生物熱力學(xué)要點(diǎn)課件

第四章生物熱力學(xué)熱力學(xué)中的研究對(duì)象稱為熱力學(xué)系統(tǒng)，本章教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)人體代謝(重點(diǎn))

第二節(jié)生命現(xiàn)象研究的幾個(gè)重要熱力學(xué)函數(shù)(了解)

第三節(jié)體溫與體溫的控制(重點(diǎn))

第四節(jié)熱和冷的生物效應(yīng)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用(閱讀)

第五節(jié)分子遷移現(xiàn)象與跨膜輸運(yùn)(了解)

——開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)、孤立系統(tǒng)。生物體是一個(gè)開放熱力學(xué)系統(tǒng)，生命現(xiàn)象是一種廣義的熱力學(xué)過程。熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡態(tài)的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)與外界相互作用（包括能量傳遞和轉(zhuǎn)換）的學(xué)科。第四章生物熱力學(xué)熱力學(xué)中的研究對(duì)象稱為熱力學(xué)系統(tǒng)，本章教第一節(jié)人體代謝1.人體代謝熱力學(xué)第一定律，Q=E+WE／t

：分解代謝率Q／t：生熱率W／t：動(dòng)物體傳遞給其他系統(tǒng)的機(jī)械功率。分解代謝率可通過觀察人把食物轉(zhuǎn)換成能量和廢物時(shí)利用氧的速率，即氧消耗率來精確測(cè)量。人體為維持生命活動(dòng)而消耗體內(nèi)儲(chǔ)存的能量和物質(zhì)的過程叫人體代謝。E=Q-WE:內(nèi)能變化量Q:產(chǎn)生熱量W

:對(duì)外做功

第一節(jié)人體代謝1.人體代謝熱力學(xué)第一定律，Q=2.氧消耗率和氧熱當(dāng)量氧熱當(dāng)量:氧消耗和人體內(nèi)能的減少之間的關(guān)系,即消耗單位體積的氧所產(chǎn)生的能量。表4—1典型食物的氧熱當(dāng)量食物的氧熱當(dāng)量取決于碳水化合物、蛋白、脂肪等在食物中所占的比例。各種食物平均來說，消耗一升氧約能產(chǎn)生2.02104J的能量。氧消耗率:單位時(shí)間內(nèi)生物體攝取并消耗外界氧的量。食物氧熱當(dāng)量/(107J·m-3)醣蛋白質(zhì)脂肪乙醇標(biāo)準(zhǔn)平均值2.1131.8661.9832.0332.022.氧消耗率和氧熱當(dāng)量氧熱當(dāng)量:氧消耗和人體內(nèi)能的減3.健康狀況與最大耗氧率的關(guān)系表4—2人體健康水平和耗氧率人的健康狀況以及他所能進(jìn)行各類體力活動(dòng)的劇烈程度，也取決于其耗氧能力，即做功能力的大小為耗氧能力所制約。健康水平最大耗氧率(mL·min-1·kg-1)很差差尚好好最好28344252703.健康狀況與最大耗氧率的關(guān)系表4—2人體健康水平和耗4.各類活動(dòng)水平的耗氧率和分解代謝率表4-3各類活動(dòng)水平的耗氧率和分解代謝率基礎(chǔ)代謝率(BMR):當(dāng)人處于完全靜息狀態(tài)下的代謝率。

dE/dt=2.929105J/h≈80W哺乳類動(dòng)物基礎(chǔ)代謝率與質(zhì)量關(guān)系：dE/dt=cM3/4c≈3.766105J/(kg3/4·h)活動(dòng)水平耗氧率/(mL·min-1·kg-1)以質(zhì)量65kg人為準(zhǔn)分解代謝率/(J·h-1)睡眠輕微活動(dòng)(演講、散步、家務(wù))中等活動(dòng)(騎自行車16km/h,賽馬)劇烈活動(dòng)(踢足球、鋸木)甚劇烈活動(dòng)(籃球賽、快速游泳)極劇烈活動(dòng)(自行車競(jìng)賽43km/h)3.510202530702.9291058.3681051.6741062.0921062.5101065.8581064.各類活動(dòng)水平的耗氧率和分解代謝率表4-3各類活動(dòng)水第二節(jié)生命現(xiàn)象研究的幾個(gè)重要熱力學(xué)函數(shù)4.2.1焓(enthalpy)等壓過程，引入態(tài)函數(shù)焓，H=E+pVH=E+pV=E+W根據(jù)熱力學(xué)第一定律，Q=E+W故Q=H意義：等壓過程中系統(tǒng)焓變化等于系統(tǒng)與外界交換的熱量。4.2.2吉布斯自由能(Gibbsfreeenergy)等溫等壓過程，引用態(tài)函數(shù)吉布斯自由能,G=E+pV-TS根據(jù)熱力學(xué)第一定律Q=E+W及第二定律dS≥dQ/T，最大功原理：

