng gradient tế bào, song bản thân các gradient này lại hình thành nhờ quá trình
vận chuyển tích cực với việc sử dụng năng lượng ATP.
Như vậy, tất cả các quá trình sinh công trong tế bào chỉ xẩy ra khi sử dụng năng
lượng ATP. Đó chính là nội năng của tế bào, là nhiên liệu vạn năng, là “bản vị năng
lượng” trong sinh vật. Chúng ta lưu ý thêm rằng, năng lượng liên kết cao năng ATP
được giải phóng ra không phải nhờ đứt liên kết giữa hai phân tử chứa phospho mà nhờ
chuyển nhóm HPO3 tới phân tử nước:
ATP + H2O ADP + H3PO4 + (7,0 8,5 Kcal ) 2.2.3.
Nhiệt sơ cấp và nhiệt thứ cấp:
Các phản ứng hóa học liên quan đến ATP, ADP cũng như các quá trình sinh công
trong cơ thể sống đều có liên quan mật thiết với hiệu ứng nhiệt. Sự sống luôn gắn liền
với các quá trình trao đổi nhiệt và cơ thể con người cũng như nhiều động vật máu nóng
khác có thân nhiệt ổn định. Hiện nay, người ta quy ước chia nhiệt lượng sinh ra làm 2
loại: nhiệt sơ cấp (hay nhiệt cơ bản) và nhiệt thứ cấp (hay nhiệt hoạt động). Nhiệt sơ cấp Q1 được
giải phóng như một kết quả tất yếu của sự tán xạ nhiệt trong
quá trình trao đổi chất, được quy định bởi tính chất bất thuận nghịch của các quá trình
hóa sinh và lý sinh. Trong các quá trình đó, một phần năng lượng luôn “mất đi” dưới
dạng nhiệt năng, khiến cho quá trình “nghịch” không thể xẩy ra. Phần Q1 như vậy có
trong tất cả các quá trình thủy phân ATP để thu được năng lượng cần thiết cho quá trình
sinh công và nó khiến cho tất cả các quá trình sinh công trong cơ thể luôn xẩy ra với
hiệu suất nhỏ hơn 100 %. Cũng tương tự, không phải tất cả năng lượng thu được từ
thức ăn và mặt trời đều được tích lũy lại trong ATP: một phần không nhỏ năng lượng
ấy đã tán xạ dưới dạng nhiệt.
Ngoài phần năng lượng tản mát dưới dạng nhiệt Q1, phần năng lượng còn lại thực
sự là hữu ích hiểu theo nghĩa dùng để sinh công, đó là nhiệt hoạt động Q2 . Nă ng lượng
này rồi cuối cùng cũng được chuyển hoàn toàn thành nhiệt. Chẳng hạn năng lượng tim
dùng để đẩy máu chảy trong hệ mạch (công cơ học) sẽ dùng để thắng lực ma sát trên
thành mạch rồi chuyển thành nhiệt năng. Khi có dòng điện chạy qua, điện năng tiêu phí
để thắng điện trở của mô cuối cùng cũng chuyển thành nhiệt. Nếu cơ thể thực hiện
phần công vật lý ở bên ngoài thì nhiệt thứ cấp cũng chuyển ra bên ngoài chứ không sinh
ra ngay trong bản thân cơ thể. Vì trong cơ thể luôn có các quá trình sinh công khác
nhau nên cũng thường xuyên diễn ra các quá trình sinh nhiệt sơ cấp và nhiệt thứ cấp
khác nhau. Lượng nhiệt thứ cấp sinh ra luôn tỷ lệ với hoạt tính của mô, trong đó phần
nhiệt thứ cấp tạo ra từ sự co cơ có vai trò quan trọng hơn cả.
Sơ đồ tổng quát về sự biến đổi của nội năng, về sự sinh công và tỏa nhiệt trong
cơ thể sống được trình bầy tổng quát trong hình 2.1. Có thể nói đấy là chu trình năng
lượng rộng lớn nhất bao quát cho hoạt động sống. Ta có thể rút ra rằng: cơ thể không
hoạt động như một máy nhiệt, mà như một máy hóa. Nhiệt sinh ra trong cỗ máy này
không phải là động lực, mà chỉ có vai trò như một hao phí, giống như nhiệt tạo thành
khi có sự ma sát giữa các bộ phận của máy. Nhưng mặt khác, cũng không thể xem quá
trình sinh nhiệt là hoàn toàn vô ích: loài vật máu nóng luôn cần nhiệt lượng cần thiết để
duy trì hoạt động của cơ thể. Trong trường hợp này, có hai cơ chế điều chỉnh nhiệt
lượng sinh ra: thay đổi tốc độ tạo thành nhiệt sơ cấp và thay đổi tốc độ tạo thành nhiệt
thứ cấp. Chẳng hạn khi gặp lạnh, có thể tăng sinh nhiệt sơ cấp bằng cách chuyển con
đường trao đổi oxy hóa cơ bản sang một con đường khác không kinh tế bằng, nghĩa là
tạo ra ít ATP hơn, nhưng lại sinh nhiệt nhiều hơn. Còn khả năng thứ hai là tăng rung cơ
để tìm hơi ấm, việc chúng ta đã quá quen thuộc.
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát chuyển hóa năng lượng trong cơ thể.
Q1- Nhiệt sơ cấp, Q2 - Nhiệt thứ cấp.
Để tiện việc tham khảo hay tra c u, c ứ
ũng xin giới thiệu thêm ở đây bảng chuyển
đổi các đơn vị đo năng lượng thường được sử dụng trong y học Jun - J
Kilowatt giờ - Electronvolt - e V Kilocalo - Ec - erg KWh Kcal 1J 1 2,78.10-7 6,24.1048 2,39.104 107 1KWh 3,6.106 1 2,25.1025 860 3,6.1013 1eV 1,6.10-19 1,45.10-26 1 3,83.10-23 1,60.10-12 1Kcal 4,19.103 1,16.10-3 2,61.1022 1 1,19.1010 1erg 10-7 2,78.10-14 6,24.1011 2,39.1011 1 2.2.4.
