Енергетичні витрати і потреба в енергії організму людини

При організації раціонального харчування різних груп населення основою для нормування їх харчування є визначення (уточнення) добових енергетичних витрат організму людини залежно від ряду чинників. Ці витрати повинні бути компенсовані надходженням з їжею в певному співвідношенні різних речовин.

У живих організмах будь-який процес супроводжується передачею енергії. Енергія це загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Відомо, що всі форми руху матерії здатні перетворюватися один на одного в певних кількісних співвідношеннях. Спеціальний розділ фізики, який вивчає властивості і перетворення енергії в різних системах, називається термодинамікою. Під термодинамічною системою розуміють сукупність об'єктів, умовно виділених з навколишнього простору. Термодинамічні системи розділяють на ізольовані, закриті і відкриті. Ізольованими називають системи, енергія і маса яких не змінюється, тобто вони не обмінюються з навколишнім середовищем ні речовиною, ні енергією. Закриті системи обмінюються з навколишнім середовищем енергією, але не речовиною, тому їх маса залишається постійною. Відкритими системами називають системи, які обмінюються з навколишнім середовищем речовиною і енергією. З погляду термодинаміки живі організми відносяться до відкритих систем, оскільки головна умова їх існування - безперервний обмін речовин і енергії.

Згідно першому закону термодинаміки енергія не зникає і не виникає знов, а лише переходить з однієї форми в іншу. Другий закон термодинаміки стверджує, що вся енергія врешті-решт переходить в теплову енергію, і організація матерії стає повністю неврегульованою.

Здатність витягувати корисну енергію з навколишнього середовища є однією з основних властивостей, які відрізняють живі системи від неживих, тобто обмін речовин і енергії, що безперервно йде, є однією з основних ознак живих істот.

Обмін речовин і енергії - це сукупність фізичних, хімічних і фізіологічних процесів перетворення речовин і енергії в живих організмах, а також обмін речовинами і енергією між організмом і навколишнім середовищем. Обмін речовин у живих організмів полягає в надходженні із зовнішнього середовища різних речовин, в перетворенні і використовуванні їх в процесах життєдіяльності і у виділенні продуктів розпаду, що утворюються, в навколишнє середовище.

Перетворення речовини і енергії, які відбуваються в організмі, об'єднані загальною назвою - метаболізм (обмін речовин). На клітинному рівні ці перетворення здійснюються через складні послідовності реакцій, звані шляхами метаболізму, і можуть включати тисячі різноманітних реакцій. Ці реакції протікають не хаотично, а в строго певній послідовності і регулюються безліччю генетичних і хімічних механізмів. Метаболізм підрозділяють на два взаємозв'язаних, але різноспрямованих процесу: анаболізм (асиміляція) і катаболізм (дисиміляція).

Асиміляція– це постійне оновлення і заповнення пластичних і енергетичних ресурсів організму за рахунок харчових речовин, одержуваних з харчового раціону.

Дисиміляція– це окислювальне руйнування хімічних зв'язків органічних речовин в клітках організму людини і вивільнення енергії.

У дорослої здорової людини процеси асиміляції і дисиміляції знаходяться у відносній рівновазі і сприяють підтримці постійності внутрішнього середовища організму (гомеостаз). Ці процеси також регулюються нейрогуморальною системою регуляції організму. Постійність внутрішнього середовища організму має велике значення для здоров'я людини.

В процесі обміну речовин постійно відбувається перетворення енергії: енергія складних органічних сполук, що поступили з їжею, перетворюється на теплову, механічну і електричну. Людина і тварини одержують енергію з навколишнього середовища у вигляді потенційної енергії, укладеної в хімічних зв'язках молекул вуглеводів, жирів і білків. Всі процеси життєдіяльності забезпечуються енергією за рахунок анаеробного і аеробного метаболізму.

Динаміка хімічних перетворень, що відбуваються в клітках, вивчається біологічною хімією. Задачею фізіології і гігієни харчування є визначення загальних витрат речовин і енергії організмом і того, як вони повинні заповнюватися за допомогою повноцінного харчування. Енергетичний обмін служить показником загального стану і фізіологічної активності організму.

Одиниця вимірювання енергії, звичайно вживана в біології і медицині, - калорія (кал). Вона визначається як кількість енергії, необхідне для підвищення температури 1 г води на 1ºС. У Міжнародній системі одиниць (СІ) при вимірюванні енергетичних величин використовується джоуль (1 ккал = 4,18 кДж).

Обмін речовин і енергії (метаболізм) залежить від ряду чинників, а сумарну потребу в енергії організму людини визначають:

1) Рівень обмінних процесів, направлених на збереження постійності внутрішнього харчування організму і самооновлення його морфологічних структур (основний обмін);

2) Витрата енергії на травлення в широкому значенні цього слова (СДДЇ);

3) Пристосування (адаптація) організму до умов навколишнього середовища, які змінюються;

4) Трудова діяльність, пов'язана з перетворенням навколишнього середовища;

5) Активний відпочинок;

6) Продовження роду.

Об'єктивним показником витрати енергії за певний період часу є величина сумарних енергетичних витрат (тепловтрати) організму за той же період.

Процеси асиміляції і дисиміляції в організмі людини взаємозв'язані з процесами теплопродукції і тепловіддачі.

Теплопродукціяв організмі людини відбувається за рахунок засвоєння вуглеводів, жирів, білків, а тепловіддача йде по трьох шляхах: конвекції, випромінювання і випаровування.

Ці два процеси у дорослої здорової людини також знаходяться у відносній рівновазі.

