Обмен энергии организма
Прямая и непрямая калориметрия. Обмен веществ и энергии, по существу, единый процесс. В итоге сложных превращений, совершающихся в организме, образуется тепло.
Определить количество освобождающейся в организме энергии можно методами прямой и непрямой калориметрии.
Рис. 103. Схема калориметра.
Продуцируемое организмом человека тепло измеряется с помощью термометров 1 и 2 по нагреванию воды, протекающей по трубам в камере 4. Количество протекающей воды измеряют в баке 3. Через окно 5 подают пищу и удаляют экскременты. Посредством насоса 6 воздух извлекают из камеры и прогоняют через баки с серной кислотой (7 и 9) для поглощения воды и с натронной известью (8) для поглощения углекислого газа. Кислород подают в камеру из баллона 10 через газовые часы 11. Давление воздуха в камере поддерживают на постоянном уровне посредством сосуда с резиновой мембраной (12)
Прямую калориметрию производят с помощью специальных аппаратов — калориметрических камер (рис. 103).
Вкамере стенки не проводят тепло. По потолку камеры проходит система трубок с водой. Человека на определенное время помещают в такую камеру. Тепло, выделяемое организмом, нагревает воду в системе трубок. Измеряют температуру поступающей и вытекающей из камеры воды; определяют разность температур и количество протекшей воды. Это дает возможность прямо получить данные о количестве энергии, выделенной организмом в единицу времени.
Показатели, полученные методом прямой калориметрии, точные. Но метод этот весьма сложен, громоздок, а главное — не дает возможности измерять энергетические затраты организма при любых видах деятельности человека (езда на велосипеде^ работа у доменной печи и др.).
Проще производить расчеты расхода энергии методом непрямой калориметрии. Источником энергии в организме служат окислительные процессы, при которых потребляется кислород и образуется углекислый газ. Чем больше организм освобождает, энергии, тем интенсивнее в нем идут окислительные процессы. Следовательно, тем больше организм потребляет кислорода и выделяет углекислого газа. Поэтому об энергетических процессах в организме можно судить не только по количеству энергии, отдаваемой в окружающую среду, как это делают при прямой калориметрии, но и по количеству поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, т. е. по величине газообмена.
Для определения количества поглощенного кислорода и выделившегося углекислого газа пользуются различными приспособлениями. В производственных и учебных условиях для этой цели используют маски. Маска через систему клапанов соединена с мешком из воздухонепроницаемой ткани (рис. 104), укрепляемым на теле испытуемого. Клапаны дают возможность свободно вдыхать атмосферный воздух, а выдыхаемый воздух направляется в мешок. Выдохнутый воздух из мешка пропускают через газовые часы для определения его объема, а затем химическим путем определяют в нем процентное содержание кислорода и углекислоты.
Поглощаемый организмом кислород идет на окисление белков, жиров и углеводов. Для окисления 1 г белка, жира или углеводов требуется разное количество кислорода, а следовательно, при этом освобождается и разное количество энергии (табл. 19).
Таблица 19
Образование энергии при окислении веществ в организме
| Вещества, окисляющиеся в организме | При окислении 1 г питательных веществ | Количество освобождающейся
энергии (в Дж) |
||
| потребляется кислорода (в л) | выделяется углекислого газа (в л) | при потреблении 1 л кислорода | при выделении 1 л
углекислого газа |
|
| Белки
Жиры |
0,970
2,030 0,830 |
0,829
1,431 0,829 |
18,6
19,8 21,1 |
23,8
27,8 21,1 |
Из таблицы видно, что потребление 1 л кислорода и выделение 1 л углекислого газа сопровождается образованием определенного количества энергии. Однако при этом необходимо знать, какие вещества—белки, жиры или углеводы — окислялись в организме. Для этого определяют величину дыхательного коэффициента.
Рис. 104. Определение газообмена с помощью мешка Дугласа.
Дыхательным коэффициентом называют отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему поглощенного кислорода. Дыхательный коэффициент различен при окислении белков, жиров и углеводов. Окисление углеводов (глюкозы, например) можно выразить формулой
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О
Из уравнения видно, что при окислении глюкозы числа молекул образовавшегося углекислого газа и поглощенного кислорода равны. Следовательно, дыхательный коэффициент при окислении углеводов равен единице ( 6СО2 : 6О2 = 1)
В молекуле жира мало внутримолекулярного кислорода, поэтому на окисление ее требуется больше кислорода. Дыхательный коэффициент в этом случае меньше 1 (0,7). При окислении белков дыхательный коэффициент равен 0,8. При смешанной пище, которую обычно употребляет человек, дыхательный коэффициент составляет 0,85—0,9.
При окислении белков, жиров и углеводов (при потребления 1 л кислорода) освобождается разное количество энергии. Следовательно, при разном дыхательном коэффициенте количество освобождающейся энергии при поглощении 1 л кислорода будет различным.
Эта зависимость видна из таблицы 20.