Bảo toàn năng lượng trong cơ thể sống:
Ta sẽ cố gắng chiêm nghiệm lại sự bảo toàn năng lượng trong cơ thể sống. Người
ta có thể đo đạc để chứng minh rằng, sự oxy hóa thức ăn đưa vào cơ thể giải phóng ra
trong cơ thể một lượng năng lượng chính bằng công sinh ra bởi cơ thể đó. Như vậy
cũng có nghĩa bản thân cơ thể sống không phải là một nguồn năng lượng mới. Phương
pháp đo công sinh ra bởi cơ thể được thực hiện một cách gián tiếp: vì cuối cùng tất cả
đều chuyển thành nhiệt nên cũng chỉ cần đo chính xác lượng nhiệt thải ra khỏi cơ thể là đủ.
Ngay từ thế kỷ thứ 18, Lavoisier và Laplace khi đo nhiệt lượng và khí cacbonic
thải ra bởi chuột khoang trong những thiết bị đo nhiệt lượng đặt ở 0o C đã đi tới kết
luận rằng, sự oxy hóa các chất trong cơ thể và sự đốt cháy trực tiếp chất ấy trong nhiệt
lượng kế cho hiệu ứng nhiệt gần như nhau. Những phép đo về sau tiến hành bằng những
hệ thống đo chính xác hơn đều khẳng định kết luận trên. Sau này, Etuvateur đã đặt
người vào trong một buồng cô lập đặc biệt và đo toàn bộ lượng nhiệt thải ra khỏi cơ thể
(phép đo nhiệt trực tiếp). Đồng thời tác giả cũng đo lượng oxy hấp thụ, lượng CO2 cũng
như lượng nitơ, urê … thải ra để từ đó tính được lượng protit, lipit, gluxit đã oxy hóa
trong cơ thể, với mục đích cuối cùng là xác định năng lượng cơ thể đã thu được từ đồ
ăn. Nếu xem rằng khi oxy hóa đến cacbonic và nước 1g lipit giải phóng 9,3Kcal, 1g
gluxit giải phóng 4,2Kcal và oxy hóa 1g protit tới urê cho ta 4,2Kcal thì có thể tính ra
toàn phần năng lượng đưa vào cơ thể theo thức ăn (phương pháp đo nhiệt gián tiếp).
Giá trị năng lượng đưa vào theo phương pháp gián tiếp gần như trùng với giá trị
năng lượng thải ra theo phương pháp trực tiếp trong thí nghiệm (chính xác tới 1%). Kết
quả của một trong những phép đo như vậy được dẫn ra ở bảng dưới đây:
Cân bằng năng lượng của người trong một ngày đêm: Đưa vào (Kcal) Thải ra (Kcal) Phương pháp gián tiếp Phương pháp trực tiếp Thức ăn: Nhiệt thải qua da: 1347 56,8 g protit - 237 Khí thở ra: 43 140 g lipit - 1307 Phân và nước tiểu: 23 79,9 g gluxit - 335
Bay hơi (qua đường hô hấp) 181 Bay hơi qua da: 227 Bổ chính: 11 Tổng số: Tổng số: 1859 1879
Sự tồn tại cân bằng năng lượng đã chỉ ra rằng cơ thể thực sự không thể là một
nguồn năng lượng mới. Sự ứng dụng nguyên lý I trong cơ thể sống là điều hiển nhiên
và ta có thể phát biểu dưới dạng sau: “Tất cả các dạng công trong cơ thể được thực hiện
nhờ một lượng tương đương năng lượng giải phóng ra khi oxy hóa thức ăn”. 2.2.5. Định luật Hess:
Định luật Hess là hệ quả của nguyên lý I nhiệt động học và thường dùng để khảo
sát các phản ứng hóa học: hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học phát triển qua một loạt
các giai đoạn trung gian không phụ thuộc vào con đường chuyển hóa mà chỉ được xác
định bởi trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ hóa học. Hình 2.2 cho ta thấy rõ hơn
nội dung của định luật này.
Hình 2.2. Định luật Hess
Định luật cho phép tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hoàn toàn không thể
xẩy ra trong điều kiện thí nghiệm hay cho dù có xẩy ra nhưng ta không thể đo nhiệt trực
tiếp. Chẳng hạn ta không biết hiệu ứng nhiệt của phản ứng oxy hóa cacbon đến oxyt
cacbon vì khi thực hiện phản ứng luôn kèm một lượng cacbonic nào đó. Nhưng ta lại
biết hiệu ứng nhiệt của phản ứng oxy hóa C tới CO2 và CO tới CO2 : C + O2 = CO2 + 97 Kcal/mol
CO + (1/2) O2 = CO2 + 68 Kcal/mol Trừ vế với vế ta có:
(C + O2) - (CO + (1/ 2) O2) = (97 – 68) Kcal/mol Hay:
C + (1/2) O2 = CO + 29 Kcal/mol
Đó chính là hiệu ứng nhiệt của phản ứng mà ta quan tâm. Trong cơ thể có những
biến đổi sinh hóa rất phức tạp diễn biến qua nhiều giai đoạn, ta có thể biết hiệu ứng
nhiệt của cả dẫy phản ứng nếu biết chất ban đầu và sản phẩm cuối cùng. 2.3. Nguyên lý II:
Nguyên lý II cho ta biết chiều hướng phát triển của các hệ nhiệt động. Nội dung
cơ bản của nguyên lý này thể hiện ở chỗ: tất cả các quá trình chuyển hóa năng lượng
luôn kèm theo một phần phân tán năng lượng dưới dạng nhiệt. Quá trình này là bất
thuận nghịch, vì sau đó không thể tập trung trở lại lượng nhiệt đã bị phân tán để sinh
công. Lý do cũng không phức tạp lắm: nhiệt- năng lượng liên quan đến chuyển động
hỗn loạn của các hạt vi mô không thể hoàn toàn biến đổi thành các dạng năng lượng
khác- các dạng năng lượng luôn gắn bó với những chuyển động có trật tự của hệ. Ngược
lại, các dạng năng lượng khác lại có thể biến hoàn toàn thành nhiệt. Cái trật tự có thể
biến đổi thành hỗn loạn, nhưng cái hỗn loạn không thể tự nhiên biến thành trật tự. Đấy
là chiều hướng diễn biến tất yếu của tự nhiên.
Phần năng lượng biến thành nhiệt càng lớn thì tính bất thuận nghịch của quá trình
càng cao. Trong thực tế, không có quá trình thuận nghịch, đó là trường hợp giới hạn mà
ta chỉ có thể tiệm cận tới hay đạt tới khi bỏ qua một số sự kiện nào đó. Tuy nhiên, khi
giả định quá trình là thuận nghịch ta sẽ có một số thuận lợi trong tính toán hay lý giải.
