Обмен веществ и физмат. Способы и методы расчета обмена веществ. Подсчет расхода энергии
Тут конечно посложнее, ибо взрывать человеков в калориметрических бомбах как минимум больно и не гуманно, хотя для определения человеческих энергозатрат определенные экзекуции все же используются.
Так вот, существует два основных практических способа определения расхода энергии в нашем организме. Они носят гордое название методов: прямой и не прямой калориметрии.
Метод прямой калориметрии в общем то похож на калориметрическую бомбу: испытуемого загоняют в специальную герметичную и теплоизолированную камеру, по стенкам которой проходят трубы с водой. Ну а дальше схема та же: человек живет, внутри его организма расходуются белки, жиры и углеводы – выделяется тепло, которое, выделяясь из тела, нагревает воду, проходящую по трубам и т.д. Но все это хлопотно, массивно и дорого - потому как испытуемого как-то надо кормить, поить, подавать ему кислород, забирать углекислый газ и отходы его жизнедеятельности и при этом еще не дай бог улетучатся неучтенные килокалории тепла. В общем, сложный метод.
Значительно проще метод непрямой калориметрии. Ну, сами посудите: для чего мы дышим? Для того, что бы снабдить организм кислородом, в котором горят белки, жиры и углеводы. Значит, дышим мы для того, что бы загнать в организм кислород, а выдыхаем, для того, что бы вывести продукт горения - углекислый газ. Это конечно утрированно, но суть-то примерно такая. Получается, что зная количество вдыхаемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа можно узнать и количество образовавшейся при окислении энергии. Всего то нужно напялить на человека маску, через которую подавать атмосферный воздух с учтенным содержанием кислорода и собирать в отдельный мешок воздух выдыхаемый, что бы измерить содержание в нем углекислого газа и оставшегося кислорода. Согласитесь, это проще, чем держать человека в камере!
Эх, но и в методе непрямой калориметрии все не так легко и просто, и тут тоже без подводных камней не обошлось.
Дело в том, что для окисления (читай горения) 1гр белков, жиров и углеводов требуется различное количество кислорода, да и количество энергии (калорий) образующихся из 1гр белков, жиров и углеводов тоже будет разное. Попросту говоря, при употреблении 1 литра кислорода будет образовываться различное количество тепла, в зависимости от того, что будет гореть: белки, жиры или углеводы! Есть даже такой термин - калорический эквивалент кислорода, т.е. количество тепла выделяемого при сжигании различных веществ в 1 литре О2.
Или сформулируем проблему еще по другому: использовали мы в общей сложности 3 литра чистого кислорода в своем организме. Как подсчитать сколько энергии мы получили если не знаем, что именно окислялось: белки и углеводы, выделяющие по 4 килокалории на 1 гр или жиры со своими 9 килокалориями? Понятно, что мы можем узнать в лаборатории с помощью той же бомбы, сколько кислорода требуется на окисление 1гр любого из этих веществ, но мы же не знаем кто именно из белков, жиров и углеводов горит в данный момент, а может они вообще одновременного окисляются? Аааа, что делать? Как узнать что горит (расходуется)?! Ааааа! А, вот тут то нам на помощь и приходит углекислый газ!
Оказывается что при горении белков, жиров и углеводов расходуется не только разное количество кислорода, но и выделяется разное количество углекислого газа! Ученые даже придумали такой показатель как дыхательный коэффициент. Дыхательным коэффициентом называется отношение объема выделенного углекислого газа (СО2) к объему поглощенного кислорода (О2) Так вот, оказывается, что этот самый дыхательный коэффициент разный при горении жиров, белков и углеводов.
Выяснилось, что при горении глюкозы (углеводов) дыхательный коэффициент равен 1. Это означает, что если посчитать все использованные молекулы кислорода, то их количество будет равно количеству молекул выдыхаемого углекислого газа.
При горении жиров, дыхательный коэффициент равен 0,7 - т.е. на 100 молекул СО2 требуется примерно 143 молекулы О2, ну, а при окислении белка дыхательный коэффициент примерно равен 0,8. Ага, это расчеты для чистых белков, жиров и углеводов, а при «смешанном горении» величина дыхательного коэффициента колеблется от 0,82 до 0,90 - в зависимости от преобладания тех или иных веществ в рационе испытуемого организма. Так что зачастую, для простоты расчетов, ученые решили использовать среднее значение дыхательного коэффициента равное 0,85. А так, для каждой величины дыхательного коэффициента рассчитан соответствующий ей калорический эквивалент кислорода, т.е. количество энергии образующийся с участием 1 литра О2. Подробнее в этой табличке:
Значения дыхательных коэффициентов (ДК) и энергетических эквивалентов при окислении различных пищевых веществ
|
Пищевые вещества |
ДК |
Энергетические эквиваленты |
|
|
кДж/л О2 |
ккал/л О2 |
||
|
Углеводы |
1,00 |
21,1 |
5,05 |
|
Жиры |
0,70 |
19,6 |
4,69 |
|
Белки |
0,81 |
18,8 |
4,48 |
Энергетический эквивалент 1 л O2 при разных дыхательных коэффициентах
|
Дыхательный коэффициент |
Энергетический эквивалент |
|
|
кДж |
ккал |
|
|
0,707 |
19,62 |
4,686 |
|
0,75 |
19,84 |
4,739 |
|
0,80 |
20,10 |
4,801 |
|
0,85 |
20,36 |
4,862 |
|
0,90 |
20,62 |
4,924 |
|
0,95 |
20,87 |
4,985 |
|
1,00 |
21,13 |
5,047 |
Так вот, зная величину дыхательного коэффициента и общее количество потраченного кислорода по этим данным можно рассчитать общее количество потраченной энергии в определенный промежуток времени. Сложно? Ну, а что вы хотите – физмат!
Конечно, еще интересней узнать не только общее количество потраченной энергии, но и какое количество белков, жиров и углеводов эту энергию нам дало, т.е. что конкретно было использовано. Ну, тут еще сложнее и физматичнее вычисления будут, так как для выяснения этого дела нужно не только учитывать количество кислорода и углекислого газа, но и собирать и анализировать, пардон, нашу мочу. Помните, что часть белка не сгорает, а выводится с мочой? Ну! Значит, подсчитав количество его составляющих в моче можно рассчитать и его общее израсходованное количество белка. Ну а далее, зная это количество, можно рассчитать и количество сгоревших жиров и углеводов, составив нужные пропорции и решив уравнения с двумя неизвестными. Сложно?! Повторюсь: ну, а что вы хотите – физмат! И как вы понимаете, этот процесс наблюдения и расчетов далеко не быстрый, потому что, чем больше испытуемый надышит и написает, тем точнее будут результаты исследования. В таких исследованиях наблюдают не менее суток, так что 15-ти минутными тестами тут никак не обойтись…Далее >>