刍议能量守恒定律和人体的生命活动

江津津* 贾 强 万红霞

（广州城市职业学院食品科学与美食养生学院 广东·广州 510405）

1 能量守恒定律的发现与生物物理学的发展

德国生物物理学家、数学家亥姆霍兹发现了能量守恒定律，他在对生理过程和动物热的来源进行分析的时候，发现著名化学家李比希的“活力”学说有问题。亥姆霍兹认为，如果生物机体除了从食物发热取得能量外，还可以从某种“活力”得到能量，那么生物机体就成了永动机，即人不吃饭也可以从“活力”中得到能量而活下去。他把自己的观点加以整理，写成《论力的守恒》一文，送到德国《物理学年鉴》，但是被退稿了。1847年7月23日，亥姆霍兹在柏林物理学会的一次讲演中报告了这篇论文。他全面阐述了能量守恒和转换来表示“活力”并将能量守恒定律应用于生物系统。另一位科学家波埃斯·雷曼在研究肌肉神经时，发现了静息电位与动作电位。到了20世纪40年代薛定谔（Schrodinger）则提出了生命现象中量子过程的概念。到了50年代，由于生命科学的研究已经从个体器官水平进入到细胞与分子水平，同时也由于原子核能，超声与激光以及各种电磁波的广泛应用，刺激了一些研究者要更多的从分子水平研究许多生物过程，另一方面迫切需要了解这些外界因素对人体的作用机理及防护的措施，生物物理学作为生命科学的一个分支学科，它与其它分支学科，如分子生物学，生物化学，细胞学与生理学等之间有着密切的联系，并在研究中相互促进。它与生物工程学，生物医学工程学，环境科学之间又有交叉的研究领域。生物物理学对生命科学从定性走向定量的发展，从描述现象到具有数学和物理基础的精确科学的发展具有重要作用。

经过近几十年的发展，生物物理学的内容包括如下方面：研究大分子结构和功能，特别是大分子的动态结构的分子生物物理学；研究细胞膜的动态结构及其在内外环境中物质与能量传递中作用的膜生物物理学；研究视觉，听觉及神经的生物物理学的感官与神经生物物理学；应用理论物理的原则，特别是应用非线性理论研究生物学的理论生物物理学。

2 蛋白质活动的“力源”

蛋白质是生命活动的主要承担者，除了供氮和供能，许多具有重要生理作用的物质都是蛋白质，如有催化作用的酶；调节各种代谢过程的蛋白激素；输送各种小分子、离子、电子的运输蛋白；肌肉收缩的肌动蛋白；有防御功能的免疫球蛋白；构成机体支架的胶原蛋白等。在蛋白质的活动中，ATP是直接能量来源，机体维持生命活动需要不断消耗ATP，ATP不断生成又保障了机体连续不断地能量供应。生物体内能量的释放、转移和利用的过程都是以ATP为中心进行的。而ATP的分解与再合成的速度随代谢的需要而变化。ATP的再生成实际上是ADP与Pi再连接，是一个磷酸化的吸能过程。被吸收的能量只能从摄入机体内的糖、脂肪和蛋白质等物质的分解（放能）过程中获得。糖的分解可以是有氧氧化，也可以是无氧酵解；脂肪的分解则完全是有氧氧化。

因此，ATP的生成包括有氧生成和无氧生成两种类型。人体从食物中摄取的总能量的50%是以热能的形式维持正常体温；其余绝大部分的能量是以化学能的形式重新再转移到ATP分子中贮存，以供机体直接利用。能量的利用途径为：（1）转变为机械能：肌肉收缩做功，对人体而言，只有在肌肉中才能把化学能转变为机械能。肌肉收缩产生于肌原纤维上肌小节中的肌丝滑行，而肌丝滑行的始动又在于横桥的摆动，完成这一横桥摆动的机械能来自ATP的分解。人体内的肌肉约占总体重的35%～45%，运动过程中体内ATP能量的去路主要用于转化为机械能使肌肉做功。（2）转移到肌酸上：储存能，ATP的生成主要来自氧化磷酸化过程。当ATP生成较多时，可将含有高能磷酸键的Pi转移给肌酸而形成CP，以备“急用”。（3）转变为其它形式的能：完成各种生理功能，ATP分解产生的能量可用于完成人体各种生理功能，即ATP的化学能转变为体内其它形式的能。如用于体内合成代谢所需的化学能；消化与吸收、肾小管对滤液的重吸收、细胞膜的主动转运及细胞分泌等渗透能；神经兴奋的传导、生物电能等等。所以说蛋白质活动的力源是化学能。

3 人体的生命活动与能量守恒的关系

人体内能量的摄入与支出是符合能量守恒定律的，基本遵循如下公式：

能量输入（食物）＝能量输出（做功、产热）±能量的储存（脂肪等）。

一个健康成年人体重的变化，基本符合上述公式。当能量摄入与支出相平衡时，体重基本保持不变；如果摄入大于支出时，人体就会发胖；相反则会消瘦。由于生物个体的多样性与特殊性，也由于人体生命运动的独特性，其能量代谢不是机械固定不变的而是受很多因素的影响和制约。譬如，想要减肥和防治动脉硬化等心血管疾病的人群，应该优先选择中低强度的长时间有氧运动。例如：长时间散步，走路，打太极拳等等。