dG≤pdV-dW意義：等溫等壓過程，系統(tǒng)對(duì)外做功≤吉布斯自由能減少若dV0，dW≤-dG（dW為非膨脹功）第二節(jié)生命現(xiàn)象研究的幾個(gè)重要熱力學(xué)函數(shù)4.2.1焓(4.2.3生物生長(zhǎng)過程中的熵熵(entropy):dS=dQ/T熵是系統(tǒng)狀態(tài)有序性的量度。熱力學(xué)第二定律：dS≥dQ/T。生物體的群體進(jìn)化及個(gè)體發(fā)育過程是一個(gè)從簡(jiǎn)單到有序的過程。1969年比利時(shí)學(xué)派提出了“耗散結(jié)構(gòu)”的概念與理論，為自然界存在的大量的(特別是在生物系統(tǒng))遠(yuǎn)離平衡的有序現(xiàn)象的解釋提供了理論基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)其與趨向平衡現(xiàn)象一樣，非但不違反熱力學(xué)第二定律，而是同樣受熱力學(xué)第二定律的支配，因而人們除了看到通常熱力學(xué)給出的趨向平衡的情景外，尚可以看到“達(dá)爾文”式的生動(dòng)活潑的物質(zhì)進(jìn)化的情景?！铝⑾到y(tǒng)熵增大↑——生命系統(tǒng)熵減小↓4.2.3生物生長(zhǎng)過程中的熵熵(entropy):d熵在生物信息學(xué)中的應(yīng)用人體蛋白質(zhì)有10多萬(wàn)種，由20種氨基酸按一定的編碼組成，每一種氨基酸由4種堿基按照一定排列組成，問題是，如果用4種編碼20種氨基酸，每1種氨基酸至少需要幾個(gè)堿基進(jìn)行編碼？堿基位數(shù)可編碼氨基酸數(shù)目信息量(bit)141=4Log241=2242=16Log242=4343=64Log243=61950s,物理學(xué)家伽莫夫（GeorgeGamov）根據(jù)信息論提出三聯(lián)核苷酸密碼編碼20種氨基酸的推測(cè)。1960s,三聯(lián)核苷酸編碼得到證實(shí)，并逐一被破譯。Log220=4.322bit熵在生物信息學(xué)中的應(yīng)用人體蛋白質(zhì)有10多萬(wàn)種，由20種氨基酸第三節(jié)體溫與體溫的控制

人體中央體溫:37±2℃。人類生存環(huán)境溫度:-30~+40℃。恒溫性：是指機(jī)體得熱和失熱各因素千變?nèi)f化情況下，機(jī)體維持深部溫度或體核溫度(即內(nèi)環(huán)境溫度)在一較窄范圍內(nèi)的能力。保持體溫恒定的意義在于：恒溫是高級(jí)生命形式的重要特征，恒溫對(duì)維持哺乳動(dòng)物機(jī)體生存是關(guān)鍵性的?！彩巧矬w從低級(jí)形式向高級(jí)形式演化的重要保證。第三節(jié)體溫與體溫的控制人體中央體溫:37±2℃。人類(1)體溫越高，和生命有關(guān)的重要化學(xué)過程和物理過程就進(jìn)行得越快，(a)酶的最適宜溫度在36~37℃，過高導(dǎo)致酶變性，催化作用喪失。(2)體溫下降，有可能完全阻止酶的活性。體溫下降至33℃以下，神經(jīng)功能便會(huì)受到抑制且知覺會(huì)消失。30℃以下則會(huì)引起調(diào)溫系統(tǒng)失靈，若降至28℃，更會(huì)引起心室纖顫甚至死亡。(b)體溫提高到41℃,中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能開始衰退且會(huì)出現(xiàn)驚厥，(c)溫度進(jìn)一步提高到45℃便會(huì)造成蛋白變性及死亡。(1)體溫越高，和生命有關(guān)的重要化學(xué)過程和物理過程就進(jìn)行得4.3.1體溫1.體核溫度(coretemperature):人體軀干核心的溫度。測(cè)量體核溫度的部位通常為直腸、口腔、食管、耳膜以及尿流，但所得的值卻各不相同，因而沒有一處溫度可認(rèn)為是真正的體核溫度。食管溫度:能間接量度從心臟泵出的動(dòng)脈血血溫。肛溫:直腸熱慣性大,不適于進(jìn)行變化較快的溫度量度。耳膜溫度:耳膜熱慣性小，能反映溫度變化最快。環(huán)境溫度為5~30℃時(shí)，人體活動(dòng)時(shí)的體核溫度只是代謝率的函數(shù)，環(huán)境溫度高于30℃

