7.3.Энергетический баланс организма. Биокалориметрия.

Пищевые вещества, потребляемые человеком, частично расходуются на постепенное обновление тканей организма, но в основном являются источником энергии.

Часть этой энергии расходуется на работу при различных видах движений, совершаемых в организме, включая и трудовую деятельность. Значительно большая часть отдается в виде теплоты в окружающую среду в процессе поддержания постоянной температуры тела. Неусвоенные остатки продуктов, углекислота, вода, образовавшиеся в результате окислительных реакций, выделяются в окружающую среду.

Вместе с тем в организме происходит также и образование новых сложных соединений с частичным поглощением энергии. Это имеет место, например, в мышцах, где в период восстановления после сокращения происходит ресинтез с образованием макроэнергетических связей. В этих связях запасается значительная часть энергии, которая затем затрачивается на работу, совершаемую мышцей, а также в значительной мере переходит в теплоту (мышцы являются основным источником теплопродукции в организме).

Таким образом, в организме происходят колебания внутренней энергии, содержащейся в различных его частях, обусловленные, например, периодичностью приемов и процессов усвоения пищи или различием деятельности мышц организма (покой, работа) и т. п. Однако за достаточно длительный период, например, за сутки, все эти колебания взаимно уравновешиваются, чем и поддерживается некоторое установившееся состояние организма.

Поэтому составляя, например, суточный энергетический баланс организма, можно считать, что его внутренняя энергия остается в среднем неизменной. Тогда в применении к живому организму закон сохранения энергии может быть сформулирован так: количество теплоты , освобождающееся в организме при усвоении пищи, затрачивается на компенсацию потери теплоты , в окружающую среду и на совершаемую работу , т. е.

Это и есть уравнение энергетического баланса для человека, на основании которого, в частности, определяется необходимое энергетическое содержание (калорийность) пищевого рациона.

Потеря теплоты организмом в окружающую среду представляет собой физический процесс и может происходить путем: а) теплопроводности и конвекции, б) излучения и в) при испарении. Соотношение между этими процессами при прочих равных условиях зависит от природы, температуры, влажности и движения среды окружающей тело. При этом под окружающей средой следует понимать не только среду, непосредственно соприкасающуюся с поверхностью организма (вода, воздух и т. п.), но и тела, находящиеся на расстоянии от него, если последние могут принимать участие в теплообмене путем излучения (например, стены помещений, мебель и т. п.).

Потеря теплоты путем теплопроводности и конвекции в обычных условиях происходит через воздух. Он обладает очень низкой теплопроводностью, однако конвекция может значительно усиливать отдачу теплоты. Кроме того, конвекция воздуха усиливает испарение влаги с поверхности кожи. Для уменьшения конвекции стараются ограничить возможность движения окружающего тело воздуха. Для этого на тело надевают одежду, а стены жилища изолируют пористыми материалами.

Потеря теплоты путем излучения происходит главным образам, с наружной поверхности одежды и открытых частей тела. Излучаемая теплота поглощается окружающими телами, которые имеют более низкую температуру.

Испарение происходит с поверхности кожи и легочных альвеол. В среднем за сутки человек выделяет с выдыхаемым воздухом около 350 г водяного пара. С поверхности кожи при нормальном потоотделении (при температуре окружающей среды ) в сутки испаряется около 500 г пота. Так как удельная теплота испарения при температуре тела ( ) , то потеря теплоты при этом составляет в целом примерно , или около 500 ккал. При повышении температуры окружающей среды или при интенсивной мышечной работе эти цифры значительно возрастают.

В общем считается, что теплопотеря организма человека в условиях умеренного климата в среднем составляет 1700 ккал в сутки, которые распределяются примерно следующим образом: теплопроводностью и конвекцией – 20 % (340 ккал), излучением – 50 % (850 ккал) и испарением – 30 % (500 ккал). Если к этому прибавить 600 – 800 ккал, эквивалентных совершаемой организмом механической работы (для лиц, не имеющих особой физической нагрузки), то суточный расход теплоты получится порядка 2300 – 2500 ккал.

Теплота, теряемая организмом в окружающую среду, может быть непосредственно измерена с помощью калориметрической камеры, называемой биокалориметром. На рис.7.2 схематически показано устройство биокалориметра, предназначенного для человека.

Рисунок 7.2.

Камера имеет теплоизолирующие стенки, окно О для освящения и принудительную вентиляцию (вентилятор В), с помощью которой воздух в камере освобождается от углекислоты и влаги (система поглотителей П₁ – П₃) и обогащается кислородом из баллона Р через счетчик С. Отданная организмом теплота измеряется с помощью системы калориметрических трубок К, по которой протекает вода (ее количество измеряется с помощью бака Б). Температура воды при входе и выходе определяется по термометрам. Количество теплоты, потерянной при испарении, находится по количеству поглощенной из воздуха влаги.