Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Особенности первого начала термодинамики в биологических системах. Виды полезной работы организма, их коэффициенты полезного действия. Первичное и вторичное тепло.




Энергетический обмен присущ каждой живой клетке; богатые энергией питательные вещества усваиваются и химически преобразуются, а конечные продукты обмена веществ с более низким содержанием энергии удаляются из клетки. Освобождающаяся при этом энергия используется для различных целей, например для поддержания клеточной структуры (и, следовательно, сохранения ее функций}, а также для обеспечения специфических клеточных активностей (таких, например, как сокращение мышечных клеток).

Обменные, или метаболические, процессы, в ходе которых специфические элементы организма синтезируются из поглощенных пищевых продуктов, называют анаболизмом; соответственно те метаболические процессы, в ходе которых структурные элементы организма или поглощенные пищевые продукты подвергаются распаду, называют катаболизмом. Метаболизм жиров и углеводов служит главным образом для обеспечения физиологических функций (функциональный метаболизм), тогда как белковый обмен нужен в первую очередь для поддержания и изменения структуры организма (структурный метаболизм).

Валовая продукция энергии. Интенсивность энергопродукции организма в целом зависит от количества выделенной энергии (внешняя работа, тепло) и от количества запасенной энергии (депонирование питательных веществ, структурные преобразования) в единицу времени: общее количество выработанной энергии – это сумма внешней работы, тепловых потерь и запасенной энергии.

Единицы измерения энергетического обмена. Традиционно энергетический обмен выражают в килокалориях (ккал) на единицу времени. Однако в Международной системе единиц в качестве основной единицы энергии принят джоуль (Дж): 1 джоуль = 1 ватт·1 секунда = 2,39–10–4 ккал; 1 ккал =4187 Дж = 4,187 кДж ≈ 0,0042 МДж. Отсюда следует, что 1 кДж/ч ≈ 0,28 Вт (≈ 0,239 ккал/ч) и 1 кДж/сут ≈ 0,012 Вт (≈0,239 ккал/сут).

Интенсивность метаболизма в покое не выражается суммой соответствующих уровней готовности, присущих всем его клеткам, поскольку некоторые органы (например, мозг, сердце, дыхательная мускулатура, печень и почки) постоянно находятся в активном состоянии.

Интенсивность основного обмена (ИОО). Обычно предусматриваются следующие четыре условия для измерения интенсивности основного обмена: 1) утром, 2) в покое (в лежачем положении), 3) натощак и 4) в условиях температурного комфорта.

Интенсивность обмена веществ, измеренная утром, натощак, в условиях покоя и температурного комфорта, когда–то служила важным диагностическим показателем, который использовали для выявления нарушений в функциях щитовидной железы.

Интенсивность процессов обмена подвергается суточным колебаниям – возрастает утром и снижается в ночной период.

Интенсивность процессов обмена возрастает в условиях физической и умственной нагрузки, что связано с увеличением числа клеток, интенсивность метаболизма в которых превышает уровень готовности. В обоих указанных случаях основным органом, определяющим интенсивность обмена веществ, являются мышцы.

Интенсивность процессов обмена повышается во время приема пищи и ее последующего переваривания, особенно если пища была белковой. Этот эффект называют специфическим динамическим действием пищи.

Интенсивность обмена веществ возрастает, если температура окружающей среды отклоняется от комфортной (выходит за пределы диапазона нейтральной температуры, или термонейтральной зоны)

Сдвиги в сторону охлаждения приводят к большему усилению обмена веществ, чем сдвиги в сторону повышения температуры. Процессы изменений температуры тела подчиняются закону Вант–Гоффа.

Таблица 1. Относительный вклад различных органов в обеспечение основного обмена у человека.

Орган печень мышцы мозг сердце почки другие органы
Относительный вклад 26% 18% 9% 7% 14%

Интенсивность обмена веществ в условиях нагрузки. При физической работе скорость метаболизма возрастает в зависимости от степени физического напряжения. Интенсивность обмена веществ при «относительном покое», т. е. у испытуемого в очень малоактивном состоянии, составляет приблизительно 8400 кДж/сут (97 Вт) для женщин и 9600 кДж/сут (110 Вт) для мужчин. Эта величина соответствует суточному обмену веществ у значительной части населения– людей, занимающихся «сидячей работой» и не затрачивающих сколько–нибудь значительных физических усилий.