，因出現(xiàn)熱應(yīng)激，體核溫度上升。4.3.1體溫1.體核溫度(coretempera2.皮膚溫度(skintemperature)皮膚溫度是一個(gè)不確定的概念，隨體表部位的不同而不同。常用的皮膚溫度是一平均值，選取不同部位測(cè)試點(diǎn)的皮膚溫度加權(quán)平均。如：10,8,6,4,3點(diǎn)法,如四點(diǎn)法：T皮＝0.2(T小腿+T大腿)+0.3(T胸+T上臂)如三點(diǎn)法：T皮＝0.5T胸+0.36T小腿+0.14T上臂3.體溫(bodytemperature)Tb=T肛+(1-)T皮寒冷環(huán)境：=0.64溫度適中環(huán)境：=0.67炎熱環(huán)境：=0.8~0.9一般情況：=0.65平均體溫：36.5～37.0℃2.皮膚溫度(skintemperature)皮膚溫度是4.3.2溫度梯度體核溫度高于皮膚溫度，二者間便存在著溫度梯度。體內(nèi)的溫度梯度取決于如下諸因素：局部生熱、得熱率和失熱率，以及局部血流率和組織的熱導(dǎo)。4.3.3熱盈和熱虧熱盈(heatstorage)和熱虧(heatdebt)指的是體溫升降時(shí)所吸收或放出的熱量。Q=mcTb=mc(Tb-37℃)m:人體質(zhì)量(kg)，c:人體比熱,c=0.83kcal/(kg·℃)=3.5kJ/(kg·K)

人對(duì)嚴(yán)寒比對(duì)酷熱具有較大的耐受力。體溫恒定對(duì)人體是非常重要的。體溫升高,Q為正,熱盈:最高42℃，m=70kg，Q=360kcal體溫下降,Q為負(fù),熱虧:最低25℃，m=70kg，Q=700kcal4.3.2溫度梯度體核溫度高于皮膚溫度，二者間便存在著溫4.3.4人體的熱性質(zhì)1.比熱：使1kg生物組織材料升高1℃度所吸收的熱量。生物組織比熱：c=(1.0×H2O(f）+(0.4×Sf)H2O(f)為組織中水所占分量，Sf為干性物所占分量。瘦肉動(dòng)物(蛋白25%,

水75％)比熱：

0.85kcal/(kg·℃)脂肪性動(dòng)物(脂肪30%,蛋白20%,水50%)比熱:0.70kcal/(kg·℃)一般動(dòng)物的均值常取0.83kcal/(kg·℃)故人體的比熱一般取0.83kcal/(kg·℃)=3.5kJ/(kg·℃)

熱容量

C=mc，m=70kg，

C=2.4105J/K4.3.4人體的熱性質(zhì)1.比熱：使1kg生物組織材料表4-4正常與患有腫瘤的人體組織的比熱組織正常組織比熱cp/(kJ·kg-1·K-1)腫瘤組織比熱cp/(kJ·kg-1·K-1)肝肺前列腺肌肉皮層網(wǎng)狀骨血液眼角膜晶狀體水狀液3.628~3.6903.5203.7153.5431.2851.4093.7671.0501.0501.0003.83.83.8正常組織與腫瘤組織的比熱是不同的。對(duì)腫瘤的致熱或間質(zhì)透熱療法也正是基于這一情況進(jìn)行的。不同組織的比熱有所不同，對(duì)于其他有關(guān)療法有較大的參考價(jià)值。表4-4正常與患有腫瘤的人體組織的比熱組織正常組織比2.熱傳導(dǎo)方程由于存在溫度梯度,生物組織內(nèi)部的溫度分布由Pennes方程描述：為密度，c為比熱，稱為熱傳導(dǎo)系數(shù)。cb為血液比熱，Wb為血灌注率，Ta是供血?jiǎng)用}血溫，Qm與Qr分別是容積代謝熱與外部立體供熱。其解為：T(x,y,z,t)2.熱傳導(dǎo)方程由于存在溫度梯度,生物組織內(nèi)部的溫度分布由表4—5某些生物組織與材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)組織或材料熱傳導(dǎo)系數(shù)／(W·m-1·℃-1)水(37℃下)脂肪(人)肌肉(人)人皮皮層(人)網(wǎng)狀骨(人)皮質(zhì)骨(人)眼角膜(人)晶狀體(人)水狀液(人)視網(wǎng)膜(人)腫瘤(人)皮革豬油空氣(干)0.56520.20.5450.25130.40.50.50.580.400.580.6280.5450.17590.20110.0209表4—5某些生物組織與材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)組織或材料熱傳導(dǎo)系數(shù)／4.3.5人體的加熱率一、總加熱率m=70kgC=mc=2.4105J/K二、人體生熱及生熱率p0=2.929105J/h基礎(chǔ)代謝率H=1～20化學(xué)生熱：變溫動(dòng)物對(duì)氣溫變化的響應(yīng)類似于簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)。物理生熱：1．顫抖；2．運(yùn)動(dòng)——人體熱平衡方程4.3.5人體的加熱率一、總加熱率m=70kg二、人體生三、人體溫度控制系統(tǒng)所導(dǎo)致的生熱(或去熱)人體的控溫中心為下丘腦，下丘腦會(huì)根據(jù)比較人的體核溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度(37.1℃)的結(jié)果去觸動(dòng)有關(guān)的效應(yīng)器作自動(dòng)調(diào)溫響應(yīng)。四、因傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等從皮膚散發(fā)的失熱率人體和環(huán)境之間不斷地進(jìn)行著各種物理形式的熱交換。方式：1.對(duì)流,2.輻射,3.蒸發(fā),4.組織傳導(dǎo),5.血液流動(dòng)Ts:skintemperatureTa:airtemperature

