Методы определение энергозатрат организма

В основе процессов обмена энергии лежат законы термодинамики, т.е. законы взаимных превращений различных видов энергии при переходах ее от одних тел к другим в форме теплоты или работы.

С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым стационарным неравновесным системам. Это означает, что они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией.

В физиологии и медицине для определения энергообразования в организме используются методы калориметрии (прямой и непрямой), а также исследование валового обмена.

Этот метод основан на непосредственном и полном учете количества выделенного организмом тепла в биокалориметрах (герметизированная и хорошо теплоизолированная от внешней среды камера, в которой по трубкам циркулирует вода, а также подается кислород и, поглощаются избыток углекислоты и водяных паров).

В зависимости от степени нагревания воды и ее массы проводится оценка количества тепла, выделяемого организмом в единицу времени.

В отличие от прямой калориметрии методы непрямой калориметрии являются более удобными и простыми. Данная методика включает два способа оценки энергозатрат организма:

Неполный газовый анализ основан на определении количества потребляемого организмом кислорода с последующим расчетом теплопродукции.

Для этой цели используют приборы спирометаболографы, представляющие замкнутую систему, которая состоит из спирометра и поглотителя двуокиси углерода. В соответствии с ритмом дыхания регистрируется спирограмма. Высота наклона кривой соответствует количеству поглощенного кислорода.

Зная объем поглощенного за 1 мин кислорода, усредненный дыхательный коэффициент и соответствующий ему калорический эквивалент кислорода можно рассчитать энергообмен за любой промежуток времени.

Полный газовый анализ основан на определении объема выделяющегося углекислого газа и объем потребленного организмом кислорода с последующим расчетом теплопродукции.

Для оценки интенсивности газообмена при полном газовом анализеиспользуют закрытые и открытые системы.

В приборах закрытых систем предусмотрено вдыхание испытуемым из замкнутого пространства воздуха или кислорода, выдыхаемый воздух направляется в это же пространство.

Наиболее распространенным является открытый способом исследования теплопродукции – метод Дугласа-Холдейна. Преимуществом данного метода является тот факт, что энергозатраты организма могут быть определены во время выполнения любой работы. Суть этого метода заключается в том, что в течение 10—15 мин собирают выдыхаемый воздух в мешок из воздухонепроницаемой ткани (мешок Дугласа), укрепляемый на спине. Обследуемый дышит через загубник, взятый в рот, или резиновую маску, надетую на лицо. В загубнике и маске имеются клапаны, устроенные так, что атмосферный воздух свободно вдыхается, а выдыхает в мешок Дугласа. Когда мешок наполнен, измеряют объем выдохнутого воздуха, в котором определяют количество кислорода и углекислого газа.

Схема определения энергетических затрат методом Дугласа-Холдейна.

1. На первом этапе после выполнения определенной работы определяют количества потребленного О₂ и выделенного СО₂. Для этого необходимо установить концентрацию этих газов в мешке Дугласа. Зная содержание О₂ и СО₂ в атмосферном воздухе, можно вычислить, насколько уменьшилось содержание кислорода и увеличилось содержание двуокиси углерода в выдыхаемом воздухе.

2. На основании полученных данных проводиться вычисление дыхательного коэффициента. Дыхательный коэффициент –это отношение объема выделенной СО₂.к объему поглощенного О₂.

Дыхательный коэффициент (ДК) различен при окислении белков, жиров и углеводов.

Например, при окислении глюкозы количество молекул образовавшегося СО₂и количество молекул поглощенного О₂ равны, поэтому ДК для углеводовравен 1.

При окислении жиров и белков ДК будет ниже единицы. Так, при окислении жиров он равен 0,7, а белков 0,8.

При голодании и сахарном диабете в связи со снижением метаболизма глюкозы увеличивается окисление жиров и белков и ДК может снижаться до 0,7.

3. Для каждого вычисленного ДК имеется определенный калорический эквивалент кислорода (КЭК). КЭК –это количество энергии, которое освобождается при полном окислении 1 г питательного вещества (до конечных продуктов) в присутствии 1 л кислорода (таблица).

и калориметрического эквивалента кислорода

4.Найденный КЭК умножают на количество потребленного кислорода и находят количество энергии необходимое для выполнения определенного вида деятельности.

Дыхательный коэффициент при мышечной работе.