Коэффициент полезного действия. Если клетка совершает внешнюю работу, то часть вырабатываемой при этом энергии обязательно выделяется в виде тепла (второй закон термодинамики). Коэффициент полезного действия (η) активно функционирующей клетки, как и КПД машины, представляет собой ту часть вырабатываемой энергии, которая затрачивается на внешнюю работу; его величина всегда меньше 100%:

η (%) = Внешняя работа/ Вырабатываемая энергия •100

Следует различать суммарный коэффициент полезного действия, рассчитываемый по общей знергопродукции, и практический коэффициент полезного действия, определяемый по количеству выработанной энергии за вычетом энергии основного метаболизма. Коэффициент полезного действия изолированной мышцы в лучшем случае достигает 35%; при мышечной работе целого организма его величина редко превышает 25%.

 

116.) Энерготраты при различных функциональных состояниях и видах деятельности организма. Коэффициент физической активности. Специфическое динамическое действие пищи.

Основной потребитель энергии в организме высших животных и человека — скелетные мышцы. Их масса составляет более 45% общей массы тела. Мышечные клетки получают энергию из плазмы крови (в виде глюкозы, лактата, кетоновых тел и свободных жирных кислот) и из собственной цитоплазмы (расщепление гликогена).

Мышечная работа значительно увеличивает расход энергии, поэтому суточный расход энергии у здорового человека, проводящего часть суток в движении и физической работе, значительно превышает величину основного обмена. Это увеличение энерготрат составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем интенсивнее мышечная работа.

При мышечной работе освобождается тепловая и механическая энергия. Отношение механической энергии ко всей энергии, затраченной на работу, выраженное в процентах, называется коэффициентом полезного действия. При физическом труде человека коэффициент полезного действия колеблется от 16 до 25 % и составляет в среднем 20 %, но в отдельных случаях может быть и выше.

Коэффициент полезного действия изменяется в зависимости от ряда условий. Так, у нетренированных людей он ниже, чем у тренированных, и увеличивается по мере тренировки. Затраты энергии тем больше, чем интенсивнее совершаемая организмом мышечная работа. Степень энергетических затрат при различной физической активности определяется коэффициентом физической активности (КФА), который представляет собой отношение общих энерготрат на все виды деятельности за сутки к величине основного обмена. По этому принципу все мужское население разделено на 5 групп. Значительные различия энергетической потребности в группах зависят от пола (у мужчин больше), возраста (снижаются после 40 лет), степени активности отдыха и уровня коммунального обслуживания. Женское население разделено по энерготратам на 4 группы.

В старости энерготраты снижаются и к 80 годам составляют 8373 — 9211 кДж (2000 — 2200 ккал).

При умственном труде энерготраты значительно ниже, чем при физическом. Трудные математические вычисления, работа с книгой и другие формы умственного труда, если они не сопровождаются движением, вызывают ничтожное (2—3 %) повышение затраты энергии по сравнению с полным покоем. Однако в большинстве случаев различные виды умственного труда сопровождаются мышечной деятельностью, в особенности при эмоциональном возбуждении работающего (лектор, артист, писатель, оратор и т. д.), поэтому и энерготраты могут быть относительно большими. Пережитое эмоциональное возбуждение может вызвать в течение нескольких последующих дней повышение обмена на 11 —19 %.

Методом непрямой калориметрии показано, что у сидящего человека энерготраты на 40%, а у стоящего на 70% выше величины основного обмена. Этот уровень энерготрат называют обменом покоя.

Легкая (канцелярская) работа увеличивает расход энергии вдвое, ходьба в среднем темпе — втрое, половой акт — в 4 раза, бег трусцой — в 8 раз. Кратковременные физические нагрузки (несколько минут) могут увеличивать скорость метаболизма в 20 раз.

Существует множество классификаций труда, основанных на оценке его энергетической цены. Простой принцип разделения профессий предложен Диллом еще в 1936 г. Согласно этому принципу, если в течение 8 ч профессиональной деятельности общие энерготраты не превышают величины основного обмена более чем в 3 раза, следует говорить о работе умеренной тяжести. Энерготраты, равные 3—8 величинам основного обмена, соответствуют тяжелому труду, еще более высокие — очень тяжелому.

Для компенсации затрат энергии питанием необходимо знать не столько величину ежеминутного расхода энергии в процессе труда, сколько общие суточные энерготраты представителя каждой профессии.

С достаточной точностью их можно вычислить, сложив три величины:

— энерготраты за время сна — они примерно соответствуют основному обмену за 8 ч, т. е. 70 ккал/ч х 8 ч == 560 ккал;

— энерготраты за 8 ч так называемой обычной деятельности (прием пищи, дорога домой и из дома, выполнение работы по дому, отдых бодрствуя) — они примерно соответствуют удвоенному основному обмену за 8 ч, т. е. 1120 ккал;

— энерготраты за 8 ч профессиональной деятельности — измеряются в реальных условиях труда.