與周圍環(huán)境有關(guān)，1.046×105Jh-1K-1三、人體溫度控制系統(tǒng)所導(dǎo)致的生熱(或去熱)人體的控溫4.3.6體溫的調(diào)節(jié)兩個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行:(1)自動(dòng)控溫系統(tǒng),(2)主動(dòng)控溫系統(tǒng)。一、自動(dòng)控溫系統(tǒng)由感溫器，控溫中心及效應(yīng)器組成，又稱生理控溫系統(tǒng)。1.感溫器:皮膚感溫器/體核感溫器，分冷熱兩種。2.下丘腦:人體的主要控溫中心，負(fù)責(zé)對(duì)輸入的溫度信號(hào)加工，并給效應(yīng)器發(fā)出控制信號(hào)。

3.效應(yīng)器:負(fù)責(zé)實(shí)施在天冷時(shí)為減少失熱而進(jìn)行血管收縮和顫抖，和在天熱時(shí)進(jìn)行血管舒張、出汗和喘氣。R-R0=R(T實(shí)際-T規(guī)定)4.3.6體溫的調(diào)節(jié)兩個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行:(1)自動(dòng)控溫4.自動(dòng)控溫系統(tǒng)原理體核感溫器皮膚感溫器下丘腦(T體核與T規(guī)定比較)觸動(dòng)自動(dòng)調(diào)溫響應(yīng)(1)溫升效應(yīng)：增加代謝活動(dòng)及運(yùn)動(dòng)元的活動(dòng)(如天寒時(shí)的顫抖寒戰(zhàn)等)，從而使熱進(jìn)入體核及肌肉；借助血管的舒縮增加中心體核到外周間的熱傳導(dǎo)，并減少表面血流量而減少體表失熱。(2)溫降效應(yīng)：出汗、通過汗的蒸發(fā)而散熱，血管的舒張可通過增加表面血流而有利于散熱。：(1)溫升效應(yīng)，(2)溫降效應(yīng)。k3.15×106Jh-1K-14.自動(dòng)控溫系統(tǒng)原理體核感溫器下丘腦觸動(dòng)自動(dòng)調(diào)溫響應(yīng)(5.自動(dòng)控溫下的人體熱平衡方程如Ts＝T體核，k/=G,C/=t0，Hp0=(T規(guī)定－Ta)

5.自動(dòng)控溫下的人體熱平衡方程如Ts＝T體核，k/=G,6.人體患病下的溫度變化細(xì)菌性毒素感染T規(guī)定下丘腦溫升效應(yīng)體溫升高

服用退燒藥，阻斷熱原體感染，使T規(guī)定回復(fù)正常。二、主動(dòng)控溫系統(tǒng)主動(dòng)控溫系統(tǒng)又叫知覺—行為控溫系統(tǒng)，與自動(dòng)控溫系統(tǒng)由下丘腦作為控溫中心不同的是，此系統(tǒng)由大腦皮層進(jìn)行主動(dòng)控溫操作。t0:無自動(dòng)控溫時(shí)的熱響應(yīng)時(shí)間，t0=C/

2.3h，t1:有自動(dòng)控溫時(shí)的熱響應(yīng)時(shí)間,G=k/30,t1t0/314.5min6.人體患病下的溫度變化細(xì)菌性毒素感染T規(guī)定下第五節(jié)分子遷移現(xiàn)象與跨膜輸運(yùn)4.5.1粘滯現(xiàn)象粘滯力：層流的氣體或液體內(nèi)部各層間的內(nèi)摩擦力。粘滯系數(shù)4.5.2熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)斯托克斯定律f=6rv物體內(nèi)部熱量從溫度較高處傳遞到溫度較低處的現(xiàn)象。第五節(jié)分子遷移現(xiàn)象與跨膜輸運(yùn)4.5.1粘滯現(xiàn)象粘滯力4.5.3擴(kuò)散1.氣體的擴(kuò)散擴(kuò)散系數(shù)2.溶液中溶質(zhì)的擴(kuò)散擴(kuò)散通量

j:單位時(shí)間通過垂直于擴(kuò)散方向的單位面積的溶質(zhì)數(shù)。愛因斯坦－斯托克斯方程：當(dāng)某種氣體分子分布不均勻時(shí),熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使分子從密度高的地方向密度低的地方輸送,使各部分氣體密度趨于一致.4.5.3擴(kuò)散1.氣體的擴(kuò)散擴(kuò)散系數(shù)2.溶液中溶質(zhì)的4.5.4跨膜遷移過程1.理想氣體的滲透壓p1V=N1kTp1'V'=N1'kTp1=C1kTp1'