Таблица 20
Зависимость количества энергии, освобождаемой при окислении, от величины дыхательного коэффициента
| Дыхательный коэффициент | 0,7 | 0,75 | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,95 | 1,0 |
| Количество энергии, образующейся при поглощении I л кислорода, в Дж | 19,6 | 2
19,8 |
20,1 | 20,3 | 20,6 | 20,8 | 21,1 |
Зная величину газообмена, можно вычислить расход энергии в организме. Поступают при этом так.
По количеству потребленного кислорода и выделившегося углекислого газа определяют дыхательный коэффициент. Затем по таблицам устанавливают количество энергии, образующейся при поглощении 1 л кислорода (или при выделении 1 л углекислого газа) при данном дыхательном коэффициенте. Полученную величину умножают на количество литров поглощенного кислорода. Таким образом определяют количество энергии, выделенной человеком за определенное время.
Метод назван непрямой калориметрией потому, что мы о количестве энергии; выделенной организмом, судим по количеству поглощенного кислорода (или выделившегося углекислого газа) в единицу времени.
Основной обмен. Даже в условиях полного покоя человек расходует некоторое количество энергии. В организме непрерывно тратится энергия на физиологические процессы, которые не останавливаются ни на минуту.
Минимальный для организма уровень обмена веществ и энергетических затрат называют основным обменом. Основной обмен определяют у человека в состоянии мышечного покоя — лежа, натощак, т. е. через 12—16 ч после еды, при температуре окружающей среды 18—20°С (температура комфорта). У человека среднего возраста основной обмен составляет 4187 Дж на 1 кг массы в 1 ч. В среднем это 7 140000—7560000 Дж в сутки. Для каждого человека величина основного обмена относительно постоянна.
Основной обмен у детей интенсивнее, чем у взрослых, так как на единицу массы у них приходится относительно большая поверхность тела, чем у взрослого человека. Значительно преобладают также процессы ассимиляции над процессами диссимиляции.
Энергетические затраты на рост тем больше, чем моложе ребенок. Так, расход энергии, связанный с ростом, в возрасте трех месяцев составляет 36%, в возрасте шести месяцев—26%, девяти месяцев—21% общей калорийности пищи.
Колебания основного обмена и большая его интенсивность в младшем возрасте ясно выражены при расчете как на единицу массы, так и на единицу поверхности (табл. 21).
Таблица 21
Изменение основного обмена у детей
| Возраст | Величина основного обмена (в Дж) | |||
| на 1 кг | массы | на 1 м2 поверхности | ||
| мальчики | девочки | мальчики | девочки | |
| 8 | 240660 | 200 340 | 6 190 800 | 5 106 400 |
| 9 | 220080 | 189000 | 5 821 200 | 5019000 |
| 10 | 201 600 | 180600 | 5 392 800 | 4 893 000 |
| 11 | 202020 | 186060 | 5 586 000 | 4 118 800 |
| 12 | 173 640 | 169 260 | 5103000 | 4 946 800 |
| 13 14 | 163800 | 151 200 | 4 851 000 | 4 557 000 |
| 166480 | 142 800 | 4 909 800 | 4510 000 | |
| 15 | 151 200 | 132 300 | 4 799 000 | 4 477 200 |
| 16 | 140280 | 115 500 | 4 897 000 | 4 054 200 |
| 17 | 129 360 | 113 400 | 4 968 600 | 3 864 000 |
| 18 | 118 020 | 106260 | 4 835 200 | 3 604 400 |
Основной обмен на 1 кг массы у взрослого человека составляет 96600 Дж. Таким образом, у детей 8—10 лет основной обмен в 2—2,5 раза выше, чем у взрослых.
Величина основного обмена у девочек несколько ниже, чем у мальчиков. Это различие начинает проявляться уже во второй половине первого года жизни.
Выполняемая работа у мальчиков влечет более высокий расход энергии, чем у девочек.
Определение величины основного обмена часто имеет диагностическое значение. Повышается основной обмен при избыточной функции щитовидной железы и некоторых других заболеваниях. При недостаточности функции щитовидной железы, гипофиза, половых желез основной обмен снижается.
Расход энергии при мышечной деятельности
Чем тяжелее мышечная работа, тем больше энергии тратит человек. У школьников подготовка к уроку, урок в школе требуют энергий на 20—50% выше, чем энергия основного обмена.
При лабораторных занятиях, ручном труде, несложной гимнастике, играх средней подвижности затраты энергии на 75— 125% превышают величины основного обмена.
При ходьбе затраты энергии на 150—170% превышают основной обмен. При беге, подъеме по лестнице затраты энергии в 3—4 раза превышают основной обмен.
Тренировка организма значительно сокращает расход энергии на выполняемую работу. Это связано с уменьшением числа мышц, принимающих участие в работе, а также с изменениями дыхания и кровообращения.
При механизации труда в сельском хозяйстве и промышленности, внедрении машинной техники снижаются затраты энергии работающими людьми. При умственном труде энергетические затраты ниже, чем при физическом.
У людей разных профессий затраты энергии различны.
Статья на тему Обмен энергии организма