Тепловую энергию по традиции иногда измеряютв калориях. Так как мы видим, что механическая энергия в эквивалентных количествах может преобразовываться в тепловую, то спросим, нельзя ли и тепловую энергию выразить в джоулях. Эксперименты показывают, что можно, и один джоуль равен, приблизительно, 0,23 калории, а одна калория эквивалентна 4,2 джоуля.
Для большей предметности скажем, что одна калория – это количество тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия.
В пищевых продуктах энергия запасена в виде химических связей, при разрыве которых высвобождается энергия, которую организм, по потребности, усваивает или расходует в форме электрической, механической, тепловой или химической энергии. Количества всех этих видов энергии можно выразить в джоулях, а, значит, и в калориях.
Поэтому, калорийность пищи – это запас энергии в килокалориях на 100 граммов, и эта энергия высвобождается на покрытие энергетических расходов организма.
Теперь на конкретном примере разберемся, как подсчитать расход калорий на какой-то вид деятельности, а, значит, и оценить количество пищи, которую надо употребить, чтобы в точности покрыть расход, и не допустить отложения излишка энергии в жир. (Жир – очень экономичная форма запасания энергии, потому что в 1 килограмме жира запасается около 6000 килокалорий).
Допустим, вы поднимаете груз 10 кг (гантель), тренируя двуглавую мышцу плеча – то есть из положения «опустив руку вниз» сгибаете ее в локте, перемещая груз на 50 см вверх. Всего, попеременно, вы поднимаете его 80 раз (по 40 раз каждой рукой).
Итого, вы поднимаете его на высоту 40 метров. Следовательно, вы сообщаете грузу потенциальную энергию 10(кг)×9,81(м/с2)×40(м), или, приблизительно, 4000 джоулей. В 1 калории примерно 4 джоуля. Значит, на это упражнение вы затратили 1000 калорий, или 1 килокалорию.
Или, можно подсчитать, сколько энергии тратит человек весом 70 кг при ходьбе. С каждым шагом человек поднимает массу 70 кг на высоту около 0,1 м. Перемещение вдоль поверхности земли практически не требует затрат энергии. Допустим, человек делает 100 шагов. Значит, он суммарно поднимает массу тела на высоту 10 метров. По той же формуле 70(кг)×10(м/с2)×10(м), что составляет 7000 джоулей, или 1,75 ккал. Если 100 шагов вы делаете в течение 1 минуты, то за час такой ходьбы вы потратите 105 ккал.
На первое упражнение с отягощением тратится, в среднем, 1 минута. Если чередовать разные упражнения на разные группы мышц, например, с подтягиваниями, приседаниями и отжиманиями, то в час затраты энергии составят около 150 ккал.
Значит, всего на гимнастику и ходьбу было потрачено 250 ккал.
В 1 г углеводов содержится 4 ккал, в 1 г белка – 4 ккал, и в 1 г жира 9 ккал.
В обычной диете весовое соотношение белков, жиров и углеводов должно составлять 1:1:4. Следовательно, белки дадут Х килокалорий, жиры 2Х килокалорий, и углеводы 4Х килокалорий. Считаем: 250 делим на 7, получаем 36 ккал. Таким образом, из белка надо получить 36 ккал, из жиров 72 ккал, и из углеводов приблизительно 150 ккал; то есть для того, чтобы покрыть этот расход энергии, надо употребить 6 граммов белка, около 5 граммов жира и 40 граммов углеводов. Грубо говоря, это 20-граммовый ломтик мяса и кусок белого хлеба с маслом. Не так уж много!
Конечно, рассчитывать самому себе необходимый рацион питания очень сложно (если учитывать все энергетические расходы и поступление энергии с пищей). Для расчетов существуют таблицы, которыми пользуются специалисты по составлению рационов – диетологи, с которым и надо проконсультироваться, если у вас есть проблемы с весом (они могут быть вызваны каким-то основным заболеванием, которое и надо лечить в первую очередь). Если же их нет, то вполне можно самостоятельно пользоваться таблицами, приведенными в приложениях 2 и 3, а также таблицами, которые можно найти во множестве источников.
Эти выкладки были приведены здесь, в принципе, только для того, чтобы было понятно, что такое, собственно, калорийность пищи, и какое отношение имеет она к энергетике организма.
Между прочим, калорийность пищи определяют, просто сжигая ее в калориметре с водяной баней.
Приложение 1. Энергетика организма
В книге довольно много места уделено питанию, физическим упражнения и болезням, возникающим из-за избытка первого и недостатка второго. Между тем, питание и физические нагрузки – это две стороны одной медали, и называется эта медаль открытой энергетической системой.