Mọi quá trình hóa sinh hay lý sinh xẩy ra trong cơ thể sống đều bất thuận nghịch.
Có nhiều các khác nhau để trình bầy nguyên lý II của nhiệt động học. Vấn đề
trung tâm trong mọi trình bầy là Entropy. Ta sẽ giới thiệu đại lượng này qua hai phương
pháp: phương pháp năng lượng tự do mang tính kinh điển và phương pháp xác suất
nhiệt động phù hợp với các tiếp cận y sinh sau này. 2.3.1.
Entropy và năng lượng tự do:
Khả năng xẩy ra các quá trình nhiệt động, chiều hướng và giới hạn của chúng
được đặc trưng bởi những tham số trạng thái như Entropy và năng lượng tự do. Thuần
túy lý thuyết, ta có thể hiểu Entropy là tỷ số giữa nhiệt lượng Q sinh ra trong quá trình
đẳng nhiệt thuận nghịch và nhiệt độ T ứng quá trình này: S Q = T
Nếu lấy vi phân ta sẽ có: dS dQ = T
Đến đây dQ = TdS. Thay giá trị này vào phương trình của nguyên lý I ta có: dU = dA + TdS
Công sinh ra dA được gọi là sự thay đổi của năng lượng tự do, ký hiệu qua dF và ta sẽ có: dU = dF + TdS
Quay trở về cách viết cho giá trị tuyệt đối: U = F + TS
Nội năng U của hệ bằng tổng năng lượng tự do F và năng lượng liên kết TS. Năng
lượng tự do của hệ là phần năng lượng có thể sử dụng để sinh công, còn năng lượng
liên kết là năng lượng không thể sử dụng để sinh công và sẽ phát tán dưới dạng nhiệt.
Ta đã giả thiết quá trình là đẳng nhiệt với T không đổi. Như vậy, năng lượng liên
kết xác định bởi Entropy, nếu Entropy càng lớn thì năng lượng liên kết càng lớn, sự
phân tán năng lượng dưới dạng nhiệt càng nhiều và quá trình càng trở nên bất thuận
nghịch. Như thế, có thể xem Entropy là độ đo sự phân tán năng lượng và cũng là độ đo
tính bất thuận nghịch của quá trình.
Nếu quá trình sinh công thì công này có được nhờ sự thay đổi của năng lượng tự
do và trong quá trình thuận nghịch thì nó bằng chính sự thay đổi của năng lượng tự do: A = dF = dU TdS
Tuy nhiên, ta biết rằng các quá trình thực tiễn thường là bất thuận nghịch. Khi đó
công sinh ra nhỏ hơn sự thay đổi của năng lượng tự do và chính một phần sự thay đổi
năng lượng tự do cũng phát tán dưới dạng nhiệt.
Tổng quát hóa những điều vừa trình bầy, nguyên lý II cho rằng: Năng lượng tự
do của hệ cô lập chỉ có thể giảm hay giữ nguyên không đổi. Khi quá trình bất thuận
nghịch, năng lượng tự do giảm xuống, còn năng lượng liên kết sẽ tăng lên, khiến cho
tổng năng lượng không đổi đúng như nguyên lý I đã khẳng định.
Các quá trình chuyển hóa năng lượng xẩy ra cho đến khi năng lượng tự do bằng
không và Entropy tăng đến giá trị cực đại có thể, trạng thái này được gọi là cân bằng
nhiệt động. Trong trạng thái này, hệ không có khả năng sinh công và hoàn toàn mất trật
tự. Hệ không có khả năng tự thoát ra khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động, trừ khi cung
cấp thêm năng lượng từ bên ngoài.
Cuối cùng, ta nói đến hiệu suất của các quá trình. Trong các quá trình lý sinh và
hóa sinh, sự biến đổi năng lượng tự do giúp cơ thể sinh công, nhưng bao giờ cũng có
một lượng nhiệt mất mát như một hao phí. Hiệu suất quá trình là tỷ số giữa công hữu
ích sinh ra và toàn bộ sự thay đổi năng lượng tự do cần thiết để thực hiện công ấy: A HS = ≤ 1 dF
HS = 1 trong quá trình thuận nghịch
HS < 1 trong quá trình bất thuận nghịch
Bảng dưới đây cho ta giá trị HS cực đại của một số quá trình sinh vật: Glucoliz : 0,36
Oxy hóa- Phosphorin hóa : 0,55 Co cơ : 0,40 Quang hợp : 0,75
Như ta đã biết, quá trình oxy hóa thức ăn trong cơ thể dẫn tới việc hình thành các
hợp chất cao năng, nhờ đó cơ thể luôn tiềm trữ năng lượng tự do. Sau đó, năng lượng
hóa học của ATP được sử dụng để sinh công. Trong một số trường hợp, năng lượng
thủy phân ATP được trực tiếp sử dụng để sinh công (chẳng hạn khi co cơ hay tổng hợp
cao phân tử), còn trong một số trường hợp khác năng lượng này dùng để tạo nên nhiều
loại gradient khác nhau, rồi chính sự phân giải các gradient này lại sinh ra công. Sự tồn
tại các gradient như vậy và cơ chế sinh công như vậy là rất đặc trưng cho cơ thể sống.
Gradient của một đại lượng Y nào đó là tỷ số giữa hiệu hai giá trị của đại lượng
ấy lấy tại hai điểm khác nhau trong không gian và khoảng cách giữa hai điểm ấy: ΔY
Gradient Y = G = Δx
Gradient là một đại lượng vec-tơ có hướng từ vùng có giá trị cao đến vùng có giá
trị thấp được xét. Một hệ nhiệt động bất kỳ có thể sinh công khi chứa các gradient, vì
xu thế của quá trình là tiến về cân bằng. Hệ thực sự tiềm chứa một lượng năng lượng
tự do (và muốn có năng lượng tiềm chứa đó ta cũng phải tiêu tốn năng lượng. Mối quan
hệ giữa năng lượng tự do và gradient là: Y1 F = RT ln Y2
Y1 và Y2 là giá trị của Y tại hai điểm 1 và 2 đang xét. Nếu Y1 = Y2 thì G = 0 và
F = 0, hệ không thể sinh công. Trong cơ thể sống, có rất nhiều quá trình sinh công gắn
với việc giải phóng năng lượng của một gradient nào đó. Nếu nói tới chiều hướng của
quá trình, thì rõ ràng tất cả các quá trình trong hệ nhiệt động xẩy ra theo xu hướng
gradient giảm: nhiệt luôn truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp, trong
quá trình khuếch tán vật chất cũng chuyển từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ
thấp… để rồi quá trình dừng lại khi cân bằng nhiệt độ hay cân bằng nồng độ… 2.3.2.
