Энергетические затраты и потребность в энергии организма человека

 

При организации рационального питания различных групп населения основой для нормирования их питания является определение (уточнение) суточных энергетических затрат организма человека в зависимости от ряда факторов. Эти затраты должны быть компенсированы поступлением с пищей в определенном соотношении различных питательных веществ.

В живых организмах любой процесс сопровождается передачей энергии. Энергия это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Известно, что все формы движения материи способны превращаться друг в друга в определенных количественных соотношениях. Специальный раздел физики, который изучает свойства и превращения энергии в различных системах, называется термодинамикой. Под термодинамической системой понимают совокупность объектов, условно выделенных из окружающего пространства. Термодинамические системы разделяют на изолированные, закрытые и открытые. Изолированными называют системы, энергия и масса которых не изменяется, т.е. они не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, но не веществом, поэтому их масса остается постоянной. Открытыми системами называют системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым системам, так как главное условие их существования - непрерывный обмен веществ и энергии.

Согласно первому закону термодинамики энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь переходит из одной формы в другую. Второй закон термодинамики утверждает, что вся энергия в конце концов переходит в тепловую энергию, и организация материи становится полностью неупорядоченной.

Способность извлекать полезную энергию из окружающей среды является одним из основных свойств, которые отличают живые системы от неживых, т.е. непрерывно идущий обмен веществ и энергии является одним из основных признаков живых существ.

Обмен веществ и энергии - это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ у живых организмов заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду.

Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием - метаболизм (обмен веществ). На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательности реакций, называемые путями метаболизма, и могут включать тысячи разнообразных реакций. Эти реакции протекают не хаотически, а в строго определенной последовательности и регулируются множеством генетических и химических механизмов. Метаболизм подразделяют на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Ассимиляция – это постоянное обновление и восполнение пластических и энергетических ресурсов организма за счёт питательных веществ, получаемых из пищевого рациона.

Диссимиляция – это окислительное разрушение химических связей органических веществ в клетках организма человека и высвобождение энергии.

У взрослого здорового человека процессы ассимиляции и диссимиляции находятся в относительном равновесии и способствуют поддержанию постоянства внутренней среды организма (гомеостаз). Эти процессы также регулируются нейрогуморальной системой регуляции организма. Постоянство внутренней среды организма имеет большое значение для здоровья человека.

В процессе обменавеществ постоянно происходит превращение энергии: энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Человек и животные получают энергию из окружающей среды в виде потенциальной энергии, заключенной в химических связях молекул углеводов, жиров и белков. Все процессы жизнедеятельности обеспечиваются энергией за счет анаэробного и аэробного метаболизма.

Динамика химических превращений, происходящих в клетках, изучается биологической химией. Задачей физиологии и гигиены питания является определение общих затрат веществ и энергии организмом и того, как они должны восполняться с помощью полноценного питания. Энергетический обмен служит показателем общего состояния и физиологической активности организма.

Единица измерения энергии, обычно применяемая в биологии и медицине, - калория (кал). Она определяется как количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1 ºС. В Международной системе единиц (СИ) при измерении энергетических величиниспользуется джоуль (1 ккал = 4,18 кДж)

Обмен веществ и энергии (метаболизм) зависит от ряда факторов, а суммарную потребность в энергии организма человека определяют:

1. Уровень обменных процессов, направленных на сохранение постоянства внутренней среды организма и самообновление его морфологических структур (основной обмен);

2. Расход энергии на питание в широком смысле этого слова (СДДП);

3. Приспособление (адаптация) организма к изменяющимся условиям окружающей среды;

4. Трудовая деятельность, связанная с преобразованием окружающей среды;

5. Активный отдых;

6. Продолжение рода.

Объективным показателем расхода энергии за определённый период времени является величина суммарных энергетических затрат (теплопотери) организма за тот же период.

Процессы ассимиляции и диссимиляции в организме человека взаимосвязаны с прoцессами теплопродукции и теплоотдачи.

Теплопродукцияв организме человека происходит за счёт усвоения углеводов, жиров, белков, а теплоотдача идёт по трём путям: конвекции, излучения и испарения.

Эти два процесса у взрослого здорового человека также находятся в относительном равновесии.

Условно суммарные энергетические затраты человека можно рассматривать как сумму расхода энергии на:

а) основной обмен;

б) нервно-мышечную деятельность;

в) специфическое динамическое действие пищи (СДДП).