=C1'kTC=N/V將氣體2引入V區(qū),其總壓強(qiáng)p=p1+p2=C1kT+C2kT=(C1+C2)kT

給容積V'引入氣體1使其總壓強(qiáng)p'=p>p1p=p'–p1=p-p1=C2kT滲透壓

=C2kT=(C2/A0)A0kT=c2RT滲透壓的大小等于所有不能透過半透膜的組分的總分壓。氣體1可通過半透膜4.5.4跨膜遷移過程1.理想氣體的滲透壓p1V=N2．溶液中的滲透壓一些半透膜只能讓水分子自由通過，而不能讓溶質(zhì)分子通過，于是在半透膜兩側(cè)形成純水與溶液間的壓強(qiáng)差，此壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)水作跨膜流動(dòng)，這一壓強(qiáng)差便是滲透壓。滲透壓

=c

RT滲透作用對(duì)于了解各種各樣的生物過程極其重要。細(xì)胞水脹或失水人體水的排泄靜脈輸液時(shí)，滲透壓的調(diào)節(jié)，——等滲溶液。2．溶液中的滲透壓一些半透膜只能讓水分子自由通過，而不能讓溶1.概念：人體代謝，氧熱當(dāng)量，基礎(chǔ)代謝率，體核溫度，皮膚溫度，體溫，熱盈，熱虧，自動(dòng)控溫系統(tǒng)，主動(dòng)控溫系統(tǒng)2.健康狀況與最大耗氧率的關(guān)系。3.人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機(jī)制。（1）自動(dòng)控溫系統(tǒng)，（2）主動(dòng)控溫系統(tǒng)。第四章作業(yè)1.概念：人體代謝，氧熱當(dāng)量，基礎(chǔ)代謝率，體核溫度，皮膚溫第四章生物熱力學(xué)熱力學(xué)中的研究對(duì)象稱為熱力學(xué)系統(tǒng)，本章教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)人體代謝(重點(diǎn))

第二節(jié)生命現(xiàn)象研究的幾個(gè)重要熱力學(xué)函數(shù)(了解)

第三節(jié)體溫與體溫的控制(重點(diǎn))

第四節(jié)熱和冷的生物效應(yīng)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用(閱讀)

第五節(jié)分子遷移現(xiàn)象與跨膜輸運(yùn)(了解)

——開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)、孤立系統(tǒng)。生物體是一個(gè)開放熱力學(xué)系統(tǒng)，生命現(xiàn)象是一種廣義的熱力學(xué)過程。熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象中物質(zhì)系統(tǒng)在平衡態(tài)的性質(zhì)和建立能量的平衡關(guān)系，以及狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)與外界相互作用（包括能量傳遞和轉(zhuǎn)換）的學(xué)科。第四章生物熱力學(xué)熱力學(xué)中的研究對(duì)象稱為熱力學(xué)系統(tǒng)，本章教第一節(jié)人體代謝1.人體代謝熱力學(xué)第一定律，Q=E+WE／t

：分解代謝率Q／t：生熱率W／t：動(dòng)物體傳遞給其他系統(tǒng)的機(jī)械功率。分解代謝率可通過觀察人把食物轉(zhuǎn)換成能量和廢物時(shí)利用氧的速率，即氧消耗率來精確測(cè)量。人體為維持生命活動(dòng)而消耗體內(nèi)儲(chǔ)存的能量和物質(zhì)的過程叫人體代謝。E=Q-WE:內(nèi)能變化量Q:產(chǎn)生熱量W

