Exergy destruction and entropy generation in the skeletal and cardiac muscles, lifespan entropy generation by the masseter muscles during chewing and its use as an indicator of the life expectancy

Abstract

Yaşam süresi entropi kavramı, organizmaların ömürleri boyunca sınırlı entropi üretimi kapasitesine sahip olduklarını ve bu sınıra eriştiklerinde öleceklerini öne sürmektedir. Gıdalarını Institute of Medicine (USA) 'in rehberliği eşliğinde tüketen bir bireyin çiğneme kasları, 76 yıllık beklenilen yaşam süresi boyunca gıdalarını çiğnerken, yaklaşık olarak 1 x 105 J/K entropi üretmektedir. Yüzde 10 daha fazla besin alan obez bir kişinin çiğneme kasları, aynı entropiyi yaklaşık 5 yıl daha erken üretmektedir. Kas işinin, ikinci kanun verimliliği arttıkça, kumulatif entropi üretimi azalmaktadır. Bu çalışmanın sonuçları, yaşam süresi entropi kavramının birey kas seviyesinde bile doğru olabileceğini ve kişinin ortalama yaşama süresini tahmin etmek için kullanılabileceğini göstermektedir. Literatürdeki deneysel veriler, sağlık problemlerinin tanımlanmasında, klasik tıbbi çalışmaların ötesinde ek bilgi elde etmek amacıyla, iskelet ve kalp kası iş performansının termodinamik analizlerini gerçekleştirmek için kullanılmıştır. Kas iş verimliliği, metabolik veya yapısal bozulma ya da yaşlanmayla birlikte, mitokondrideki metabolik enerji dönüşümünün azalması sonucu düşmektedir. Mitokondriyal enerji üretiminin azalması, kas yapısının daha da bozulmasına neden olur ve bu da kas iş verimliliğinin daha da azalmasına sebep olmaktadır. Kaslardaki ekserji kaybı ve entropi üretimi, daha yüksek iş üretimi girişimi karşısında artış göstermektedir. Termodinamik açıdan bakıldığında kalp, kanı pompalarken, tüketilen enerjinin bir kısmını harici bir güce dönüştüren bir makine olarak görülebilir. Kalp kasının kasılması sırasında, kullanılan kimyasal enerjinin çoğu ısıya ve çok daha az bir kısmı işe dönüşmektedir. İş ve kimyasal enerji tüketiminin oranına, kardiyak kasılma verimliliği veya esasında kalp verimliliği denmektedir.

The lifespan entropy concept suggests that the organisms may have a limited capacity of lifespan entropy generation when they reach to that limit they die. The masseter muscles of a subject who is consuming food along the guide lines of Institute of Medicine (USA) may generate almost 1 x 105 J/K of entropy while chewing his food during his 76 years of expected life time. The masseter muscles of an obese person, who uptakes 10 per cent more nutrients generates the same entropy about five years earlier. The cumulative entropy generation decreases as the second law efficiency of the muscle work rises. The results of this study imply that the concept of the lifespan entropy may be correct even at the individual muscle level, and may be employed to estimate the life expectancy of a person. Experimental data from the literature are employed to carry out thermodynamic analyses of the skeletal and cardiac muscle work performance to obtain additional information beyond what the classical medical studies may offer in description of the health problems. The muscle work efficiency decreases as a result of the reduction of the metabolic energy conversion in the mitochondria with metabolic or structural failure or aging. The reduction of the mitochondrial energy generation causes further deterioration of the muscle structure, which causes in turn further decline in the muscle work efficiency. Exergy loss and entropy generation in the muscles increase as a response to the attempts to higher work production. From the thermodynamic perspective, heart can be regarded as a machine that converts part of the consumed power in external power when it pumps blood. In the course of the contraction of the heart muscle, most of the utilized chemical energy transforms into heat and a much lesser portion turns out to be work. The ratio of the work and the chemical energy expenditure is called efficiency of the cardiac contraction, or basically heart efficiency.