ОБМЕН ЭНЕРГИИ У ЧЕЛОВЕКА
Образование и расход энергии организмом человека
Обмен веществ и обмен энергии являются по существу единым процессом. Они неотделимы друг от друга, так как не бывает обмена веществ без изменения энергии и не может
быть обмена энергии без обмена веществ. Только с целью облегчения изучения эти два столь тесно связанных между собой процесса искусственно разделяются и изучаются отдельно. Однако при изучении всегда надо помнить о единстве этих двух процессов. При окислении питательных веществ содержащаяся в них энергия освобождается и используется организмом.
Энергия не может зарождаться или исчезать, она только видоизменяется. Механическая энергия может превратиться в тепловую или, наоборот, тепловая энергия при известных условиях может превратиться в механическую, электрическая — в тепловую и т. д.
Энергия, которая освобождается при процессах окисления, используется организмом в виде химической, тепловой, механической, электрической и лучистой энергии. Часть освободившейся энергии в виде химической энергии используется организмом
на процессы синтеза. Наибольшая часть освободившейся энергии используется как тепловая, и только 1/4 переходит в механическую энергию. В электрическую и лучистую энергию превращается незначительная часть освободившейся энергии.
Так, например, мышцы, сокращаясь, могут производить довольно значительную механическую работу, однако израсходованная при этом энергия передается в окружающую среду в виде тепловой энергии. Сердце, сокращаясь, придает крови поступательное движение, и кровь, получив эту механическую энергию, под большим давлением устремляется по сосудам. Однако по мере протекания крови механическая энергия теряется и давление падает.
Механическая энергия, приданная крови сокращением сердечной мышцы, тратится на преодоление трения, в результате чего, эта энергия превращается в тепловую и в таком виде отдается во внешнюю среду. Таким образом, все виды энергии в конечном итоге отдаются в окружающую среду преимущественно в виде тепловой энергии.
Чтобы иметь представление о количестве затраченной организмом энергии, достаточно измерить количество тепла, которое отдается во внешнюю среду.
Тепловая энергия измеряется калориями. Большой калорией называется то количество тепла, которое необходимо, чтобы нагреть 1000 г воды на 1°, а малой калорией— то количество тепла, которое необходимо, чтобы нагреть 1 г воды на 1°.
Методы измерения затрат энергии
Для измерения количества затраченной организмом энергии применяют прямую и непрямую калориметрию.
Прямая калориметрия
Заключается в том, что учитывается количество тепловой энергии, которую человек отдает в окружающую среду. Для этой цели человека помещают в камеру, стенки которой не проводят тепло. По потолку проходит система трубок с проточной водой. Измеряют температуру втекающей и вытекающей воды; зная разность температуры и количество протекшей воды, определяют количество калорий, которые были выделены организмом и пошли на нагревание воды.
Такие камеры делают, иногда довольно значительных размеров, так что человек может там даже производить работу.
Это дает возможность определить затрату энергии при разных видах работы. Однако подобные камеры громоздки, сложны и не получили широкого распространения. Поэтому для определения затраты энергии применяется более простой способ — непрямая калориметрия.
Непрямая калориметрия
Является наиболее простым и доступным методом определения затраченной энергии.
Метод основан на исследовании газообмена, т. е. на определении количества поглощаемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа.
Для этой цели человек берет в рот специальный мундштук (загубник) или ему на лицо надевают специальную маску. Загубник или маска соединены с мешком из прорезиненной ткани. Система клапанов, которые имеет загубник или маска, устроена так, что исследуемый вдыхает атмосферный воздух, а выдыхает его в мешок. В такой мешок собирают выдыхаемый воздух в течение некоторого времени, обычно в течение 5 минут. Затем из мешка берут пробу воздуха (100— 200 мл), в котором при помощи специального прибора — газоанализатора, определяют количество кислорода и углекислого газа. Пропуская содержимое мешка через газовые часы, определяют объем выдохнутого воздуха в течение 5 минут. Зная объем выдохнутого воздуха в течение 5 минут, можно рассчитать количество выдыхаемого воздуха в течение часа или суток. Зная состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, можно рассчитать количество поглощенного кислорода и выдохнутого углекислого газа, что даст возможность установить при дальнейших расчетах количество затраченной человеком энергии.
Дыхательный коэффициент
После определения количества поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа определяют дыхательный коэффициент.
Дыхательным коэффициентом называется отношение объема выдохнутого углекислого газа к объему поглощенного кислорода, т. е.
СО2 : O2
Величина дыхательного коэффициента при употреблении разных пищевых веществ различна. Так, дыхательный коэффициент при окислении углеводов рамен 1,0, при окислении белков — 0,8, а при окислении жиров — 0,7.
Расчет дыхательного коэффициента рассмотрим на примере углевода:
С6Н 12О6+6O2=6СO2 +6Н2O
Для окисления одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул кислорода; в результате окисления образуется 6 молекул СO2 и 6 молекул Н2O. Отсюда: 6СО2 : 6O2
При смешанной пище, которую обычно употребляет человек, дыхательный коэффициент колеблется в пределах 0,85—0,9.
При окислении белков, жиров и углеводов при поглощении 1 л кислорода будет освобождаться разное количество энергии. Следовательно, при разном дыхательном коэффициенте количество освобождающихся калорий при поглощении 1 л кислорода будет различным.
Эта зависимость между дыхательным коэффициентом и количеством энергии, которая образуется при поглощении 1 л кислорода, видна из табл.
ТАБЛИЦА
| Дыхательный коэффициент | 0,70 | 0,75 | 0,80 | 0,85 | 0,90 | 0,95 | 1,0 |
| Количество больших калорий, образующееся
при поглощении 1 л кислорода |
4,686 | 4,739 | 4,801 | 4,863 | 4.924 | 4,985 | 5,047 |
Определение расхода энергии по газообмену
Определив, как было описано выше, количество потребленного кислорода и выдохнутого углекислого газа, узнают дыхательный коэффициент. Установив величину дыхательного коэффициента, выясняют по таблице, сколько калорий образуется при потреблении 1 л кислорода при данном дыхательном коэффициенте. Найденное число умножают на количество литров потребленного кислорода. Полученная цифра показывает количество образовавшейся теплоты при данном дыхательном коэффициенте за определенное время.
Поясним это примером. Допустим, что испытуемый человек за 5 минут вдохнул 1500 мл кислорода и выдохнул 1275 мл углекислого газа. Дыхательный коэффициент у него будет 1275 : 1500 = 0,85. Количество энергии, которое освобождается при потреблении 1 .л кислорода при дыхательном коэффициенте 0,85, равно 4,863 большой калории. За 5 минут испытуемый вдохнул 1500 мл (1,5 л); следовательно, энергии образовалось 4,863×1,5 = 7,29 большой калории. Таким образом, за 5 минут израсходовано 7,29, за час — 7,29X12 = 87,48 и за сутки — 87,48X24 = 2099,52 большой калории.
Статья на тему Обмен энергии у человека