Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos

Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos. Por Gustavo Ruiz Camacho.
La termodinámica es una ciencia, cuya área de interés es el estudio de la energía.
Generalmente cuando hablamos de energía pensamos electricidad, combustibles
fósiles y sus diversas aplicaciones (maquinas, circuitos, motores, etc.), pero ¿Qué
hay del aspecto biológico? Todo ser vivo, desde los organismos más simples
(células, bacterias, etc.), hasta los organismos más complejos (plantas, animales,
humanos) existen y sobreviven gracias a la energía. La termodinámica entonces,
tiene una pequeña aplicación en el estudio de esas transferencias de energía y
procesos de transformación que ocurren en los sistemas biológicos. El análisis de
estos sistemas es muy complejo, pero a pesar de ello, están formados
principalmente por 4 elementos básicos: hidrogeno, oxigeno, carbono y nitrógeno.
Los organismos básicos en el cuerpo humano son las células, y están formadas
por estos elementos. En las células ocurren miles de reacciones químicas cada
segundo, las cuales generan energía, se alimentan nuevos procesos y se forman
nuevas moléculas. A esta intensa actividad celular se le conoce como
metabolismo. Definiéndolo sencillamente, el metabolismo es la combustión de
alimentos para diversos procesos. En estado de reposo al metabolismo se le
conoce como “tasa metabólica basal”. En este estado una persona disipa 84W de
energía en promedio. Esta aumenta según el nivel de actividad de cada persona y
puede llegar a exceder 10 veces cuando se realiza ejercicio intenso. Esta tasa
varía según el sexo, tamaño y las condiciones de salud, y decrece de modo
considerable con la edad. Todas estas reacciones ocurren a temperatura, presión
y volumen constantes. Las células tienden a aumentar de temperatura cuando se
convierte alguna energía química en calor. Acciones como realizar ejercicio,
genera que el alimento sea aprovechado, en este caso en las células musculares,
lo que hará que esa energía química sea transformada en energía mecánica
(trabajo). Esta energía mecánica (trabajo) se convertirá en calor, el cual el cuerpo
liberara hacia el medio ambiente. Esto es una consecuencia del principio de la
conservación de la energía, el cual explica que la misma energía que suministras
a un sistema es igual a la salida de energía en este, siempre y cuando, la energía
total en el sistema permanezca constante en el proceso. Como antes lo hablamos,
un cuerpo requiere de energía para funcionar; este requerimiento se satisface
mediante el consumo de alimentos. Estos nutrimentos se dividen principalmente
en carbohidratos, proteínas y grasas. Los carbohidratos contienen en sus
moléculas átomos de hidrogeno y oxígeno. El pan y el azúcar son algunos
ejemplos de estos. Las proteínas contienen carbono, hidrogeno, oxígeno y
nitrógeno (elementos básicos en los sistemas biológicos). Son muy importantes
para la construcción y reparación de tejidos corporales. Se encuentran
principalmente en alimentos como la carne, leche y huevos. Las grasas son
moléculas pequeñas conformadas por hidrogeno y oxígeno. Se encuentran en
aceites vegetales y grasas animales. Para entender cuanto debemos consumir de
estos alimentos, en promedio, un estadounidense consume un 45% de
carbohidratos, 40% de grasas y 15% de proteínas. Una dieta saludable debe tener
menos del 30% de grasas. El contenido energético de un alimento se determina
quemando una muestra de este en un dispositivo llamado “calorímetro de bomba”.
El contenido promedio de energía metabolizable de los 3 grupos básicos es de
4.2MJ/Kg para carbohidratos, 8.4MJ/Kg para proteínas y 33.1MJ/Kg para grasas.
Generalmente este contenido energético se expresa en Calorías (Cal). Una Cal es
igual a 1000 calorías, que es igual a una kilocaloría; todo esto equivale a
4.1808KJ. Las necesidades calóricas diarias de las personas varían según sexo y
edad, aunque también influyen otros factores como peso corporal, composición del
cuerpo, etc. Un hombre en promedio requiere entre 2400 y 2700 Cal. al día; una
mujer promedio va desde 1800 a 2200 Cal. al día. Como se ha visto, para que
estos requerimientos energéticos sean satisfechos, en nuestro organismo deben
ocurrir miles de procesos; inclusive en reposo nuestro cuerpo disipa algo energía.
Por estas razones la termodinámica tiene (aunque pequeña) un área de interés en
estos aspectos biológicos y como influyen en nuestro desarrollo diario. Estos
procesos no son fáciles de analizar, pero su atractivo intelectual hace de estos, un
muy interesante tema de estudio dentro de la termodinámica.
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