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2019年7月21日

2019年07月21日

【定説】生物のエネルギー源ATPと熱・体温

生物のエネルギー源と言われるATPと熱(体温)の関係はどうなっているのか?
ここでは定説を紹介する。
「エネルギー代謝とミトコンドリア機能II .ATP 産生と熱産生、そして TCA サイクル複合酵素の構造」田中 信行鹿児島大学名誉教授・大勝病院顧問から転載。

我々は筋肉や心臓の活動、神経、肝、腎機能等の維持のために、ATP という「化学エネルギー」と 37 度の体温を維持する「熱エネルギー」も産生している。1 日の必要エネルギー 2400カロリーと言うとき、それは ATP エネルギーと熱エネルギー、いずれのことだろうか。

全ての生物のエネルギー源は、植物の葉緑体が太陽の光エネルギーを用いて炭酸ガスと水を糖や脂肪等の化学結合エネルギーとして固定したものである。それ故に太陽と植物は「全ての生命の母」である。そこには光(電磁波)エネルギーを糖や脂質、そして ATP という化学エネルギーに変換し、更に体温維持の熱(赤外線)エネルギーにするという量子論的転換がある。つまり我々は食物から、ATP という「化学エネルギー」と体温という「熱エネルギー」の二つのエネルギーを得ているように見えるが、両者はどんな関係にあるのだろうか。

解糖系やミトコンドリアの TCA サイクルは糖や脂肪をCO2と H2O に分解するが、その過程で生じたNADH2、あるいは FADH2等の水素は電子を失って H+となる。その電子は CoQ からチトクローム b、c、a という「電子伝達鎖」を経て酸素に渡され、2H++ O- -→ H2O となる。この水素イオン、電子の濃度勾配を利用して「ATP合成酵素」により ATP が作られる。
最終的な電子受容体は酸素であり、これが酸素がないと電子伝達鎖、そしてATP 合成も止まり死に至る理由である。

しかし ATP 合成に流れる電子エネルギーは約 40%で、残りは脱共役回路で直接熱になる。生命とは「熱力学第 2 法則」、すなわち拡散・無秩序(エントロピー増大)への流れに抗して、ATP エネルギーで分子を結合し、イオン濃度勾配を維持することである。一方、ATP消費と熱産生は表裏一体で、ATP 分解時のエネルギーの 75%は熱となり、残りが分子流動や他の物体の移動等の力学的エネルギーとなるが、最後は分子相互や地面、空気との摩擦熱となって放散する。

摂取した 2400 カロリーのエネルギーの40%はATP を経て、60%は脱共役回路で、最終的には全て熱になり、これが ATP としての「生命活動」と「体温の維持」という 2 つの活動ができる理由である。糖や脂肪は完全に炭酸ガスと水になり、その結合エネルギーはすべて熱になり、「物質不滅の法則」も「エネルギー保存の法則」も完全に保たれる。太陽の光エネルギーが植物の糖や脂肪の合成、そして ATP への変換を経て我々の生命活動と体温を維持し、最後は全て熱として宇宙に拡散するというエネルギーの流れである。

一日の 2400 カロリーとはどの程度のエネルギーか?
糖質 1g の熱量4Cal(4000cal)は、水1mlを4000℃、あるいは水1000ml(1kg)の温度を 4℃上げる熱量である。2400Cal はその 600 倍、つまり水と類似の 60kg の人の体温を 40℃上げる熱量であるが、元々の体温が 36℃あるため、その熱は体から放散される熱の補充、つまり体温維持に使われることになる。因みに 2400Cal は糖質なら 600g、脂肪なら267g に相当するが、灯油 1g の熱発生量は10Cal なので、我々は 1 日 240g の灯油を消費するエンジン、又はヒーターである。ATP 合成に回るエネルギーは前述の様に約 40%(960カロリー)であり、ATP(MW=507)の発生エネルギー 16Cal/ モルから 960Cal/16Cal = 60モル=30420g、すなわち「1 日約 30kg」と言う大量の ATP に相当し、TCA サイクルや ATP合成酵素の活発な活動が理解される。

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2019年07月21日

運動中は無酸素呼吸の変温動物(両生類・爬虫類)と、運動中でも酸素呼吸する恒温動物(哺乳類)

未解明だが、恒温動物が統合系の電磁波エネルギーを分散系の赤外線エネルギーの転換する仕組みがあるはずである。
その仕組みと関連しているかもしれないが、変温動物(両生類・爬虫類)は運動中は呼吸できないので解糖系の無酸素呼吸によってATPを産生しているが、恒温動物(哺乳類)は運動中でも酸素呼吸によってATPを産生できるらしい。
解糖系無酸素呼吸ではブドウ糖1からATP2しかできないのに対して、酸素呼吸ではATP38ができる。ATPの産生効率が19倍も高いので哺乳類は長時間の運動が可能になったという説である。