Entropy và xác suất nhiệt động:
Tarusov có một cách trình bầy khác về nguyên lý II nhiệt động học dựa trên khái
niệm xác suất nhiệt động. Theo đó, xác suất nhiệt động của một hệ là số các trạng thái
vi mô khả dĩ ứng với một trạng thái vĩ mô xác định của hệ đó. Điều này trở nên dễ hiểu
nếu ta quan sát cách giải thích trên hình 2.3. Giả sử hệ có 2 hạt, và giả sử hệ được tưởng
tượng chia thành 2 nửa, các trạng thái vĩ mô khả dĩ là: trái 2 hạt, phải 0 hạt tr - ái 0 hạt,
phải 2 hạt và trái 1 hạt- phải 1 hạt. Với trạng thái trái 2 phải 0 hay trái 0 phải 2, chỉ có
một khả năng vi mô duy nhất: cả hai hạt ở cùng một phía, xác suất nhiệt động W = 1.
Còn với trạng thái trái 1 phải 1, ta có 2 trạng thái vi mô tương ứng, lần lượt là hạt 1 bên
trái, hạt 2 bên phải rồi hạt 1 bên phải, hạt 2 bên trái và bây giờ W = 2.
Nếu hệ có 4 hạt, thì các trạng thái vĩ mô khả dĩ là : (0 4) , (1 3), (2 2)…(phần
còn lại là các trạng thái đối xứng), ứng các xác suất nhiệt động W là 1, 4 và 6…. Khái
niệm xác suất sẽ thể hiện rõ ý nghĩa, khi ta biết rằng chiều hướng phát triển của hệ là
tiến tới trạng thái có xác suất cao nhất. Đó là các trạng thái có W = 2 (đối với hệ 2 hạt)
hay W = 6 (đối với hệ 4 hạt). Đấy cũng chính là trạng thái cân bằng, khi số hạt ở 2 nửa
giả định là bằng nhau, cũng có nghĩa là khi gradient số hạt bằng không. Hệ không còn
năng lượng tự do, không còn khả năng sinh công, nằm trong trạng thái cân bằng nhiệt động.
Theo cách giải thích Tarusov, entropy S của hệ là: S = k ln W
Với k là hằng số Bolzman.
Khi W tăng S cũng tăng và khi W đạt cực đai S cũng đạt cực đại. Ta trở về với
kết luận đã quen thuộc ở phần trước: trong các hệ cô lập, entropy tăng đến giá trị cực
đại, và đó chính là nơi kết thúc các quá trình nhiệt động.
Cách giải thích như vậy cho ta một cách hiểu khác, tương đối cụ thể về chiều
hướng các quá trình trong hệ. Ta coi đó như một bổ sung cho các diễn đạt truyền thống,
kinh điển qua năng lượng tự do.
Hình 2.3. Giải thích về xác suất nhiệt động của hệ: a) Hệ 2 hạt b) Hệ 4 hạt 2.3.3.
Nguyên lý II nhiệt động và các hệ thống mở:
Một thời gian dài, người ta cho rằng không thể áp dụng nguyên lý II cho các hệ
thống sống. Theo nguyên lý này, trong hệ chỉ diễn ra các quá trình liên quan đến sự
phân tán năng lượng, entropy của hệ tăng dần tới giá trị cực đại, hệ trở nên hoàn toàn
hỗn loạn và vô trật tự. Đồng thời, năng lượng tự do của hệ dần giảm về không, các
gradient không còn, hệ cũng không có khả năng sinh công. Dù sớm hay muộn, hệ sẽ
tiến đến cân bằng nhiệt động. Hay nói khác đi, hệ của chúng ta đã chết, sự sống không
còn nữa. Hệ thống sống, trái lại, là một hệ có trình độ tổ chức rất cao, trật tự đạt tới mức
gần như hoàn chỉnh, các cấu trúc đặc thù được duy trì và phát triển, các gradient luôn
tồn tại và thường xuyên tái sinh, khả năng sinh công vẫn dồi dào... Nghĩa là entropy
không những không tăng mà còn có thể giảm, năng lượng tự do cũng chẳng hề bằng
không. Mâu thuẫn này có tính nguyên tắc, đến mức nhiều người cho rằng có thể sự sống
không hoàn toàn tuân theo các quy luật vật lý. Tuy nhiên, may mắn thay, đó chỉ là một
ngộ nhận. Khó khăn trên hoàn toàn được giải quyết khi sử dụng đặc tính mở của hệ
sinh vật. Nguyên lý II vốn được xây dựng cho các hệ cô lập, còn hệ thống sống của
chúng ta là một hệ mở, luôn trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường ngoài.
Chính đó là điều khiến cơ thể sống khác hẳn những hệ vô sinh.
Ta quay lại biểu thức từ nguyên lý I: U = F + TS
Giả sử quá trình diễn ra trong điều kiện nội năng và nhiệt độ của hệ hằng định.
Trong các hệ cô lập, lúc đó giảm năng lượng tự do và tăng Entropy là hợp lẽ. Tuy nhiên,
trong các hệ thống sống, năng lượng tự do luôn có thể duy trì và tăng lên nhờ việc oxy
hóa thức ăn đưa từ bên ngoài vào hệ, và từ đó Entropy của hệ có thể duy trì hay giảm
xuống, nghĩa là độ trật tự trong cơ thể sinh vật có thể được bảo trì hay tăng cường.
Trước đây, ngạc nhiên về tính tổ chức cao của cơ thể sống, Schroedinger đã từng cho
rằng cơ thể sống du nhập độ trật tự từ môi trường ngoài qua thức ăn. Tuy nhiên,
Metnhicov đã chỉ ra một cách đúng đắn rằng, mỗi cơ thể không những không thu nhập
mà còn từ chối những trật tự xa lạ với mình. Cái mà cơ thể lấy từ môi trường chính là
năng lượng tự do, rồi dùng năng lượng tự do ấy tạo ra cấu trúc của riêng mình. Trong
thế giới vô sinh cũng có những hệ thống có độ trật tự cao mà cấu trúc tinh thể là một ví
dụ điển hình, tuy nhiên ở hệ thống này năng lượng tự do lại ở mức cực tiểu, hệ không
có khả năng sinh công và điều đó khác xa với sự sống.