Таким образом, границей между трудом умеренной тяжести и тяжелым трудом (по Диллу) будет:

560 + 1120 + (3 х 560) = 3360 (ккал/сут.). Начало области очень тяжелого труда будет соответствовать:

560 + 1120 + (8 х 560) = 6160 (ккал/сут.)

Примечание: в данном примере обмен человека, отдыхающего в постели, на 10% выше основного обмена. Причина различия — специфическое динамическое действие пищи (человек накануне ужинал, и пища содержала белки)

Подсчитана энергетическая цена всех массовых профессий. Есть редкие профессии, требующие еще больших энерготрат. Так, горцы, спускающие поваленный лес на санях в долину, затрачивают в сутки около 7000 ккал. Однако столь тяжелую работу способны выполнять только некоторые из людей, по несколько недель в год и в течение немногих лет.

Большинство жителей развитых стран выполняют работу, общие энерготраты при которой не превышают 2,5—3 величин основного обмена, что примерно соответствует суточным энерготратам 3100—3350 ккал.

Дыхательный коэффициент во время работы. Во время интенсивной мышечной работы дыхательный коэффициент повышается и в большинстве случаев приближается к единице. Это объясняется тем, что главным источником энергии во время напряженной мышечной деятельности является окисление углеводов. После завершения работы дыхательный коэффициент в течение первых нескольких минут так называемого периода восстановления резко снижается до величин меньших, чем исходные, и только спустя 30—50 мин после напряженной работы обычно нормализуется.

Специфическое динамическое действие пищи:

Процессы пищеварения и усвоения пищи сопровождаются заметным увеличением энергетического обмена. Примерно через час после приема пищи интенсивность обменных процессов возрастает, достигая своего максимума спустя 3 ч, а затем на протяжении нескольких часов (у птиц и млекопитающих) или нескольких суток (у низших позвоночных) остается выше уровня основного обмена. Следовательно, после приема пищи потребление кислорода и теплопродукция у животного увеличиваются независимо от влияния других видов физиологической активности. В 1885 г. Макс Рубнер сообщил, что наблюдаемое усиление теплопродукции зависит от вида питательных веществ. Он же дал этому явлению довольно громоздкое название специфическое динамическое действие пищи. Механизм явления полностью не изучен, но, по–видимому, работа, затрачиваемая на пищеварение (и сопутствующее ей увеличение метаболизма в тканях желудочно–кишечного тракта) лишь в малой степени определяет активацию обмена веществ. Более правдоподобное объяснение этой активации, возможно, состоит в том, что некоторые органы, например печень, затрачивают дополнительную энергию для обработки продуктов пищеварения перед тем как последние вступают в циклы метаболических превращений. Часть этой дополнительной энергии теряется в виде тепла. Углеводы и жиры, поступающие в организм с пищей, повышают интенсивность обмена на 5–10%, белки – на 25–30%. В связи с изложенным есть определенный смысл проводить измерения основного обмена в постабсорбтивный период (натощак), чтобы свести к минимуму влияние специфического динамического действия пищи.

Регуляция обмена энергии:

Уровень энергетического обмена находится в тесной зависимости от физической активности, эмоционального напряжения, характера питания, степени напряженности терморегуляции и ряда других факторов.

Получены многочисленные данные, свидетельствующие об условнорефлекторном изменении потребления Ог и энергообмена. Любой ранее индифферентный раздражитель, связанный по времени с мышечной деятельностью, может служить сигналом к увеличению обмена веществ и энергии.

У спортсмена в предстартовом состоянии резко увеличивается потребление Ог, а следовательно, и энергообмен. То же происходит во время прихода на работу и при действии факторов рабочей обстановки у рабочих, деятельность которых связана с мышечными усилиями. Если испытуемому под гипнозом внушить, что он выполняет тяжелую мышечную работу, то обмен у него может значительно повыситься, хотя в действительности испытуемый не производит никакой работы. Все это свидетельствует о том, что уровень энергетического обмена в организме может изменяться под влиянием коры большого мозга.

Особую роль в регуляции обмена энергии играет гипоталамическая область мозга. Здесь формируются регуляторные влияния, которые реализуются вегетативными нервами или гуморальным звеном за счет увеличения секреции ряда эндокринных желез. Особенно выражение усиливают обмен энергии гормоны щитовидной железы — тироксин и трийодтиронин, и гормон мозгового вещества надпочечника адреналин.

 


Поможем в написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой





Дата добавления: 2015-08-12; просмотров: 3045. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.025 сек.) русская версия | украинская версия
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7