Действительно, мы едим органическую пищу, пьем воду, вдыхаем кислород, и только за счет этого имеем возможность двигаться, думать – вообще существовать.
Первая мысль, которая, при этом возникает: пищу мы закладываем в организм, который представляется в этом случае каким-то подобием топки, где сгорает (в атмосфере кислорода) поглощенная нами еда, производя энергию.
Суммарное уравнение, вроде бы, подтверждает такой взгляд. Основное топливо организма – глюкоза, имеющая формулу С6Н12О6. В ходе ее сгорания образуется вода, Н2О, и углекислый газ, СО2. Вроде бы все правильно, как в костре, где горят деревяшки, представляющие собой целлюлозу, то есть полимер той же глюкозы. Сначала выделяется водяной пар, дерево обугливается – обнажается углерод (в результате лишения углеводов воды), который, далее, и сгорает с образованием углекислого газа.
Однако, у костра можно греться в холодную осеннюю ночь, ибо температура сгорания древесины, в среднем, равна приблизительно 900 градусов, а воспламеняется она при температуре около 300 градусов. В организме человека, да и не только человека, а представителя любого другого биологического вида, за исключением червей Дюны, таких температур нет. Окисление происходит на холоде, так как в самых горячих местах нашего тела температура не превышает тридцати восьми градусов. Даже если учесть, что все реакции в нашем организме катализируются ферментами, невозможно понять, как может углерод сгорать при такой низкой температуре.
Значит, биологические системы научились каким-то образом обходить законы термодинамики? Оказывается, нет, но они пошли другим путем. Думается, читателю будет интересно разобраться, как это происходит.
Начнем мы с первого этапа – проникновения глюкозы внутрь клеток. Мы уже знаем, что для этого нужен инсулин. Предположим, что его достаточно, и это событие – вхождение глюкозы в клетку произошло.
Надо сразу оговориться, что глюкоза не является единственным источником энергии. Вторым по значимости источником является жир, точнее жирные кислоты, отщепляющиеся от нейтрального жира – эфира глицерина и жирных кислот. Однако, конечные этапы окисления жирных кислот не отличаются от конечных этапов окисления глюкозы, просто эти вещества проходят разные предварительные стадии подготовки к процессу, называемому окислительным фосфорилированием. Что это такое, будет понятно в конце рассказа.
В принципе, любое органическое вещество в организме может в результате химических превращений стать источником энергии, даже белки, которые в норме основным источником энергии никогда не являются.
Но не будем отвлекаться. Итак, глюкоза находится в клетке.
Гликолиз
Для того, чтобы глюкоза могла вступить в дальнейшие реакции, к ней присоединяются два остатка фосфорной кислоты, и образуется глюкозо-1,6-дифосфат. Зачем это нужно?
Здесь мы сделаем небольшое отступление и разберемся, как вообще происходит обмен энергии в живой клетке, а, значит, и в живом организме вообще. Надо еще раз вспомнить, что организм – это конфедерация отдельных, в общем, достаточно автономных одноклеточных организмов, получающих, правда, питание, не из водоема, а из играющей его роль крови.
Для работы клеток используется химическая энергия, запасенная в связях между атомами и молекулами. Как утверждают в курсах химии, эта связь может быть ковалентной и не ковалентной, например, водородной (то есть электрической). При разрыве связей высвобождается энергия (энергия в физике определяется как способность совершить работу, и измеряется в тех же единицах). Она может высвободиться в виде тепла, а может пойти на образование другой связи, то есть на образование нового вещества. Так все и происходит – обмен энергией в организме неотделим от обмена веществ.
Есть в клетке и специальные соединения, которые играют роль поставщиков энергии для химических реакций синтеза, а сами образуются в ходе реакций расщепления, за счет выделяющейся при этом энергии. К этим соединениям относятся такие вещества, как креатинфосфат (о котором сторонние люди едва ли когда-нибудь слышали) и аденозинтрифосфат, он же, сокращенно, АТФ. Об этом соединении слышали все (во всяком случае, лет тридцать назад о нем, точно, все знали, потому что его очень охотно кололи внутримышечно, пока не поняли, что при таком введении от него нет никакого толка), так как АТФ называют энергетической валютой клетки. Чем больше в ней АТФ, тем интенсивнее идут в ней процессы синтеза необходимых веществ. АТФ передает энергию, отдавая другим соединениям фосфатную (фосфорильную) группу. Не вдаваясь в подробности, скажу, что активность многих (лучше сказать, почти всех) ферментов (катализаторов) биохимических реакций стимулируется присоединением фосфата, так как он меняет их конфигурацию и сродство (способность захватывать) к реагентам. Но откуда в клетке берется АТФ?