Nói tóm lại, có trật tự cao và khả năng sinh công, Entropy không cực đại và năng
lượng tự do không cực tiểu là một đặc trưng có tính bản chất của cơ thể sống, và có bản
chất này là nhờ sự trao đổi liên tục vật chất và năng lượng với môi trường ngoài.
Sự thay đổi năng lượng tự do dF và Entropy dS của hệ thống mở được chia thành
2 phần: diF và diS ứng với các quá trình lý sinh và hóa sinh xẩy ra trong bản thân hệ và deF , deS ứ ế
ng k t quả tương tác với môi trường ngoài dF = diF + deF dS = diS + deS
Đối với bản thân hệ không kể đến tương tác, diF < 0 và diS > 0. Nhưng trong cơ
thể luôn có những quá trình ngược gradient và tăng năng lượng tự do, ví dụ việc vận
chuyển chất từ nơi có nồng độ thấp đến nơi có nồng độ cao hay sự tổng hợp các chất
cao phân tử. Những quá trình này thường có tính cục bộ và luôn kèm theo các quá trình
thuận gradient. Ví dụ, sự vận chuyển các ion ngược gradient dẫn tới việc tích lũy năng
lượng tự do luôn kèm theo việc thủy phân ATP và kết quả là trong khu vực cụ thể đó
năng lượng tự do của hệ vẫn giảm trong khuôn khổ nguyên lý II. Nếu hệ nhiệt động
không mở thì điều này sẽ dẫn đến cân bằng nhiệt động.
Tuy nhiên, do hệ sinh vật là mở, sự suy giảm năng lượng tự do khi thủy phân ATP
lập tức được đền bù, thậm chí một cách dư giả, bằng năng lượng tự do mới đưa từ bên
ngoài vào thông qua thức ăn, còn entropy mới sản sinh trong hệ sẽ được thải vào môi
trường, kết quả là deF > 0 và deS < 0. Lúc này ta nói có dòng entropy âm từ môi trường
đi vào cơ thể, ứng với quá trình thực là cơ thể luôn thải chất cặn bã có cấu trúc rất thô
sơ cũng như nhiệt vào môi trường, đồng thời lấy thức ăn từ môi trường.
Có thể có 3 trường hợp sau:
deS = diS dS = 0, hệ ổn định
deS > diS dS < 0, hệ phát triển
deS < diS dS > 0, hệ suy thoái.
Như vậy, entropy của hệ thống sống có thể không đổi, có thể giảm và cũng có thể
tăng tùy theo tương quan giữa dòng entropy âm đi vào cơ thể và dòng Entropy dương
sinh ra trong bản thân cơ thể. Trong mọi trường hợp, entropy của toàn hệ “cơ thể m - ôi
trường” luôn dương và điều đó không mâu thuẫn với nguyên lý II. 2.3.4.
Các trạng thái dừng:
Volkenstein đã chỉ ra rằng, trong quá trình phát sinh và phát triển Entropy của các
hệ sinh vật giảm xuống còn năng lượng tự do của chúng lại tăng lên, đến một lúc nào
đó, độ trật tự của cấu trúc và khả năng sinh công tiềm trữ trong cấu trúc ấy đủ để duy
trì sự sống thì các tham số trạng thái của hệ không đổi và ta nói rằng hệ ở trong các
trạng thái dừng. Đặc trưng này thể hiện rất rõ ở cơ thể người. Nếu điều kiện môi trường
không có những thay đổi quá lớn, nhiệt độ của cơ thể, thành phần cấu trúc của máu,
thành phần hóa học các dịch nội bào và chất lỏng gian bào, nhịp tim, nhịp hô hấp…đều
có giá trị hằng định. Trạng thái dừng không chỉ thể hiện ở môi trường bên trong cơ thể
hay hoạt động của toàn bộ cơ thể mà còn ở tất cả các tế bào của nó và được đặc trưng
bởi các giá trị không đổi của các gradient nồng độ, điện, thẩm thấu cũng như các chỉ
tiêu hóa lý khác. Cần nhấn mạnh rằng, dừng hoàn toàn không có nghĩa là đứng lại, trái
lại, trong trạng thái dừng luôn diễn ra hàng loạt các quá trình, các biến đổi phong phú
và phức tạp nhưng lại cân bằng lẫn nhau.
Về toán học, các biến đổi theo thời gian có dạng: dS d S d S dF dF S d F i e và e dt dt dt dt dt dt
Nếu muốn có trạng thái dừng: d S d S dF S d F i e và e dt dt dt dt dS 0 ,S = Const. dt dF 0 ,F = Const. dt
Cần nói ngay rằng, cân bằng dừng của hệ mở khác với cân bằng nhiệt động của
hệ cô lập (mà ta đã biết trước đây) về mặt bản chất. Chúng giống nhau chỉ ở hiện tượng
(các tham số trạng thái không đổi), song khác nhau ở phương thức duy trì trạng thái ấy
(cân bằng nhiệt động: không xẩy ra các quá trình, cân bằng dừng: tốc độ và hướng của
các quá trình cân bằng lẫn nhau). Bảng dưới đây chỉ ra những sự khác nhau cơ bản đó:
Cân bằng nhiệt động Cân bằng dừng
Ví dụ: Bình mở, một phần chứa chất lỏng, Ví dụ: Ngọn nến đang cháy,
một phần chứa hơi. Cơ thể sống
1. Không có dòng vật chất ra và 1. Có dòng không đổi vật chất vào hệ
vào môi trường. và ra khỏi hệ.
