§ 7. Обмен энергии

Французский физиолог Клод Бернар утверждал, что живой организм и внешняя среда образуют единую систему, поскольку между ними происходит непрерывный обмен веществами и энергией. Богатые энергией питательные вещества усваиваются и химически преобразуются, а конечные продукты обмена веществ, с более низким содержанием энергии, выделяются из клетки.

В организме должен поддерживаться энергетический баланс поступления и расхода энергии. В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Энергия расходуется не только на поддержание температуры тела и выполнение работы, но и на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития организма.

Теплообразование в организме имеет двухфазный характер. При окислении белков, жиров и углеводов одна часть энергии используется для синтеза АТФ, другая превращается в теплоту.

Теплота, выделяющаяся непосредственно при окислении питательных веществ, является первичной теплотой. Обычно на этом этапе большая часть энергии превращается в тепло (первичная теплота), а меньшая используется на синтез АТФ и вновь аккумулируется в ее макроэргических связях. Так, при окислении углеводов 22,7 % энергии химических связей глюкозы в процессе окисления используется на синтез АТФ, а 77,3 % в форме первичной теплоты рассеивается в тканях.

Аккумулированная в АТФ энергия используется в дальнейшем для механической работы, химических, транспортных, электрических процессов и, в конечном счете, тоже превращается в теплоту, обозначаемую вторичной теплотой. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражена в единицах тепла – калориях или джоулях.

Все процессы, генерирующие энергию и требующие участия молекулярного кислорода, образуют систему аэробного обмена. Генерация энергии без участия кислорода, при котором происходит расщепление глюкозы до молочной кислоты, называют анаэробным обменом.

Традиционная единица энергии, применяемая в биологии – это калория (кал). Ее определяют как количество энергии, необходимой для повышения температуры 1 г воды на 1˚С. При изучении энергетических процессов в организме человека используют более крупную единицу – килокалорию (ккал), равную 1000 кал.

В зависимости от активности организма и воздействий на него факторов внешней среды различают три уровня энергетического обмена:

• основной обмен;

• энергозатраты в состоянии покоя;

• энергозатраты при различных видах труда.

Основной обмен.

Основным обменом называется количество энергии, которое тратит организм при полном мышечном покое, через 12-14 часов после приема пищи и при температуре окружающей среды - 20-22º С. У взрослого человека он в среднем равен 1 ккал на 1 кг массы тела в 1 час.

Энергозатраты в условиях основного обмена связаны с поддержанием минимально необходимого для жизни клеток уровня окислительных процессов и с деятельностью постоянно работающих органов и систем - дыхательной мускулатуры, сердца, почек, печени. Некоторая часть энергозатрат в условиях основного обмена связана с поддержанием мышечного тонуса. Освобождение в ходе всех этих процессов тепловой энергии обеспечивает ту теплопродукцию, которая необходима для поддержания температуры тела на постоянном уровне, как правило, превышающем температуру внешней среды.

Для мужчины среднего возраста (35 лет), среднего роста (165 см) и со средней массой тела (70 кг) основной обмен равен 4,19 кДж (1 ккал) на 1 кг массы тела в час, или 7 117 кДж (1 700 ккал) в сутки. У женщин той же массы он приблизительно на 10 % ниже.

Интенсивность основного обмена, пересчитанная на 1 кг массы тела, у детей значительно выше, чем у взрослых.

Величина основного обмена человека в возрасте 20-40 лет сохраняется на довольно постоянном уровне. В пожилом возрасте основной обмен снижается.

Энергозатраты в состоянии относительного покоя превышает величину основного обмена. Это обусловлено влиянием на энергообмен процессов пищеварения, терморегуляцией вне зоны комфорта и тратами энергии на поддержание позы тела человека.

Энергозатраты при различных видах труда определяется характером деятельности человека.

Мышечная работа значительно увеличивает расход энергии, поэтому суточный расход энергии у здорового человека, проводящего часть суток в движении и физической работе, значительно превышает величину основного обмена. Это увеличение энергозатрат составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем интенсивнее мышечная работа.

При мышечной работе освобождается тепловая и механическая энергия. Отношение механической энергии ко всей энергии, затраченной на работу, и выраженное в процентах, называется коэффициентом полезного действия.

Согласно второму закону термодинамики, при совершении какой-либо внешней работы часть вырабатываемой клеткой энергии всегда выделяется в виде теплоты. Следовательно, коэффициент полезного действия (КПД) активной клетки может быть представлен той частью вырабатываемой энергии, которая затрачивается на внешнюю работу, и всегда является величиной менее 100 %.

КПД = (Внешняя работа / Выработанная энергия) х 100 %

Так, например, около 80 % энергии при мышечном сокращении теряется в виде теплоты и только 20 % превращается в механическую работу. При мышечной работе целого организма КПД редко превышает 25 %. КПД может существенно изменяться при адаптации организма к холоду.

При физическом труде человека коэффициент полезного действия колеблется от 16 до 25 % и составляет в среднем 20 %, но в отдельных случаях может быть и выше.

КПД изменяется в зависимости от ряда условий. Так, у нетренированных людей КПД ниже, чем у тренированных людей. По мере физического развития человека КПД увеличивается.

Затраты энергии тем больше, чем интенсивнее совершаемая организмом мышечная работа. Степень энергетических затрат при различной физической активности определяется коэффициентом физической активности (КФА), который представляет собой отношение общих энергозатрат на все виды деятельности за сутки к величине основного обмена.

Рассмотрим, как меняются энергозатраты человека в зависимости от интенсивности его труда, таблица 3.

После приема пищи интенсивность обмена и энерготраты организма увеличиваются по сравнению с их уровнем в условиях основного обмена. Увеличение обмена веществ и энергии начинается через час, достигает максимума через 3 ч после приема пищи и сохраняется в течение нескольких часов. Влияние приема пищи сохраняется в течение нескольких часов.

Влияние приема пищи, усиливающее обмен веществ и энергетические затраты, получило название специфического динамического действия пищи. При белковой пище оно наиболее велико: обмен увеличивается в среднем на 30 %. При питании жирами и углеводами обмен увеличивается у человека на 14-15 %

Таблица 3