:對(duì)外做功

第一節(jié)人體代謝1.人體代謝熱力學(xué)第一定律，Q=2.氧消耗率和氧熱當(dāng)量氧熱當(dāng)量:氧消耗和人體內(nèi)能的減少之間的關(guān)系,即消耗單位體積的氧所產(chǎn)生的能量。表4—1典型食物的氧熱當(dāng)量食物的氧熱當(dāng)量取決于碳水化合物、蛋白、脂肪等在食物中所占的比例。各種食物平均來說，消耗一升氧約能產(chǎn)生2.02104J的能量。氧消耗率:單位時(shí)間內(nèi)生物體攝取并消耗外界氧的量。食物氧熱當(dāng)量/(107J·m-3)醣蛋白質(zhì)脂肪乙醇標(biāo)準(zhǔn)平均值2.1131.8661.9832.0332.022.氧消耗率和氧熱當(dāng)量氧熱當(dāng)量:氧消耗和人體內(nèi)能的減3.健康狀況與最大耗氧率的關(guān)系表4—2人體健康水平和耗氧率人的健康狀況以及他所能進(jìn)行各類體力活動(dòng)的劇烈程度，也取決于其耗氧能力，即做功能力的大小為耗氧能力所制約。健康水平最大耗氧率(mL·min-1·kg-1)很差差尚好好最好28344252703.健康狀況與最大耗氧率的關(guān)系表4—2人體健康水平和耗4.各類活動(dòng)水平的耗氧率和分解代謝率表4-3各類活動(dòng)水平的耗氧率和分解代謝率基礎(chǔ)代謝率(BMR):當(dāng)人處于完全靜息狀態(tài)下的代謝率。

dE/dt=2.929105J/h≈80W哺乳類動(dòng)物基礎(chǔ)代謝率與質(zhì)量關(guān)系：dE/dt=cM3/4c≈3.766105J/(kg3/4·h)活動(dòng)水平耗氧率/(mL·min-1·kg-1)以質(zhì)量65kg人為準(zhǔn)分解代謝率/(J·h-1)睡眠輕微活動(dòng)(演講、散步、家務(wù))中等活動(dòng)(騎自行車16km/h,賽馬)劇烈活動(dòng)(踢足球、鋸木)甚劇烈活動(dòng)(籃球賽、快速游泳)極劇烈活動(dòng)(自行車競(jìng)賽43km/h)3.510202530702.9291058.3681051.6741062.0921062.5101065.8581064.各類活動(dòng)水平的耗氧率和分解代謝率表4-3各類活動(dòng)水第二節(jié)生命現(xiàn)象研究的幾個(gè)重要熱力學(xué)函數(shù)4.2.1焓(enthalpy)等壓過程，引入態(tài)函數(shù)焓，H=E+pVH=E+pV=E+W根據(jù)熱力學(xué)第一定律，Q=E+W故Q=H意義：等壓過程中系統(tǒng)焓變化等于系統(tǒng)與外界交換的熱量。4.2.2吉布斯自由能(Gibbsfreeenergy)等溫等壓過程，引用態(tài)函數(shù)吉布斯自由能,G=E+pV-TS根據(jù)熱力學(xué)第一定律Q=E+W及第二定律dS≥dQ/T，最大功原理：

dG≤pdV-dW意義：等溫等壓過程，系統(tǒng)對(duì)外做功≤吉布斯自由能減少若dV0，dW≤-dG（dW為非膨脹功）第二節(jié)生命現(xiàn)象研究的幾個(gè)重要熱力學(xué)函數(shù)4.2.1焓(4.2.3生物生長(zhǎng)過程中的熵熵(entropy):dS=dQ/T熵是系統(tǒng)狀態(tài)有序性的量度。熱力學(xué)第二定律：dS≥dQ/T。生物體的群體進(jìn)化及個(gè)體發(fā)育過程是一個(gè)從簡(jiǎn)單到有序的過程。1969年比利時(shí)學(xué)派提出了“耗散結(jié)構(gòu)”的概念與理論，為自然界存在的大量的(特別是在生物系統(tǒng))遠(yuǎn)離平衡的有序現(xiàn)象的解釋提供了理論基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)其與趨向平衡現(xiàn)象一樣，非但不違反熱力學(xué)第二定律，而是同樣受熱力學(xué)第二定律的支配，因而人們除了看到通常熱力學(xué)給出的趨向平衡的情景外，尚可以看到“達(dá)爾文”式的生動(dòng)活潑的物質(zhì)進(jìn)化的情景?！铝⑾到y(tǒng)熵增大↑——生命系統(tǒng)熵減小↓4.2.3生物生長(zhǎng)過程中的熵熵(entropy):d熵在生物信息學(xué)中的應(yīng)用人體蛋白質(zhì)有10多萬(wàn)種，由20種氨基酸按一定的編碼組成，每一種氨基酸由4種堿基按照一定排列組成，問題是，如果用4種編碼20種氨基酸，每1種氨基酸至少需要幾個(gè)堿基進(jìn)行編碼？堿基位數(shù)可編碼氨基酸數(shù)目信息量(bit)141=4Log241=2242=16Log242=4343=64Log243=61950s,物理學(xué)家伽莫夫（GeorgeGamov）根據(jù)信息論提出三聯(lián)核苷酸密碼編碼20種氨基酸的推測(cè)。1960s,三聯(lián)核苷酸編碼得到證實(shí)，并逐一被破譯。Log220=4.322bit熵在生物信息學(xué)中的應(yīng)用人體蛋白質(zhì)有10多萬(wàn)種，由20種氨基酸第三節(jié)體溫與體溫的控制