在不同运动形式下，能量的利用及来源也各不相同。从运动学的角度来看，由于人体生命运动的多样性，运动分极限强度运动与次极限强度运动、递增负荷的力竭性运动以及中低强度的长时间有氧运动。各种运动其强度和持续时间都影响耗能，对能量的消耗利用是动态变化的。

从运动的层面来看，三个供能系统各有不同特点。（1）磷酸原系统：主要在运动开始后0到30秒内由磷酸肌酸为身体进行供能，在短时间和大强度运动中，磷酸原系统是主要供能系统。磷酸原系统的输出功率是最强的。（2）糖酵解系统：主要在运动开始后的6秒至3分钟，为身体进行供能。在中高强度的运动中主要由糖酵解系统参与。分为快速糖酵解和慢速糖酵解。快速糖酵解是无氧反应，慢速糖酵解是有氧反应。快速糖酵解和慢速糖酵解区别在于两者的产物丙酮酸的去处。前者的丙酮酸转化为乳酸，后者的丙酮酸进入线粒体通过氧化系统供能，所以快速糖酵解也叫做无氧糖酵解，慢速糖酵解也叫做有氧糖酵解。当肌细胞内氧气不足时，就会发生快速糖酵解（此时生成乳酸），氧气充足时，就是慢速糖酵解。所以人体在做那些中高强度的运动时，肌肉细胞氧气不足的时候，你的肌肉就会堆积乳酸，就容易酸痛。同时，乳酸过多还会使氢离子浓度增加，从而抑制糖酵解从而引起肌肉收缩。而在进行低强度长跑、游泳时，乳酸就不会堆积，因为丙酮酸进入线粒体功能了，身体就没有乳酸堆积就不会酸痛。（3）有氧氧化系统：主要在运动开始后2分钟内由糖、碳水化合物、脂肪和蛋白质氧化为身体进行供能，它需要大量的氧气参与。在运动2分钟后，有氧大量供能便开始了，脂肪的氧化也开始了。

从能量代谢的角度来看，有4个主要因素影响人体能量代谢：

（1）肌肉活动对能量代谢的影响最为显著。肌肉的任何轻微的活动都能提高机体代谢率。剧烈运动或强体力劳动时产的热能超过人体平静时很多倍，而且，即使在肌肉活动停止后的一段时间内，能量代谢仍旧会保持较高水平，随后才能慢慢恢复到正常。

（2）精神活动对能量代谢的影响。人体平静思考问题的时候，热量增加一般不超过4%，能量代谢受到较小的影响；但是当人的精神处于紧张状态时，如恐惧、烦恼，恼怒或者情绪激动时，身体会随之出现无意识的肌肉紧张加强，这时的肌肉活动虽然不明显，但产生的热量已明显增加。加上神经紧张状态可促使肾上腺素类的激素分泌，其结果必然使得机体物质代谢和能量代谢双双加速，产生的热量也增加。这也是在测定人体的基础代谢率时，要求受试者的情绪平静的原因。

（3）食物特殊动力作用对能量代谢的影响。食物的特殊动力作用指进食行为刺激机体产生额外的热量。从进食后的1小时开始，到进食后7～8小时左右，这段时间的机体虽然处于安静状态，但机体产生热量比进食前是增加的，一般在饭后的2～3小时代谢率升高到最高值。如若进食的全部都是蛋白质，则身体额外增加30%左右的热量；如果进食的是碳水化合物或者脂类，则身体增加热量大约4%～6%的热量；而进食混合食物会让身体增加10%左右的热量。

（4）环境温度对能量代谢的影响。研究显示，环境温度在20℃～30℃时，在安静状态下，人体能量代谢最稳定。当环境温度低于20℃时，人体代谢率即开始增加，在10℃以下有明显增加，原因为受寒冷刺激引起的反射性寒战及肌肉紧张度增加。当环境温度在30℃～40℃时，人体代谢率又逐渐增加，可能是高温导致体内生化反应速度增加，发汗机能旺盛及呼吸、循环机能增强等综合因素所致。

4 结语

能量守恒定律即热力学第一定律，人体内能量的摄入与支出是基本符合能量守恒定律的。诺贝尔奖获得者埃尔温·薛定谔在其著作《生命是什么》中说“人活着就是在对抗熵增定律，生命以负熵为生”。几乎所有的生命现象都可以用熵增定律来解释。热力学第二定律表述的是能量在转化过程中不会被100%利用，总会有部分损失，这部分损失就是熵增加的来源。薛定谔还说：“自然万物都趋向从有序到无序，即熵值增加。而生命则需要通过不断抵消其生活中产生的正熵，使自己维持在一个稳定而低的熵水平上”。生命在熵减过程中一直在做三件事，第一，努力保证能量的供给。第二，努力开放系统。第三，努力变得更加智能。生命为了花更少的能量来获取更多物质和能量，进化出了感知能力。故而，热力学第一定律和热力学第二定律两者结合起来才能表征人体复杂多变的各项生命活动，才能解释所有生命和非生命的演化规律。