Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
Но это верно только в том случае, если углеводы и жиры — это единственные вещества, потребляемые организмом, то есть если белок не потребляется вообще. А это не так — белок потребляется всегда. Средний объем потребления белка — около 10 процентов от суммарного объема жиров и углеводов. Но то средний, а для того, чтобы подсчитать какие-то более-менее правдоподобные значения для коэффициента дыхания, а значит, и поступающей в распоряжение организма энергии, надо знать точное количество потребляемого белка.
Допустим, что коэффициент дыхания — 0,8. Если потребляемая при этом пища состоит исключительно из жиров и углеводов, то соотношение потребляемых веществ — 2 части жиров на 1 часть углеводов, и выход энергии, на основе расчетов, составленных с помощью бомбового калориметра, будет равняться примерно 7 ккал/г.
Теперь предположим, что на самом деле смесь потребляемых питательных веществ содержит 2 части жиров на 1 часть углеводов и 1 часть протеинов. Коэффициент дыхания при этом по-прежнему будет равен 0,8 (поскольку именно таков коэффициент дыхания чистого белка, то он не будет изменяться, сколько белка ни подмешивай к смеси жиров и углеводов 2:1). Однако производство энергии на основе этой новой смеси упадет по сравнению с предыдущим случаем примерно до 6 ккал/г, поскольку белок — энергетически бедный материал по сравнению со смесью жиров и углеводов.
Однако мочевина производится только из белка. По данным анализа мочи (еще одно изобретение Рубнера) можно установить и количество потребляемого протеина. Кормление животных строго взвешенными порциями пищи, анализ мочи и кала, измерение количества потребляемого ими кислорода и производимого углекислого газа — все это позволяло Рубнеру совершенно четко знать, сколько и каких питательных веществ употребило то или иное животное за определенный отрезок времени.
А измерение количества вырабатываемого животными тепла привело его (как и исследователей позднейшего времени) к вполне ожидаемому выводу: в живом организме вырабатывается ровно столько же энергии, сколько ее высвободилось бы в бомбовом калориметре, если бы всю эту пищу просто сожгли.
К концу века уже всем стало ясно, что никакого волшебного источника энергии в живых существах нет; никто не может извлечь из системы больше энергии, чем в ней заключено. Короче говоря, первый закон термодинамики оказался так же справедлив для ящерицы, как и для камня.
Конечно, сам по себе закон, согласно которому количество калорий, поглощаемых живым организмом с пищей, уравновешивается количеством расходуемых им калорий, еще не значит, что и то и другое не может в значительной степени колебаться. Были созданы калориметры, куда мог помещаться человек, и замерялись данные при разных его состояниях и занятиях — люди в них сидели, стояли, печатали-Разрабатывались и методики косвенного изменения расхода энергии во время бега, лазания, катания на велосипеде, езды верхом и так далее.
Неудивительно, что чем более активной деятельности предается человек, тем сильнее увеличивается производство его организмом энергии, а значит, тем больше жиров ему требуется. Если получать их в достаточном количестве с пищей не удается, то организм начинает расходовать внутренние резервы тела, что приводит к потере веса.
На самом деле все вопросы потери или набора веса косвенно завязаны на законе сохранения энергии. Для того чтобы сбросить вес, необходимо сократить потребление калорий до уровня ниже их расхода — либо начать меньше есть (сесть на диету), либо начать больше их тратить (заняться спортом), а еще лучше — и то и другое. А для того чтобы набрать вес, надо повести себя прямо противоположным образом.
Для уровня расхода энергии существует как верхняя, так и нижняя планка. Прыгая через три ступеньки вверх, или активно орудуя топором в лесу, или с азартом играя в теннис, человек может тратить энергию со скоростью 10 килокалорий в минуту. Все мы знаем, что долго это продолжаться не может.
С другой же стороны, полностью подавив любую сознательную деятельность, можно урезать расход энергии в пятнадцать раз, не больше. Не важно, насколько удобно мы уляжемся, расслабившись, все равно определенное количество энергии необходимо тратить на работу сердца, легких, печени, почек и т. п. Так же и двигатель автомобиля должен работать в некоем минимальном темпе, чтобы не заглохнуть. Разница лишь в том, что заглохший мотор можно запустить заново, а если «заглохнет» и остановится жизнедеятельность человеческого организма, то ее запустить уже ничто будет не в силах.
Меньше всего энергии расходуется человеком, разумеется, во сне, но замер расхода энергии спящего человека — вообще говоря, дело неблагодарное. Хотя бы потому, что и во сне активность человека может различаться очень сильно, он может спать крайне беспокойно, а объяснять спящему, что он должен спать крепко, — по понятным причинам бесполезно.
Следующий после сна способ сэкономить энергию — это бодрствовать, но лежать при этом неподвижно. Расход энергии при самом пассивном поведении в состоянии бодрствования процентов на 10 выше, чем при идеальном сне, но для эксперимента выбирать приходится все же бодрствование.
Совокупность химических процессов, происходящих в живом организме и, в частности, приводящих к производству в нем энергии, называют «метаболизмом», или «обменом веществ». Термин «метаболизм» ввел в обиход немецкий натуралист Теодор Шванн, произведя его от греческого слова, означающего буквально «перебросить на другое место», а в более широком значении — «изменить». Минимальному расходу энергии (ровно достаточному, чтобы не прерывать процесс жизнедеятельности) соответствует минимальная, или основная, интенсивность обмена веществ. Соответственно эту интенсивность называют «интенсивностью основного объема».
Условия для определения интенсивности основного объема таковы: прежде всего, обследуемый должен находиться в лежачем положении. Даже сидение требует постоянного расхода дополнительной энергии, поскольку большие мышцы туловища постоянно скоординированно сокращаются, поддерживая равновесие. Обследуемый должен быть голодным, после ближайшего к моменту измерения приема пищи должно пройти не менее двенадцати часов, чтобы гарантировать, что энергия не расходуется на пищеварение. В комнате должна быть комфортная температура, чтобы не повышать уровня энергии, расходуемой на выработку тепла (в случае, если в комнате холодно) или потение (если в комнате жарко). Обследуемый должен быть спокоен внутренне, во избежание энергозатрат на сокращения мышц, которые непроизвольно сопровождают любую сильную озабоченность. Самый лучший способ достичь этого состояния — дать обследуемому спокойно полежать полчасика в тишине.
Интенсивность основного обмена точнее всего определяется по количеству потребляемого кислорода, производимого углекислого газа и содержанию мочевины в моче. В упрощенном варианте мочу можно проигнорировать, пренебрегая, таким образом, белковой составляющей как незначительной. Упрощая еще дальше, можно сосредоточиться вообще на одном лишь потреблении кислорода, приняв коэффициент дыхания за средний — приблизительно 0,82 для голодного человека.
В среднем интенсивность основного объема человека составляет около 43 килокалорий в час, то есть — около 1000 килокалорий в день. Это значение очень сильно зависит от веса обследуемого, поскольку чем больше общая масса тела, тем больше энергии приходится тратить просто на поддержание в нем жизни. Так, если у человека весом в 115 килограммов интенсивность основного объема в среднем 68 килокалорий в час, то у 70-килограммового — вышеупомянутые 43, а у 30-килограммового ребенка — всего 20.