Основной обмен – это минимальный расход энергии, который необходим для поддержания жизни организма в состоянии полного покоя при исключении всех внутренних и внешних влияний, которые способны повысить уровень обменных процессов. Энергия основного обмена расходуется на постоянное протекание химических процессов в организме; механическую работу, выполняемую отдельными органами (сердцем, легкими, кровеносными сосудами, кишечником и др.); непрекращающуюся деятельность железисто-секреторного аппарата. Истинную величину основного обмена определяют в состоянии полного покоя, в комфортных условиях окружающей среды (температура воздуха 18-20 °С, относительная влажность воздуха 40-60 %, скорость движения воздуха 0,3 м/сек) утром после сна в положении лёжа на спине при полном расслаблении мышц. Причём, с момента последнего приёма пищи должно пройти не менее 12 часов (т.е. измеряется натощак). Измеряется величина основного обмена в ккал на 1 кг массы тела в 1 мин, или в ккал на массу тела за сутки.

Современные исследования показали, что величина основного обмена не является величиной постоянной для конкретного человека и изменяется в зависимости от ряда факторов. Повышению энергии основного обмена способствуют:

а) мышечная работа;

б) нервно-эмоциональное напряжение;

в) патологическое состояние внутренних органов и др.

Величина основного обмена зависит главным образом от:

а) возраста;

б) роста;

в) массы тела;

г) пола.

Ориентировочно величина основного обмена у взрослого здорового человека составляет 1 ккал на 1 кг массы тела в час. У женщин основной обмен на 5-10 % ниже, чем у мужчин, а у пожилых людей на 10-15 % ниже, чем у молодых. Самый высокий основной обмен наблюдается у детей (1,9 - 2,1 ккал на кг в час). Для молодых мужчин с массой тела 70 кг (стандартная масса тела для мужчин) основной обмен в среднем составляет 1700 ккал в сутки. С увеличением массы тела основной обмен повышается, хотя при этом нет строгой пропорциональности, так как эта величина зависит от ряда факторов (величина отдельных органов, развитие костной и мышечной системы, степень жировых отложений и др.). Поэтому при определении основного обмена, особенно у людей с избыточной массой тела, целесообразно производить расчёты не только на фактическую массу тела, но и на “идеальную” массу, т.е. на массу тела, которую имел бы человек данного роста при нормальной упитанности.

Нервно-мышечная деятельность оказывает наиболее сильное влияние на обмен энергии. Во время бодрствования (после сна) общий обмен энергии всегда выше основного обмена и зависит, прежде всего, от характера выполняемых работ и уровня двигательной активности;

На суммарную величину энергетических затрат также оказывают влияние:

в) тяжесть труда;

г) продолжительность работы;

д) условия внешней среды, в которых она выполняется;

ж) тренированность человека.

В настоящее время получено значительное количество данных о величинах энергетических затрат при различных видах деятельности, которые используются при расчёте суточных энергетических затрат и нормировании питания отдельных возрастных и профессиональных групп населения.

Следует отметить, что физическая работоспособность человека и уровень максимальных энергетических затрат в значительной мере определяется функциональными возможностями сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

Последним слагаемым, оказывающим влияние на величину суточной потребности в энергии, является специфическое динамическое действие пищи (СДДП).

СДДП обусловлено затратой энергии на процессы пищеварения, всасывания, транспорта, метаболизма и хранения переваренной пищи. Активизация нервной системы в процессе пищеварения углеводами также оказывает влияние на СДДП.

Наибольшим СДДП обладает белок, причём потребление белка малыми порциями способствует большему приросту основного обмена, чем однократный приём всего количества. Различают СДДП - слабое (до 10 %), достаточное - (10-20 %), и хорошо выраженное - (более 20 % от основного обмена). По данным Рубнера СДДП белков составляет26,8 %, углеводов 2,8 %. Прием жиров повышает основной обмен на 4-14 %. При потреблении смешанной пищи (белков, жиров, углеводов) общее повышении основного обмена приблизительно составляет 10-15 % от величины основного обмена. СДДП пищи сопровождается увеличением теплопродукции, которое может использоваться для поддержания температуры тела при охлаждении.

Некоторые люди, даже при избыточном питании, не увеличивают массу тела. Ряд учёных это связывают с увеличением СДДП. С другой стороны, напротив, у некоторых лиц наблюдается тенденция к очень быстрому увеличению массы тела. Предполагают, что в этих случаях возможной причиной является уменьшение СДДП. Однако это вопрос дискуссионный, так как многие отрицают, что понижение СДДП способствует ожирению.