2. Không cần tiêu phí năng lượng tự do 2. Luôn cần tiêu phí năng lượng tự do
để duy trì cân bằng để duy trì cân bằng
3. Năng lượng tự do và khả năng sinh 3. Năng lượng tự do và khả năng sinh
công của hệ bằng không công của hệ không đổi
4. Entropy của hệ có giá trị cực đại 4. Entropy của hệ không đạt giá trị cực đại.
5. Không có gradient trong hệ 5. Có gradient không đổi trong hệ.
Nguyên nhân của sự khác nhau này rất rõ ràng. Trong hệ cô lập, deS = 0, do vậy
dS = diS và điều kiện dS = 0 đồng nhất với điều kiện diS = 0. Hơn nữa, nguyên lý II
nhiệt động nói rằng S chỉ có thể tăng, nên điều kiện cân bằng chính là khi S không thể
tăng được nữa: S = S max . Nếu hệ mở, deS ≠ 0, do vậy điều kiện dS = 0 chỉ có nghĩa là
deS = diS, nghĩa là diS ≠ 0 và entropy của hệ không phải là Smax. Với năng lượng tự
do ta cũng có lý luận hoàn toàn tương tự, để dẫn tới kết luận rằng, trong cân bằng nhiệt
động, F = F min = 0 còn trong cân bằng dừng F ≠ F min và do đó F ≠ 0. Chính hai khác
biệt cơ bản này cho phép ta suy ra hay lý giải tất cả các sự khác biệt còn lại.
Trong các trạng thái dừng như vậy, luôn xẩy ra các quá trình bất thuận nghịch ở bản thân hệ, cho nên: d S i 0, dt
nghĩa là tương tác giữa cơ thể và môi trường thể hiện qua dòng entropy âm đi từ môi trường vào cơ thể.
Nghiên cứu các hệ thống mở, Prigogine đã phát biểu nguyên lý sau: Trong trạng
thái dừng, tốc độ tăng entropy quy định bởi các quá trình bất thuận nghịch là dương và
nhận giá trị nhỏ nhất trong các giá trị có thể, tức là tro
ng trạng thái phân tán năng lượng
tự do là cực tiểu, vì entropy là độ đo sự phân tán năng lượng tự do. Để duy trì trạng thái
dừng chỉ cần dòng cực tiểu trong tập hợp tất cả các giá trị khả dĩ của năng lượng tự do.
Nếu vì một lý do nào đấy mà hệ lệch ra khỏi trạng thái dừng, thì do bản năng của hệ là
hướng tới sự tăng entropy cực tiểu nên trong bản thân hệ sẽ xẩy ra những thay đổi nội
tại đẩy hệ quay dần trở về trạng thái dừng ban đầu. Đây chính là phương thức tự điều
chỉnh để duy trì trạng thái dừng của cơ thể, và nhờ đó mà ta có trạng thái dừng được
xem là ổn định. Chẳng hạn nếu ta tăng nhiệt độ của môi trường thì sẽ có một cơ chế tác
động sao cho sự sinh nhiệt trong cơ thể giảm và sự thải nhiệt vào môi trường tăng. Điều
này đảm bảo cho thân nhiệt không đổi, mặc dù nhiệt độ môi trường thường xuyên thăng
giáng trong một khoảng khá rộng. Khả năng tự ổn định như vậy là một nét đặc trưng cho tổ chức sống.
Khi sự thay đổi điều kiện sống quá lớn, cơ thể sẽ chuyển sang một trạng thái dừng
mới phù hợp với môi trường hơn. Có ba phương thức chuyển trạng thái dừng được mô tả trên hình 2.4.
Hình 2.4. Ba phương thức chuyển trạng thái dừng từ X2 về X1 t- thời gian
X- tham số đặc trưng cho trạng thái dừng
a) Chuyển theo hàm e mũ với xu hướng tiệm cận (ví dụ:
tần số thở và nhịp đập của tim người khi tăng cường độ lao động)
b) Chuyển với độ lệch dư (ví dụ : sự thay đổi áp lực máu ở
động mạch khi đột ngột tăng cường độ lao động)
c) Chuyển với xuất phát giả (ví du. : thay đổi đường kính
mạch máu khi đột ngột tăng nhiệt độ).
2.4. Ứng dụng các nguyên lý nhiệt động trong y học:
Với tư cách một ngành khoa học mang đặc trưng liên ngành còn rất non trẻ, mục
đích cuối cùng của vật lý y sinh học là đưa ra những ứng dụng cụ thể mới mẻ trong y
học, sau khi đã tiếp cận sinh học bằng con đường vật lý, sau khi nghiên cứu bản chất
vật lý của sự sống và sau khi tìm ra cách sử dụng những phương pháp vật lý để khảo
sát sự sống và tác động lên sự sống. Y học là một ngành khoa học có nội dung hết sức
rộng rãi, tuy nhiên trên quan điểm ứng dụng các ngành khoa học khác trong lĩnh vực
này, ta có thể quan tâm đến hai phạm vi nổi bật nhất là chẩn đoán và điều trị. Ngành lý
sinh cung cấp cho chúng ta hàng loạt phương pháp để đánh giá trạng thái cũng như cấu
trúc của hệ thống sống , hàng loạt phương pháp tác động có bản chất vật lý để làm thay
đổi tình trạng sống. Đó chính là cơ sở tạo nên các thiết bị y tế mới trong chẩn đoán và
điều trị, góp nên những đường nét cơ bản tạo ra chuyên ngành vật lý y sinh học. Có
thể nói, cùng với hóa học và sinh học, vật lý đã góp phần định hình một nền y học mới,
nền y học công nghệ cao với nỗ lực ứng dụng mọi thành tựu cuối cùng của khoa học tự
nhiên và kỹ thuật phục vụ cho việc chăm sóc sức khỏe con người.
Nhiệt động học các hệ thống sống là chương đầu tiên được khảo sát theo quan
điểm mới mẻ như vậy. Chúng ta sẽ xét xem nó mang lại những gì cho y học? 2.4.1.
Cơ thể sống như một toàn bộ:
Chúng ta biết cơ thể con người có cấu tạo rất chi tiết, chính xác. Từ phân tử ADN
đến nhiễm sắc thể, từ tế bào tới mô và các hệ cơ quan…, rồi có thể phân tích chi tiết
sâu hơn nữa hay mở rộng phạm vi nghiên cứu hơn nữa. Quá trình phân tích đó có thể
kéo dài và không có điểm dừng. Nhưng một mặt khác, mỗi cơ thể sống đều có khả năng
thống nhất mọi chi tiết cấu trúc của mình, mọi hoạt động chức năng của mình để thể
hiện như một toàn bộ. Chỉ một cái răng bị sâu mà cả cơ thể cảm thấy đau đớn nhức
nhối, trong một ngày oi bức chỉ cần chút gió nhẹ thoảng qua mặt mà cả người cảm thấy
dể chịu… là những biểu hiện của tính toàn bộ đó. Cho nên, bước đầu tiên để đánh giá
hệ thống sống là xét xem toàn bộ đó ở trong trạng thái nào ? Đó chính là lúc xem cơ
thể con người như một hệ nhiệt động và khảo sát nó dựa theo những đặc trưng của toàn
hệ mà chưa cần đi sâu vào những chi tiết cấu trúc.