Умовно сумарні енергетичні витрати людини можна розглядати як суму витрати енергії на:

а) основний обмін;

б) нервово-м'язову діяльність;

в) специфічну динамічну дію їжі (СДДЇ).

Основний обмін – це мінімальна витрата енергії, яка необхідна для підтримки життя організму в стані повного спокою при виключенні всіх внутрішніх і зовнішніх впливів, які здатні підвищити рівень обмінних процесів. Енергія основного обміну витрачається на постійне протікання хімічних процесів в організмі; механічну роботу, виконувану окремими органами (серцем, легенями, кровоносними судинами, кишечником і ін.); безперервну діяльність залізисто-секреторного апарату. Істинну величину основного обміну визначають в стані повного спокою, в комфортних умовах навколишнього середовища (температура повітря 18-20 °С, відносна вогкість повітря 40-60 %, швидкість руху повітря 0,3 м/сек) вранці після сну в положенні лежачи на спині при повному розслабленні м'язів. Причому, з моменту останньої їди повинне пройти не менше 12 годин (тобто вимірюється натще). Вимірюється величина основного обміну в ккал на 1 кг маси тіла в 1 мін, або в ккал на масу тіла за добу.

Сучасні дослідження показали, що величина основного обміну не є величиною постійної для конкретної людини і змінюється залежно від ряду чинників. Підвищенню енергії основного обміну сприяють:

а) м'язова робота;

б) нервово-емоційна напруга;

в) патологічний стан внутрішніх органів і ін.

Величина основного обміну залежить головним чином від:

а) віку;

б) росту;

в) маси тіла;

г) статі.

Орієнтовно величина основного обміну у дорослої здорової людини складає 1 ккал на 1 кг маси тіла в годину. У жінок основний обмін на 5-10 % нижче, ніж у чоловіків, а у літніх людей на 10-15 % нижче, ніж у молодих. Найвищий основний обмін спостерігається у дітей (1,9 - 2,1 ккал на кг в годину). Для молодих чоловіків з масою тіла 70 кг (стандартна маса тіла для чоловіків) основний обмін в середньому складає 1700 ккал на добу. Із збільшенням маси тіла основний обмін підвищується, хоча при цьому немає строгої пропорційності, оскільки ця величина залежить від ряду чинників (величина окремих органів, розвиток кісткової і м'язової системи, ступінь жирових відкладень і ін.). Тому при визначенні основного обміну, особливо у людей з надмірною масою тіла, доцільно виробляти розрахунки не тільки на фактичну масу тіла, але і на “ідеальну” масу, тобто на масу тіла, яку мав би чоловік даного росту нормально угодованій.

Нервово-м'язова діяльність робить найсильніший вплив на обмін енергії. Під час неспання (після сну) загальний обмін енергії завжди вищий основного обміну і залежить, перш за все, від характеру виконуваних робіт і рівня рухової активності;

На сумарну величину енергетичних витрат також роблять вплив:

в) тяжкість праці;

г) тривалість роботи;

д) умови зовнішнього середовища, в яких вона виконується;

ж) тренованість людини.

В даний час одержана значна кількість даних про величини енергетичних витрат при різних видах діяльності, які використовуються при розрахунку добових енергетичних витрат і нормуванні харчування окремих вікових і професійних груп населення.

Слід зазначити, що фізична працездатність людини і рівень максимальних енергетичних витрат значною мірою визначається функціональними можливостями серцево-судинної і дихальної систем.

Останнім доданком, якій робить вплив на величину добової потреби в енергії, є специфічна динамічна дія їжі (СДДЇ).

СДДЇ обумовлено витратою енергії на процеси травлення, всмоктування, транспорту, метаболізму і зберігання перевареної їжі. Активізація нервової системи в процесі травлення вуглеводами також робить вплив на СДДЇ.

Найбільшим СДДЇ володіє білок, причому споживання білка малими порціями сприяє більшому приросту основного обміну, ніж одноразовий прийом всієї кількості. Розрізняють СДДЇ - слабке (до 10 %), достатнє - (10-20 %), і добре виражене - (більше 20 % від основного обміну). За даними Рубнера СДДЇ білків складає 26,8 %, вуглеводів 2,8 %. Прийом жирів підвищує основний обмін на 4-14 %. При споживанні змішаної їжі (білків, жирів, вуглеводів) загальне підвищенні основного обміну приблизно складає 10-15 % від величини основного обміну. СДДЇ супроводжується збільшенням теплопродукції, яка може використовуватися для підтримки температури тіла при охолоджуванні.

Деякі люди, навіть при надмірному харчуванні, не збільшують масу тіла. Ряд вчених це пов'язує із збільшенням СДДЇ. З другого боку, навпаки, у деяких осіб спостерігається тенденція до дуже швидкого збільшення маси тіла. Припускають, що в цих випадках можливою причиною є зменшення СДДЇ. Проте це питання дискусійне, оскільки багато хто заперечує, що пониження СДДЇ сприяє ожирінню.

Загальна потреба в енергії людини визначається як сума всіх видів енергетичних витрат його організму (основний обмін, нервово-м'язова діяльність, СДДЇ) і згідно вимог раціонального харчування вона повинна бути адекватна рівню енергії споживаної з їжею. При цьому розмір тіла і рівень фізичної активності людини відповідає стійкому стану здоров'я і соціально бажаній фізичній активності. Це може бути досягнуто в результаті досягнення так званого енергетичного балансу, коли сума витрат енергії організмом повністю компенсується енергією, що доставляється в організм з їжею.