「脊椎動物の陸上移動とエネルギー代謝」山岸 弦記、朴 民根(東京大学 生体情報学研究室)より転載。

両生類と爬虫類は陸上を生活空間として活用するが、そこでの移動能力は決して高くない。これらの動物群は最大でも10 km程度しか移動せず、同じ陸生脊椎動物でありながら数千kmを移動する哺乳類や鳥類とは対照的である。この理由の少なくとも一部は、脚の構造にあるようだ。両生類や爬虫類は上腕と前腕、大腿と下腿がそれぞれ90度で関節し、「がに股」の姿勢をとる。この姿勢では運動中に体幹がくねって肺を圧迫するため、呼吸を続けることができない。

そのため、「がに股」動物は運動中のATP供給を無酸素下で反応が進行する解糖系に頼っている。しかし、解糖系はATP産生効率が低く、短時間で基質(グルコース)を使い果たすため、運動の持続性に乏しい。

ただし、現生の両生類のうち無尾類にはこの状況への挑戦がみられる。無尾類の多くは強力な後肢で跳躍し、一動作あたりの移動距離を稼いでいる(跳躍型)。このため、跳躍型の後肢は解糖系酵素の活性が高く、収縮速度が大きい骨格筋繊維で占められている。また、ヒキガエルなどは呼吸に干渉しない速度で歩き続ける(歩行型)。このような種の後肢はクエン酸回路の酵素活性が高く、持続性に優れた骨格筋で構成されている。

「がに股」動物とは対照的に、直立姿勢をとる哺乳類と鳥類は運動中も体幹をまっすぐに保つ。そのため運動と呼吸が両立し、好気呼吸によるATP産生を利用できる。好気呼吸のATP産生効率は解糖系の15倍以上に達するため、長時間の運動が可能となる。運動の持続性をさらに向上する仕組みとして、哺乳類には乳酸シャトルが存在する。解糖系の副産物である乳酸は、骨格筋に蓄積するとATP産生を阻害する。そこで哺乳類は、骨格筋(特に解糖系の活性が高い繊維)から乳酸を血中に放出し、遅筋や心臓、肝臓でピルビン酸に変換する。遅筋と心臓はピルビン酸を自身の好気呼吸に用いる。一方、肝臓はピルビン酸を基質として糖新生を行い、グルコースに変換して血中放出する。放出されたグルコースを骨格筋が取り込み、ATP産生に利用することで運動の持続性が確保される。

興味深いことに、哺乳類では血中の乳酸が情報伝達物質としてはたらき、ホルモン分泌やエネルギー代謝を制御することが報告されている。この仕組みは、乳酸シャトルにより血中の乳酸濃度が生理状態を反映するようになったことで獲得されたのかもしれない。そうであれば、歩行姿勢という「外側」の変化が、運動能力の向上を通じて内分泌制御という「内側」の変革を迫った例として、生物の進化・適応に内分泌現象からアプローチするうえで興味深いテーマである。残念ながら、乳酸による情報伝達が脊椎動物でどのように獲得されたのかは定かでない。今後このテーマに迫るには、「がに股」動物で乳酸の生理作用を検証する必要があるだろう。

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2019年07月21日

【仮説】恒温動物は、秩序系の電磁波を分散系の赤外線に転換している

恒温動物の仕組みを解明する前提として、熱や温度とは何か?
熱を生み出す電磁波として赤外線があるが、物理学の定説では、次のように説明されている。

絶対零度(-273℃)より温度が高いものは赤外線を発する。つまり、地球上の全ての物体は、赤外線を発している。
電磁波の一種である赤外線は、それ自身は熱のエネルギーではなく、可視光線より長い波長を特った光のエネルギーである。

物質を構成する分子は、物質自体が持っている温度に応じた分子運動(熱運動)を行う。この運動(振動)に一致した電磁波を投入すると、電磁波のエネルギーが分子の運動を増幅させ、物質の温度が上昇する。
光源から赤外線が放射されると、被加熱物において反射・吸収・透過という三つのエネルギーに分けられ、その中で、被加熱物に共振吸収されたエネルギーが分子の運動(振動)を誘発し、振動させられた物質間ではその摩擦より熱が発生する。これが赤外線加熱の原理とされている。