Trong vật lý, chỉ cần biết P, V và T của một hệ nhiệt động là ta có thể biết chắc
hệ đó đang ở trong trạng thái nào: rắn, lỏng hay khí. Sự sống phức tạp hơn nhiều, và do
đó ta không hy vọng có một khái niệm chặt chẽ và đầy đủ như vậy về các tham số nhiệt
động của hệ. Tuy nhiên, đối với cơ thể, một số đại lượng vật lý có thể đóng vai trò
tương tự. Nhiệt độ cơ thể là một đại lượng vật lý cho phép đánh giá cơ thể như một toàn
bộ theo nghĩa đó. Trong cơ thể con người có hàng loạt quá trình lý sinh và hóa sinh
luôn kèm theo sinh nhiệt, và tùy từng trường hợp, cơ thể có thể tự điều chỉnh để thực
hiện các quá trình tương xứng sao cho nhiệt sinh ra nhiều hơn hay ít đi (rung cơ khi
chống lạnh là ví dụ đơn giản nhất trong trường hợp này). Mặt khác, cơ thể cũng thường
xuyên thải nhiệt vào môi trường, qua bức xạ nhiệt, qua hơi thở, qua đường mồ hôi…
Tổng hai dòng nhiệt lượng sinh ra và thải đi luôn phải cân bằng để giữ cho cơ thể một
nhiệt độ không đổi. Thân nhiệt 370C là một giá trị cho phép ta đánh giá trạng thái cơ bản của cơ thể.
Chính vì thế, đo nhiệt độ là kỹ thuật phải thực hiện thường xuyên trên bệnh nhân
và người ta đã liên tục nghiên cứu để thay đổi các phương pháp đo nhiệt độ sao cho
đơn giản hơn và nhanh chóng hơn. Trước đây, nhiệt kế trong bệnh viện thường là nhiệt
kế thủy ngân, khi đo phải để trong cơ thể chừng 3- 5 phút, nay là các nhiệt kế sử dụng
nhiệt điện trở, đo nhanh chóng và quá trình tạo tiếp xúc với cơ thể cũng dễ chịu hơn.
Rồi người ta cũng tìm ra các phương pháp đo nhiệt trên toàn mặt da (đo bằng chất lỏng
tinh thể hay bằng bức xạ hồng ngoại) để đánh giá sơ bộ xem cơ thể ở trạng thái bình
thường hay bất thường. “Sốt” l à khái niệm đầu tiên trong chẩn đoán để nói rằng cơ thể
đang “khỏe’ hay “ốm”, cho dù sốt có rất nhiều nguyên nhân khác nhau. Đó chính là
trạng thái cơ thể xét như một toàn bộ. Đơn giản thôi, nhưng không gì có thể thay thế.
Ta cũng lại biết, tốc độ hầu hết các quá trình hóa sinh và lý sinh trong cơ thể đều
phụ thuộc vào nhiệt độ. Tăng nhiệt cho cơ thể trong một thời gian xác định và ở một
phạm vi xác định là một cách điều chỉnh tốc độ các quá trình và có vai trò quan trọng
trong điều trị. Người ta có thể cấp nhiệt cho cơ thể bằng con đường trực tiếp (đắp
paraphin, ngâm chân nước nóng…) hay gián tiếp (nhờ các loại dòng điện, qua tác dụng
của siêu âm…). Đây là một lĩnh vực quan trọng của vật lý trị liệu. Dưới tác dụng của
nhiệt, các mạch máu sẽ dãn ra, tuần hoàn vi mạch cục bộ được cải thiện và từ đó tăng
cường độ của các quá trình sống (trao đổi chất, phản ứng miễn dịch, phản ứng bảo vệ…).
Hình 2.5. Các thiết bị và phương pháp đo nhiệt độ khác nhau.
Huyết áp và nhịp tim là những đại lượng vật lý đặc trưng cho hệ tuần hoàn chứ
không phải cho toàn cơ thể. Nhưng do hệ tuần hoàn có tác dụng toàn diện đến hoạt
động toàn thân, những đại lượng vật lý này cũng có ý nghĩa quan trọng để đánh giá
trạng thái cơ thể như một toàn bộ. Huyết áp quá cao hay quá thấp, nhịp tim quá chậm
hay quá nhanh đều là những dấu hiệu cho ta thấy toàn bộ cơ thể không ở trong trạng
thái dừng thích hợp. Đó có thể là những dấu hiệu đầu tiên mang tính tổng quát cho ta
biết cần phải kiểm tra lại cơ thể một cách chi tiết hơn.
Thông thường, huyết áp được đo từ bên ngoài thông qua những măng-set bó vào
khuỷu tay và đọc kết quả trên những đồng hồ áp lực khí hay cột thủy ngân. Hiện cũng
có những dụng cụ đo huyết áp điện tử, và trên mặt số đồng hồ đo sẽ hiện lên huyết áp
tối đa (huyết áp thì tâm thu) , huyết áp tối thiểu (huyết áp thì tâm trương) và nhịp tim.
Trong những trường hợp cần thiết, có thể đo huyết áp qua những ống thông luồn vào
bên trong cơ thể, như đo huyết áp ở từng đoạn mạch, ở từng buồng tim (khi thực hiện
những phép kiểm tra điện sinh lý). Đơn vị đo huyết áp trong y tế là mm Hg, theo những
truyền thống đã trở thành kinh điển và người ta thấy chẳng có lợi gì khi chuyển qua các
đơn vị đo thuộc hệ SI.
Hiểu được vai trò của huyết áp và nhiệt độ như vậy, chúng ta sẽ thấy không có gì
đáng ngạc nhiên nếu việc đo và ghi đầy đủ các tham số vật lý này (nhiệt độ, huyết áp,
nhịp tim) trên phiếu điều trị của mỗi bệnh nhân là quy định bắt buộc hàng ngày. Hơn
nữa, việc đo nhiệt độ và huyết áp cũng được thực hiện khá đơn giản khiến cho ai ai
cũng có thể tự đo và tự kiểm tra các tham số của chính mình.