人體中央體溫:37±2℃。人類生存環(huán)境溫度:-30~+40℃。恒溫性：是指機(jī)體得熱和失熱各因素千變?nèi)f化情況下，機(jī)體維持深部溫度或體核溫度(即內(nèi)環(huán)境溫度)在一較窄范圍內(nèi)的能力。保持體溫恒定的意義在于：恒溫是高級(jí)生命形式的重要特征，恒溫對(duì)維持哺乳動(dòng)物機(jī)體生存是關(guān)鍵性的?！彩巧矬w從低級(jí)形式向高級(jí)形式演化的重要保證。第三節(jié)體溫與體溫的控制人體中央體溫:37±2℃。人類(1)體溫越高，和生命有關(guān)的重要化學(xué)過程和物理過程就進(jìn)行得越快，(a)酶的最適宜溫度在36~37℃，過高導(dǎo)致酶變性，催化作用喪失。(2)體溫下降，有可能完全阻止酶的活性。體溫下降至33℃以下，神經(jīng)功能便會(huì)受到抑制且知覺會(huì)消失。30℃以下則會(huì)引起調(diào)溫系統(tǒng)失靈，若降至28℃，更會(huì)引起心室纖顫甚至死亡。(b)體溫提高到41℃,中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能開始衰退且會(huì)出現(xiàn)驚厥，(c)溫度進(jìn)一步提高到45℃便會(huì)造成蛋白變性及死亡。(1)體溫越高，和生命有關(guān)的重要化學(xué)過程和物理過程就進(jìn)行得4.3.1體溫1.體核溫度(coretemperature):人體軀干核心的溫度。測(cè)量體核溫度的部位通常為直腸、口腔、食管、耳膜以及尿流，但所得的值卻各不相同，因而沒有一處溫度可認(rèn)為是真正的體核溫度。食管溫度:能間接量度從心臟泵出的動(dòng)脈血血溫。肛溫:直腸熱慣性大,不適于進(jìn)行變化較快的溫度量度。耳膜溫度:耳膜熱慣性小，能反映溫度變化最快。環(huán)境溫度為5~30℃時(shí)，人體活動(dòng)時(shí)的體核溫度只是代謝率的函數(shù)，環(huán)境溫度高于30℃

，因出現(xiàn)熱應(yīng)激，體核溫度上升。4.3.1體溫1.體核溫度(coretempera2.皮膚溫度(skintemperature)皮膚溫度是一個(gè)不確定的概念，隨體表部位的不同而不同。常用的皮膚溫度是一平均值，選取不同部位測(cè)試點(diǎn)的皮膚溫度加權(quán)平均。如：10,8,6,4,3點(diǎn)法,如四點(diǎn)法：T皮＝0.2(T小腿+T大腿)+0.3(T胸+T上臂)如三點(diǎn)法：T皮＝0.5T胸+0.36T小腿+0.14T上臂3.體溫(bodytemperature)Tb=T肛+(1-)T皮寒冷環(huán)境：=0.64溫度適中環(huán)境：=0.67炎熱環(huán)境：=0.8~0.9一般情況：=0.65平均體溫：36.5～37.0℃2.皮膚溫度(skintemperature)皮膚溫度是4.3.2溫度梯度體核溫度高于皮膚溫度，二者間便存在著溫度梯度。體內(nèi)的溫度梯度取決于如下諸因素：局部生熱、得熱率和失熱率，以及局部血流率和組織的熱導(dǎo)。4.3.3熱盈和熱虧熱盈(heatstorage)和熱虧(heatdebt)指的是體溫升降時(shí)所吸收或放出的熱量。Q=mcTb=mc(Tb-37℃)m:人體質(zhì)量(kg)，c:人體比熱,c=0.83kcal/(kg·℃)=3.5kJ/(kg·K)

人對(duì)嚴(yán)寒比對(duì)酷熱具有較大的耐受力。體溫恒定對(duì)人體是非常重要的。體溫升高,Q為正,熱盈:最高42℃，m=70kg，Q=360kcal體溫下降,Q為負(fù),熱虧:最低25℃，m=70kg，Q=700kcal4.3.2溫度梯度體核溫度高于皮膚溫度，二者間便存在著溫4.3.4人體的熱性質(zhì)1.比熱：使1kg生物組織材料升高1℃度所吸收的熱量。生物組織比熱：c=(1.0×H2O(f）+(0.4×Sf)H2O(f)為組織中水所占分量，Sf為干性物所占分量。瘦肉動(dòng)物(蛋白25%,

水75％)比熱：

0.85kcal/(kg·℃)脂肪性動(dòng)物(脂肪30%,蛋白20%,水50%)比熱:0.70kcal/(kg·℃)一般動(dòng)物的均值常取0.83kcal/(kg·℃)故人體的比熱一般取0.83kcal/(kg·℃)=3.5kJ/(kg·℃)