Общая потребность в энергии человека определяется как сумма всех видов энергетических затрат его организма (основной обмен, нервно-мышечная деятельность, СДДП) и согласно требований рационального питания она должна быть адекватна уровню энергии потребляемой с пищей.При этом размер тела и уровень физической активности человека соответствует устойчивому состоянию здоровья и социально желательной физической активности. Это может быть достигнуто в результате достижения так называемого энергетического баланса, когда сумма трат энергии организмом полностью компенсируется энергией, доставляемой в организм с пищей.

 

 

5.2 Основные методы определения энергетических затраты организма человека

 

Энергетические затраты человека (обычно за сутки) определяются различными методами. В настоящее время используются 4 основных метода определения энергетических затрат человека:

1. Метод прямой калориметрии;

2. Метод непрямой (респираторной) калориметрии;

3. Метод алиментарной (пищевой) энергометрии;

4. Хронометражно-табличный метод.

Наиболее точным методом определения энергетических затрат считается метод прямой калориметрии, который основан на непосредственном определении всего тепла, которое высвобождается в организме в процессе его жизнедеятельности. Эти исследования проводятся в специальных устройствах – калориметрах. Современный калориметр представляет собой специальную камеру различных размеров с двойными стенками, в которой человек может прожить несколько дней. В необходимых случаях в камере может быть установлена кровать, стол, стул и др., а при исследовании физической работы – соответствующие приспособления для её выполнения. Камера имеет дверь и люк для подачи пищи и удаления экскрементов. Тепло, выделяемое организмом человека во время исследования, поглощается потоком воды, которая циркулирует между стенками по системе трубок. Энергетические затраты в этом случае определяются путём установления объёма протекающей воды и степенью её нагрева в процессе опыта.

Недостатками метода прямой калориметрии являются:

1) сложность устройства камеры;

2) невозможность изучения различных видов деятельности человека в связи с ограниченными размерами камеры;

3) изоляция человека от влияния многих факторов окружающей среды, оказывающих постоянное влияние на его организм (климатических, социальных, бытовых и др.).

Указанные недостатки делают ограниченным использование этого метода при исследовании довольно разнообразных условиях труда и быта человека.

Более широкое распространение получил другой метод определения энергетических затрат – метод непрямой калориметрии (респираторный, или метод газообмена). Сущность этого метода заключается в исследовании лёгочного газообмена – определении лёгочной вентиляции (при расчётах минутной), количества поглощённого при этом кислорода и выделенного углекислого газа, определении дыхательного коэффициента (ДК). По энергетическому эквиваленту одного литра кислорода (при определенном дыхательном коэффициенте) и величине лёгочной вентиляции, определяют расход энергии при любом виде деятельности человека. Теоретическими предпосылками для этого метода послужило то, что все тепло, которое освобождается в организме, является результатом окисления питательных веществ – углеводов, жиров и белков и происходит за счёт кислорода вдыхаемого воздуха. Это основано на известном положении закона сохранения энергии о том, что выделение тепла при химических процессах зависит только от начального и конечного состояния вещества и не зависит от промежуточных реакций.

Известно, что в процессе дыхания человек поглощает определённое количество кислорода атмосферного воздуха и выделяет углекислый газ. Исследуя изменения химического состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, определяют количество поглощённого организмом кислорода воздуха. Однако, так как энергетическая ценность при окислении кислородом углеводов, белков и жиров различна, необходимо знать характер окисляющихся при этом пищевых веществ. Это устанавливается по дыхательному коэффициенту, который выражается отношением объёма выделенного организмом углекислого газа, к объёму поглощённого за тот же время кислорода.

 

Это отношение зависит от характера окисляющихся веществ. При чисто углеводном питании дыхательный коэффициент может быть максимальным и достигать 1, так как по уравнению реакции:

 

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ = 6 СО₂ + 6 Н₂О

глюкоза

 

При окислении глюкозы поглощение 6 грамм-молекул кислорода сопровождается выделением 6 грамм-молекул угольной кислоты

 

6 СО₂ : 6 О₂ = 1

 

При окислении жиров объём выдыхаемого воздуха меньше объема вдыхаемого воздуха на количество миллилитров, равное кислороду, который соединился с водородом для образования воды. Например, при окислении жира реакция протекает следующим образом:

 

2 С₅₁Н₉₈О₆ +145 О₂ = 102 СО₂ + 98 Н₂ О

 

То есть из 145 молекул О₂ только 102 использованы на образование СО₂, а 43 соединились с водородом и образовали воду, поэтому в этом случае ДК равен:

 

 

Для других жиров дыхательный коэффициент колеблется в пределах от 0,7 до 0,72.

При окислении белков в организме человека азот белков образует в сочетании с углеродом, водородом и кислородом мочевину и другие азотсодержащие вещества, которые выделяются почками. Зная количество азота в моче можно определить количество окислившегося белка, так как содержание азота в белке в среднем 16%.