Trạng thái “khỏe” của cơ thể còn được đặc trưng bởi nhiều tham số khác, đặc biệt
là những tham số thể hiện sự cân bằng nội môi, trong đó có sự hằng định của áp suất
thẩm thấu, của cân bằng điện giải … (rất quan trọng với quá trình vận chuyển nước
trong cơ thể). Tuy nhiên, chúng ta sẽ không đi quá sâu vào những vấn đề đó trong khuôn
khổ của cuốn sách này.
Hình 2.6. Các thiết bị đo huyết áp . 2.4.2.
Tác nhân vật lý, vật lý trị liệu:
Tác nhân vật lý là những tác động mang bản chất vật lý nhằm làm thay đổi cơ thể
sống về mặt cấu trúc, về mặt chức năng hay về mặt trạng thái. Trong đó, tác động thay
đổi trạng thái có ý nghĩa quan trọng khi ta khảo sát hệ thống sống trên quan điểm nhiệt
động. Đây chính là cơ sở vật lý của vật lý trị liệu, một chuyên ngành của y học phát
triển mạnh trong những năm gần đây, vừa do sự phát triển mạnh mẽ của vật lý và kỹ
thuật, lại vừa do yêu cầu ngày càng cao và tính thuyết phục của những phương pháp
chữa bệnh không dùng thuốc.
Theo cách hiểu thông thường, có một số phương pháp điều trị cơ bản như sau:
điều trị bằng thuốc, điều trị bằng can thiệp ngoại khoa (phẫu thuật cắt bỏ hay thay thế,
kể cả những thủ thuật can thiệp tối thiểu), điều trị bằng các phương pháp cổ truyền và
điều trị bằng tác nhân vật lý. Vật lý trị liệu là chữa bệnh thông qua những quá trình điều
khiển- điều hòa của riêng cơ thể, dựa trên phản ứng trả lời đối với các kích thích mang
bản chất vật lý từ bên ngoài. Trong dạng điều trị này, cho dù bản chất vật lý của từng
tác nhân là rất khác nhau, song hầu như tất cả các tác nhân đó đều gây nên hiệu ứng
kích thích sinh học. Chính kích thích đó là nguyên nhân cơ bản giúp cơ thể chuyển từ
trạng thái “bệnh” sang trạng thái “khỏe”. Có thể coi sự sống chính là sự cân bằng của
trao đổi chất và chuyển hóa năng lượng, được xác định bằng con đường phức tạp và
được điều chỉnh bởi các quá trình tự điều khiển trong cơ thể, với mục đích của hệ thống
là duy trì tính hằng định của nội môi. Kích thích là một trong những khả năng để tạo ra
sự điều hòa như thế, để duy trì và thực hiện sự cân bằng nội môi như thế. Có ba quá
trình điều hòa quan trọng: điều hòa nhiệt độ và hàm lượng nhiệt, điều hòa huyết áp và
điều hòa trao đổi chất.
Một trong những khả năng sống đặc trưng là khả năng có thể bị kích thích, thể
hiện ở chỗ chúng có thể phản ứng lại với những tác động từ bên ngoài. Trên cơ sở kích
thích sẽ có phản ứng và thích nghi. Trong cơ thể chúng ta có cả một hệ thống hoàn
chỉnh cho việc tiếp nhận kích thích, truyền kích thích (như truyền tin), xử lý tin để cuối
cùng dẫn tới một hành xử thích đáng. Trong thể thao, sự luyện tập sẽ dẫn đến những tố
chất mới. Trong vật lý trị liệu, chu trình nhắc lại kích thích- phản ứng sẽ chuyển cơ thể
sang những trạng thái mới. Đó cũng là lý do vì sao trong vật lý trị liệu thường phải nhắc
lại nhiều lần, để cho các phản ứng ban đầu đủ sức chuyển cơ thể sang trạng thái mới tương đối ổn định.
Hầu như tất cả các tác nhân vật lý đều có thể sử dụng thành công trong vật lý trị
liệu chính là nhờ cơ thể có thể hiểu tác dụng của các tác nhân đó như một kích thích và
có phản ứng thích hợp. Đó có thể là dòng điện, sóng điện hay từ trường, đó cũng có thể
là ánh sáng hay nước, là laser hay siêu âm, có thể các tác nhân đó vốn có sẵn trong tự
nhiên hay sinh ra từ những thiết bị chuyên dụng... Vật lý trị liệu có thể xem là dùng
ngay những yếu tố của tự nhiên để chữa bệnh, khi những yếu tố tự nhiên ấy được khảo
sát thấu đáo về mặt vật lý, được điều chỉnh chặt chẽ và chính xác về mặt định lượng.
Như thế, tác nhân vật lý không chỉ được xác định bằng bản chất vật lý của từng
tác nhân, mà còn được xác định bởi các tham số cụ thể của tác nhân ấy. Tác dụng kích
thích của điện trị liệu được phân theo tần số và ta có điện trị liệu tần số thấp, tần số
trung bình và tần số cao. Trong mỗi giải tần số ta lại có những tham số cụ thể cho từng
xung điện: biên độ xung, độ dài xung, khoảng cách giữa hai xung... Với bức xạ laser,
chỉ có bức xạ công suất thấp (dải mW) là được sử dụng trong vật lý trị liệu, bao gồm
cả laser vùng ánh sáng đỏ , ánh sánh xanh và vùng hồng ngoại, trong đó các thông số
về công suất và mật độ công suất có ý nghĩa quyết định hiệu quả điều trị. Đối với nhà
vật lý, bản thân các tham số này khá đơn giản, nhưng đưa các tham số đó vào trong
phác đồ điều trị lại rất phức tạp,và giúp bác sĩ sử dụng thành thạo các tham số thích hợp
thậm chí còn khó khăn hơn. Thống nhất tất cả những yếu tố đó trong một thực thể chính
là nhiệm vụ của vật lý y sinh học.
Trong y học, thiết bị vật lý trị liệu là một phần quan trọng của hệ thống thiết bị
điều trị. Trong nhiều tài liệu, người ta ghép thiết bị vật lý trị liệu về nhóm điện tử y tế
(cùng với các thiết bị đo điện tim, điện não, điện cơ...). Các thiết bị vật lý trị liệu cũng
thường được sử dụng trong y học phục hồi . Hình 2.7 giới thiệu một số thiết bị thường
sử dụng trong bệnh viện.
Hình 2.7: Các thiết bị vật lý trị liệu thường sử dụng trong bệnh viện.