Главным источником энергии при интенсивной мышечной работе являются углеводы. Поэтому во время работыДК приближается к единице. Сразу по окончании работы он может резко повыситься. Это явление отражает компенсаторные процессы, направленные на удаление из организма избытка СО₂, источником которого являются нелетучие кислоты, которые (особенно молочная кислота), активно продуцируются работающими мышцами. Эти кислоты связываются с буферными системами плазмы и вытесняют из гидрокарбонат иона (НСО^–₃) двуокись углерода. Таким образом, общее количество выделяемой двуокиси углерода на короткое время превышает обычное. Усиленная вентиляция легких в этих случаях предотвращает сдвиг рН крови и тканей в кислую сторону.

Через некоторое время после завершения работы ДК может резко снизиться по сравнению с нормой. Это связано с уменьшением выделения СО₂легкими вследствие компенсаторной задержки его буферными системами крови, предотвращающими сдвиг рН в основную сторону.

Примерно через час после завершения работы ДК становится нормальным.

Основной обмен – минимальное количество энергии, необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности в условиях относительного физического и психического покоя. Эта энергия расходуется на процессы клеточного метаболизма, кровообращение, дыхание, выделение, поддержание постоянной температуры тела, функционирование жизненно важных нервных центров мозга, постоянную секрецию эндокринных желез, поддержанием мышечного тонуса.

Расход энергии в состоянии покоя различными тканями организма неодинаков. Так, печень потребляет 27% энергии основного обмена, мозг – 19%, мышцы – 18%, почки – 10%, сердце – 7%, все остальные органы и ткани – 19%. Внутренние органы более активно расходуют энергию по сравнению с мышечной тканью. Интенсивность основного обмена в жировой ткани в 3 раза ниже, чем в остальной клеточной массе организма.

Зависимость интенсивности основного обмена от площади поверхности тела была показана немецким физиологом Рубнером для различных животных – закон поверхности тела Рубнера.. Согласно этому правилу, интенсивность основного обмена тесно связана с размерами поверхности тела: у теплокровных организмов, имеющих разные размеры тела, с 1 м² поверхности рассеивается одинаковое количество тепла.

Любая работа – физическая или умственная, а также прием пищи, колебания температуры окружающей среды и другие внешние и внутренние факторы, изменяющие уровень обменных процессов, влекут за собой увеличение энерготрат.

Поэтому основной обмен определяют в строго контролируемых, искусственно создаваемых условиях. Для определения основного обмена обследуемый должен находиться:

1. В состоянии физического и психологического покоя, т.е. в положении лежа с расслабленной мускулатурой, не подвергаясь раздражениям, вызывающим эмоциональное напряжение. В условиях мышечной и умственной нагрузки интенсивность обменных процессов возрастает.

2. Натощак, т.е. через 12—18 ч после приема пищи. Увеличение интенсивности обмена веществ после принятия пищи начинается через 1—2 часа и может продолжаться в течении 12 ч, а после потребления белка этот период может достигать 18 ч.

3. При температуре «комфорта» (18—20°С), не вызывающей ощущения холода или жары.

4. Интенсивность процессов обмена подвергается суточным колебаниям. Она возрастает утром и снижается в ночной период, что также необходимо учитывать при определении основного обмена.

Факторы, определяющие величину основного обмена.

1. Возраста. С возрастом величина основного обмена неуклонно снижается. Самый интенсивный основной обмен в расчете на 1 кг массы тела отмечается у детей (у новорожденных – 53 ккал/кг в сутки, у детей первого года жизни – 42 ккал/кг).

2. Конституциональных особенностей телосложения (роста, массы тела);

3. Пола. Средняя величина основного обмена у взрослых здоровых мужчин составляют около 1700 ккал или 7117 кДж в сутки; у женщин она ниже на 10%. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела.

Отмечены сезонные колебания величины основного обмена (повышение его весной и снижение зимой).

Величины основного обмена могут быть рассчитаны по формуле Дрейера, согласно которой, суточная величина основного обмена в килокалория (Н) составляет:

К– константа, равная для мужчин 0,1015, для женщин – 0,1129.

Оценить показатели основного обмена также возможно используя специальные таблицы, которые позволяют по росту, возрасту и массе тела определить средний уровень основного обмена человека.

Формулы и таблицы основного обмена представляют средние данные, выведенные из большого числа исследований здоровых людей разного пола, возраста, массы тела и роста, поэтому существуют методы позволяющие вычислить величины отклонения основного обмена от нормы при помощи гемодинамических показателей (формула Рида). Данный метод основан на взаимосвязи между артериальным давлением, частотой пульса и теплопродукцией организма.