ДК белков колеблется в пределах от 0,78 до 0,82.

Так как обычно человек употребляет смешанную пищу (белки, жиры, углеводы), то дыхательный коэффициент в нормальных условиях у человека может колебаться в широких пределах (от 0,71 до 1,0).

При исследовании энергетических затрат методом газообмена наибольшее применение нашёл метод Дугласа-Холдейна. Этот метод предусматривает замер и измерение объёма выдыхаемого воздуха за определённый промежуток времени и анализ его на содержание О₂ и СО₂. Выдыхаемый воздух с помощью специальных приспособлений (маски, загубники, гофрированные трубки и др.) собирается в специальный прорезиненный мешок (мешки Дугласа), объёмом 100-150 л, а затем измеряется точный объём выдохнутого воздуха за время исследования путём пропускания воздуха из мешка Дугласа через газовый счётчик. При этом отбираются пробы воздуха для анализа его химического состава. Анализ проб воздуха проводят в газоанализаторе Холдейна или других современных газоанализаторах.

Для сравнительной оценки полноты полученных данных при расчётах объём выдохнутого воздуха приводят к нормальным условиям (стандартным) - температура 0 °С, давление 760 мм. рт. ст. и сухому состоянию.

Пример расчёта.

Исследуемый дышал в мешок 5 минут, при этом:

1) выдохнул за 5 минут 37,3 л воздуха, или за 1 минуту - 7,46 л;

2) температура окружающего воздуха – 25 °С;

3) барометрическое давление – 765 мм. рт. ст.

При приведении объёма выдыхаемого воздуха (по специальным таблицам) к нормальным условиям и сухому состоянию объём выдыхаемого воздуха за 1 мин составил 6,669 л.

Газовый анализ проб выдыхаемого воздуха показал в нём содержание:

СО₂ = 3,4 %

О₂ = 17,3 %

Так как сумма СО₂+О₂ в выдохнутом воздухе составила 20,7 % (3,4 %+ 17,3 %), то на долю азота остаётся: 100 % – 20,7 % =79,3 %.

Состав чистого вдыхаемого воздуха следующий:

СО₂ - 0,03 %

О₂ - 20,93 %

N₂ - 79,04 %

Изменение процентного содержания N₂ в выдыхаемом воздухе объясняется исключительно неравенством объёмов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, так как азот во время дыхания является газом индифферентным и его количество остаётся без изменения.

Поэтому отношение количества потреблённого О₂ производится по соотношению процента азота в выдыхаемом и вдыхаемом воздухе:

на 79,04 % объёма N₂ во вдыхаемом воздухе приходится 20,93 % объёма О₂,

а на 79,3 % объёма N₂ в выдыхаемом воздухе Х объёма О₂;

 

 

Тогда количество поглощённого О₂ в организме составит:

 

21,0 % - 17,3 % = 3,7 % (О₂)

 

Зная объём выдохнутого воздуха за минуту и процентное содержание в нём О₂ и СО₂ можно определить объёмы поглощения О₂ и выделения СО₂:

 

 

где, 6,669 – минутный объём дыхания (приведенный к стандартным условиям и сухому состоянию)

Тогда,

 

По специальным таблицам находим, что при ДК = 0,91 калорическая стоимость 1000 мл поглощённого О₂ составляет 4,936 ккал.

Калорическая стоимость поглощённых 246,7 мл. О₂ во время эксперимента составит:

В зависимости от поставленной задачи можно выразить полученную величину на единицу времени: сек., мин., час, сутки, на 1 кг массы тела и др.

Недостатками этого метода определения потребности организма человека в энергии является большая трудоемкость исследований, и он не всегда надёжен при определении расхода энергии у людей с большим разнообразием трудовых операций и процессов различной интенсивности.

Метод алиментарной энергометрии (балансовый метод Бузника- Калмыкова) основан на точном учёте энергетической ценности принятой пищи и контроле массы тела испытуемых в динамике в течение 15-16 дней. Для этого испытуемый ежедневно утром после туалета взвешивается с точностью до 50 г

В случае равенства расхода энергии и энергоценности пищи, масса тела человека, как правило, не изменяется и, напротив, при нарушении этого равенства, масса тела увеличивается или уменьшается. Прибавка в массе тела человека обусловлена в основном накоплением жира в организме. Жировая ткань содержит 25% воды, поэтому килограмм прибавки массы тела здорового человека соответствует 6750 ккал. Вычитая энергетическую ценность, накопившегося жира во время опыта, можно с большой достоверностью определить энергетические затраты человека.