ЭНЕРГИЯ

Энергия (греческий energeia действие, деятельность) — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия не возникает из ничего и не исчезает, она может только переходить из одной формы в другую. Один из наиболее фундаментальных законов природы — закон сохранения энергии — гласит: в изолированной системе энергия сохраняется (см. Термодинамика). Понятие «энергия» связывает воедино все явления природы.

В соответствии с различными формами движения материи рассматривают разные формы энергии: кинетическую, механическую, потенциальную, химическую, ядерную и др. Кинетическая энергия (W) движущейся частицы определяется ее массой (m) и mV2 скоростью (V): W = -у-* Такая частица может совершить механическую работу (А), при этом ее энергия уменьшится: А = W2 — Wx. В поле силы тяготения механическая работа может совершаться за счет изменения потенциальной энергии, которая вблизи Земли равна mgh, где m — масса тела, g — ускорение силы тяжести, h — высота над поверхностью Земли. В электрическом поле потенциальная энергия частицы с зарядом q равна qcp, где ф — электрический потенциал в данной точке электрического поля. Полная энергия любого тела складывается из его кинетической и потенциальной энергии (как целого) и внутренней энергии, которая представляет сумму всех видов энергий частиц с учетом их взаимодействий внутри этого тела. Часть внутренней энергии (так называемая свободная энергия) может быть израсходована на совершение механической работы. В живых организмах химическая энергия, заключенная в продуктах питания и кислороде воздуха, частично минуя тепловую форму энергии, затрачивается на совершение механической, электрической и осмотической (см. Осмотическое давление) работы, то есть на перемещение тел и молекул против механических, электрических и осмотических сил, а также на поддержание постоянной температуры тела у высокоразвитых животных.

Преобразование энергии в живых клетках (см. Биоэнергетика) включает процессы ее запасания в форме высокоэргических соединений (см.) и ее расход на энергетические нужды организма: перенос ионов против градиента (см.) концентраций (см. Транспорт ионов) через биологические мембраны (см. Мембраны биологические), пищеварение (см.), передачу нервного импульса (см. Нервная клетка), синтез всех основных веществ в клетке (см. Обмен веществ и энергии), мышечное сокращение (см.), движение ворсинок, жгутиков и др. Синтез основного аккумулятора энергии — АТФ (см. Аденозинфосфорные кислоты) в клетках растений обеспечивается за счет конверсии энергии света и фотосинтетического фосфорилирования (см. Фотосинтез), а у животных и человека осуществляется в основном в результате клеточного дыхания — биологического окисления и окислительного фосфорилирования (см. Окисление биологическое). Вначале внутренняя энергия органических молекул, например углеводов (см.), выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций (см.), протекающих в митохондриях (см.) и других энергосопрягающих мембранных структурах, превращается в форму разности электрохимических потенциалов по обе стороны биологической мембраны (Дц,н+) в результате переноса протонов (ионов Н+), сопряженного с переносом электронов в дыхательной цепи. Затем эта энергия расходуется на синтез АТФ, то есть запасается в форме конвертируемой химической энергии.

Важной особенностью систем преобразования энергии в нормально функционирующей клетке является почти полная обратимость всех протекающих в ней процессов, то есть высокий коэффициент полезного действия. При развитии патологических процессов, например при ишемии, физических перегрузках, стрессе, интоксикациях и др., наблюдается необратимый переход части энергии в ее тепловую форму, связанный с разобщением окислительного фосфорилирования и дыхания в митохондриях в результате нарушения барьерной функции мембран. При этом энергия окисления органических субстратов растрачивается «вхолостую», и клетки могут погибнуть от недостатка АТФ, то есть от энергетического голода.

Библиогр.: Владимиров Ю. А и др. Биофизика, М., 1983; Ремизов А. Н. Курс физики, электроники и кибернетики, М., 1982; Скулачев В. П. Трансформация энергии в биомембранах, М., 1972.

Ю. А. Владимиров.