熱容量

C=mc，m=70kg，

C=2.4105J/K4.3.4人體的熱性質(zhì)1.比熱：使1kg生物組織材料表4-4正常與患有腫瘤的人體組織的比熱組織正常組織比熱cp/(kJ·kg-1·K-1)腫瘤組織比熱cp/(kJ·kg-1·K-1)肝肺前列腺肌肉皮層網(wǎng)狀骨血液眼角膜晶狀體水狀液3.628~3.6903.5203.7153.5431.2851.4093.7671.0501.0501.0003.83.83.8正常組織與腫瘤組織的比熱是不同的。對(duì)腫瘤的致熱或間質(zhì)透熱療法也正是基于這一情況進(jìn)行的。不同組織的比熱有所不同，對(duì)于其他有關(guān)療法有較大的參考價(jià)值。表4-4正常與患有腫瘤的人體組織的比熱組織正常組織比2.熱傳導(dǎo)方程由于存在溫度梯度,生物組織內(nèi)部的溫度分布由Pennes方程描述：為密度，c為比熱，稱為熱傳導(dǎo)系數(shù)。cb為血液比熱，Wb為血灌注率，Ta是供血?jiǎng)用}血溫，Qm與Qr分別是容積代謝熱與外部立體供熱。其解為：T(x,y,z,t)2.熱傳導(dǎo)方程由于存在溫度梯度,生物組織內(nèi)部的溫度分布由表4—5某些生物組織與材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)組織或材料熱傳導(dǎo)系數(shù)／(W·m-1·℃-1)水(37℃下)脂肪(人)肌肉(人)人皮皮層(人)網(wǎng)狀骨(人)皮質(zhì)骨(人)眼角膜(人)晶狀體(人)水狀液(人)視網(wǎng)膜(人)腫瘤(人)皮革豬油空氣(干)0.56520.20.5450.25130.40.50.50.580.400.580.6280.5450.17590.20110.0209表4—5某些生物組織與材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)組織或材料熱傳導(dǎo)系數(shù)／4.3.5人體的加熱率一、總加熱率m=70kgC=mc=2.4105J/K二、人體生熱及生熱率p0=2.929105J/h基礎(chǔ)代謝率H=1～20化學(xué)生熱：變溫動(dòng)物對(duì)氣溫變化的響應(yīng)類似于簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)。物理生熱：1．顫抖；2．運(yùn)動(dòng)——人體熱平衡方程4.3.5人體的加熱率一、總加熱率m=70kg二、人體生三、人體溫度控制系統(tǒng)所導(dǎo)致的生熱(或去熱)人體的控溫中心為下丘腦，下丘腦會(huì)根據(jù)比較人的體核溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度(37.1℃)的結(jié)果去觸動(dòng)有關(guān)的效應(yīng)器作自動(dòng)調(diào)溫響應(yīng)。四、因傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等從皮膚散發(fā)的失熱率人體和環(huán)境之間不斷地進(jìn)行著各種物理形式的熱交換。方式：1.對(duì)流,2.輻射,3.蒸發(fā),4.組織傳導(dǎo),5.血液流動(dòng)Ts:skintemperatureTa:airtemperature

與周圍環(huán)境有關(guān)，1.046×105Jh-1K-1三、人體溫度控制系統(tǒng)所導(dǎo)致的生熱(或去熱)人體的控溫4.3.6體溫的調(diào)節(jié)兩個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行:(1)自動(dòng)控溫系統(tǒng),(2)主動(dòng)控溫系統(tǒng)。一、自動(dòng)控溫系統(tǒng)由感溫器，控溫中心及效應(yīng)器組成，又稱生理控溫系統(tǒng)。1.感溫器:皮膚感溫器/體核感溫器，分冷熱兩種。2.下丘腦:人體的主要控溫中心，負(fù)責(zé)對(duì)輸入的溫度信號(hào)加工，并給效應(yīng)器發(fā)出控制信號(hào)。

3.效應(yīng)器:負(fù)責(zé)實(shí)施在天冷時(shí)為減少失熱而進(jìn)行血管收縮和顫抖，和在天熱時(shí)進(jìn)行血管舒張、出汗和喘氣。R-R0=R(T實(shí)際-T規(guī)定)4.3.6體溫的調(diào)節(jié)兩個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行:(1)自動(dòng)控溫4.自動(dòng)控溫系統(tǒng)原理體核感溫器皮膚感溫器下丘腦(T體核與T規(guī)定比較)觸動(dòng)自動(dòng)調(diào)溫響應(yīng)(1)溫升效應(yīng)：增加代謝活動(dòng)及運(yùn)動(dòng)元的活動(dòng)(如天寒時(shí)的顫抖寒戰(zhàn)等)，從而使熱進(jìn)入體核及肌肉；借助血管的舒縮增加中心體核到外周間的熱傳導(dǎo)