赤外線の概要 赤外線加熱 | 赤外線加熱 | 岩崎電気

それに対して、佐野千遥氏は、赤外線とは方向性を失った電磁波であるとしている。
※秩序レベル(方向性、構造)が高い物は低温であり、秩序レベルが低い物(構造が崩壊し、方向性を失った物)は高温。

「光速電子放射線治療だけは圧倒的善を成す物理学的理由1:ロシア科学院スミルノフ学派Dr佐野千遥」第2章:熱とは何か?温度とは何か?現代熱力学の誤りを正す

熱とは元々方向性を持ったエネルギーが細分化しそれぞれ違った方向に向けられ、総体として方向性を失った形態のエネルギーの事であり、実際の物質世界においては電子が振動すると電磁波を発するその仕組みにより、初めの方向性を持ったエネルギーの衝突の衝撃が電子を約3万ギガ・ヘルツの振動数で振動させあらゆる方向の赤外線、つまり総体として方向性を失った赤外線エネルギーへと変換されたものが熱エネルギーである。

温度とは秩序レベル(方向性、構造)が高い物は低温であり、秩序レベルが低い物(構造が崩壊し、方向性を失った物)は高温である。よって、構造が崩壊する、またはエネルギーの方向性が失われる、又は方向性を失った形態のエネルギーである熱エネルギーがやって来る、または発生すると温度が上がる。

そして方向性を持ったエネルギーが方向性を失った熱エネルギーへと変換される過程はエントロピー増大過程である。自然の過程の中に時間の進むに連れてこの方向性を失った熱エネルギーへの変換過程=エントロピー増大過程が有る事は否定できないが、ニュートンの動的作用反作用の法則F1 * v1 = – F2 * v2に見られるように、エントロピー増大が全てではない。

よって宇宙の外面、内面に向かったフラクタル分割の過程の結果、高度に秩序だった構造を持つに至った原子核が極低温である事実とそのスミルノフ学派による論証が、この熱・温度の定義と矛盾無く相符合する(ところが「正統派」現代量子核物理学と素粒子論は、原子核内をフェルミ統計、ボーズ統計のように方向性の無い混沌とした世界としており、上記熱・温度の定義より、原子核内が極高温であると導かれる事となり、現実の極低温と大きく矛盾する)。

具体的に気体の熱力学を古典に立ち戻って考察して見よう。
ボイル・シャルルの法則p * V = R * T (pは気圧、Vは体積、Rは気体定数、Tは絶対温度)

左辺は体積Vを断面積Sと長さXの積と考えると、p * S = F力となり、F * Xは方向性を持った仕事=方向性を持ったエネルギーである事が分かる。ところが右辺は方向性を失った温度、言い換えると方向性を失った熱エネルギーとなってしまっている。

熱エネルギーとは方向性を失っているために最も利用価値の少ない、「つまらない」エネルギーである。

しかしこの「つまらない」エネルギーも、その熱により湯を沸かし或る噴出孔から方向性を以って噴射されるとタービンを回す運動エネルギーに変換できる事が近世の産業革命の口火となった蒸気機関の発明である。この過程を物理学的に厳密に見ると、噴出孔から方向性を以って勢いよく(速度v1で)噴射される水蒸気はタービンの羽に当たる瞬間、速度(v2)へと大きく減じる過程で F1 * v1 = – F2 * v2の|v1|>|v2|だから|F1|<|F2|つまりエネルギーの集中=エントロピー減少が起こっているから、方向性を持ったエネルギー=運動エネルギーへの変換が可能となっている事がわかる。それでも噴出孔から勢いよく(速度v1で)噴射される水蒸気が或る方向性に纏められる過程で相当なエネルギーのロスが生じる。つまりエントロピー増大で熱エネルギーとなり、その相当部分がロスされた残りがエントロピー減少で運動エネルギーになるだけだから、熱エネルギーは「つまらない」エネルギーと言ったわけです。
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哺乳類は爬虫類等から寒冷地へと逃げ延びた。寒冷地で適応するために、体内の熱生産によって高い体温を恒常的に維持する恒温動物となった。
そこで、体内で熱生産するために統合系の電磁波エネルギーを分散系の電磁波である赤外線に転換したと考えられる。換言すれば、恒温動物は体内で熱生産するために、あえてエントロピーを増大させたということになる。

電磁波の波長(周波数)を変えることは簡単である。
例えば、白色光を赤色フィルターを通すだけで、波長(周波数)が変わり赤色光になる。

未解明だが、恒温動物が統合系の電磁波エネルギーを分散系の赤外線エネルギーの転換する仕組みがあるはずである。

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