5. Обмен энергии

Прямая и непрямая калориметрия

Обмен веществ и энергии по существу единый процесс. В итоге сложных превращений, совершающихся в организме, образуется тепло.

Количество энергии, выделяемой организмом за определенный промежуток времени, выражают в единицах тепла - джоулях. Определить количество освобождающейся в организме энергии можно методами прямой и непрямой калориметрии.

Прямую калориметрию производят с помощью специальных аппаратов - калориметрических камер (рис. 59).

В камере стенки не проводят тепло. По потолку камеры проходит система трубок с водой. Человека или животное 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 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 различных видах деятельности человека (езда на велосипеде, работа у доменной печи и др.).

Проще производить расчеты расхода энергии методом непрямой калориметрии.

Рис. 59. Схема калориметра. Продуцируемое организмом человека тепло измеряют 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)

Рис. 60. Определение газообмена с помощью мешка Дугласа

Источником энергии в организме служат окислительные процессы, при которых потребляется кислород и выделяется 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 тепла, отдаваемого 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 выделенного углекислого газа пользуются различными приспособлениями. В производственных и учебных условиях для этой цели используют маски.

Маска через систему клапанов соединяется с мешком из воздухонепроницаемой ткани (рис. 60), 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 углекислого газа. Зная состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, можно рассчитать количество поглощенного кислорода и выдохнутого углекислого газа.

Поглощаемый организмом кислород идет на окисление белков, жиров и углеводов. Для окисления 1 г белков, жиров или углеводов требуется разное количество кислорода, а следовательно, при этом освобождается и разное количество энергии (табл. 14).

Таблица 14. Образование энергии при окислении веществ в организме

Из таблицы 14 видно, что потребление 1 л кислорода и выделение 1 л углекислого газа сопровождаются образованием определенного количества энергии. Однако при этом необходимо знать, какие вещества - белки, жиры или углеводы - окислились в организме. Для этого определяют величину дыхательного коэффициента.

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 уравнением:

Из уравнения видно, что при окислении глюкозы число молекул образовавшегося углекислого газа и поглощенного кислорода равно. Следовательно, дыхательный коэффициент при окислении углеводов равен единице:

В молекуле жира мало внутримолекулярного кислорода, поэтому на окисление ее требуется больше кислорода. Дыхательный коэффициент в этом случае меньше 1. При окислении белков дыхательный коэффициент равен 0,8. При смешанной пище, которую обычно употребляет человек, дыхательный коэффициент колеблется от 0,85 до 0,9.

При окислении белков, жиров и углеводов (при потреблении 1 л кислорода) освобождается разное количество энергии. Следовательно, при разном дыхательном коэффициенте количество освобождающей энергии при поглощении 1 л кислорода будет различным. Эта зависимость видна из таблицы 15.

Зная величину газообмена, можно вычислить расход энергии в организме. Поступают при этом так.

Таблица 15. Зависимость количества энергии, освобождающейся при окислении, от величины дыхательного коэффициента

По количеству потребленного кислорода и выделенного углекислого газа определяют дыхательный коэффициент. Затем по таблицам устанавливают количество тепла, образующегося 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, отданной человеком за определенное время.

Метод назван непрямой калориметрией, потому что о количестве энергии, выделенной организмом, мы 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. Идут процессы обмена в клетках, поддерживается постоянная температура тела.

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 4186 дж на 1 кг массы в 1 ч. В среднем это 7 140 000-7 560 000 дж в сутки.

Для каждого человека величина основного обмена относительно постоянна.

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 энергии 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 энергию основного обмена. При беге, подъеме по лестнице затраты энергии в три-четыре раза превышают основной обмен.

У мальчиков расход энергии обычно выше, чем у девочек. 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.