Рабочий обмен – это совокупность основного обмена и энергетических затрат организма, обеспечивающих его жизнедеятельность в условиях терморегуляторной, эмоциональной, пищевой и рабочей нагрузок.

Терморегуляторное повышение интенсивности обмена веществ и энергии развивается в условиях охлаждения и у человека может достигать 300%.

При эмоциях увеличение расхода энергии у взрослого человека составляет обычно 40—90% от уровня основного обмена и связано главным образом с вовлечением мышечных реакций. Прослушивание радиопередач, вызывающих эмоциональные реакции, может повысить расход энергии на 50%, у детей при крике затраты энергии могут повышаться втрое.

Рабочий обмен превышает основной обмен, главным образом за счет функций скелетных мышц. При их интенсивном сокращении расход энергии в мышце может возрасти в 100 раз, общий расход энергии при участии в такой реакции более 1/3 скелетных мышц за несколько секунд может повыситься в 50 раз. У населения промышленно развитых стран повседневная двигательная активность относительно невелика, поэтому суточный расход энергии составляет примерно 8000—10500 кДж, или 2000—2250 ккал.

В положении сидя человек тратит энергии лишь на 20% больше, чем в положении лежа. Стоя человек расходует на 40% энергии больше, чем в условиях основного обмена. В 3—4 раза расход энергии повышает ходьба со скоростью не менее 5 км/ч. Ежедневная двухкилометровая прогулка (без изменений в питании) может способствовать устранению за 1 мес.1 кг жира. За счет повышения расхода энергии при физических динамических нагрузках (быстрая ходьба, бег, плавание, лыжи) не реже 3 раз в неделю можно значительно повысить резервы здоровья человека в целом.

Во время сна уровень метаболизма на 10—15% ниже, чем в условиях бодрствования, что обусловлено расслаблением мышц, а также снижением активности симпатической нервной системы, снижением выработки гормонов надпочечников и щитовидной железы, увеличивающих катаболизм.

Коэффициент физической активности – отношение общих энергозатрат на все виды жизнедеятельности к величине основного обмена, т.е. расходу энергии в состоянии покоя, Этот показатель является объективным физическим критерием, который определяет адекватное количество расходования энергии для конкретных профессиональных групп людей. Величины коэффициента физической активности одинаковы для мужчин и женщин, но в связи с меньшей величиной массы тела у женщин и соответственно основного обмена энерготраты мужчин и женщин в группах с одним и тем же коэффициентом физической активности различны.

Группа I. Очень легкая физическая активность. Коэффициент физической активности 1,4. Расход энергии 1800—2450 ккал/сут. К этой группе относятся работники преимущественно умственного труда (научные работники, студенты гуманитарных специальностей, операторы ЭВМ, диспетчеры, работники пульта управления и др).

Группа II. Легкая физическая активность. Коэффициент физической активности 1,6. Расход энергии 2100— 2800 ккал/сут (работники, занятые легким физическим трудом: водители трамваев, троллейбусов, работники конвейеров, весовщицы, работники сферы обслуживания, медицинские сестры, санитарки и др.).

Группа III. Средняя физическая активность. Коэффициент физической активности 1,9. Расход энергии 2500—3300 ккал/сут. К этой группе относятся работники средней тяжести труда (слесари, буровики, водители автобусов, врачи-хирурги, текстильщики, железнодорожники, металлурги-доменщики, работники химических заводов и др).

Группа IV. Высокая физическая активность. Коэффициент физической активности 2,2. Расход энергии 2850—3850 ккал/сут. (работники тяжелого физического труда: строительные рабочие, помощники буровиков, проходчики, основная масса сельскохозяйственных рабочих и механизаторов, доярки, овощеводы, деревообработчики, металлурги, и др.).

Группа V. Очень высокая физическая активность. Коэффициент физической активности 2,5. Расход энергии 3750—4200 ккал/сут. К этой группе относятся работники особо тяжелого труда, только мужчины (сельскохозяйственные рабочие в посевной и уборочный периоды, горнорабочие, вальщики леса, бетонщики, каменщики, землекопы, грузчики немеханизированного труда, и др).

Для каждой группы труда определены средние величины сбалансированной потребности здорового человека в энергии и пищевых веществах.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: