Как измеряют калорийность пищевых продуктов

Интересно, а как измеряют калорийность пищевых про­дуктов? Самим медикам было бы трудно справиться с этим, ведь организм - очень сложная система. Здесь на помощь снова пришла термодинамика.

Тепловой эффект в условиях существования организма есть функция состояния, то есть не зависит от того, где и как ве­щество вступает в реакцию при условии, что продукты реакции остаются неизменными. Поэтому для определения калорийно­сти пищи используют калориметр сгорания. Не слишком досто­верные результаты получаются только для белков - в калори­метрической бомбе азот, содержащийся в белках, выделяется в виде N₂ или оксидов азота, а из организма он выводится в виде мочевины СН₄^С.

С помощью калориметра подсчитали, что в среднем по­требность организма в энергии составляет 6300 кДж (около 1500 ккал). Но для каждого из нас эта цифра различна. Объяс­нение этому дает Первый закон термодинамики: теплота, получаемая системой, идет на изменение её внутренней энер­гии и совершение работы

Q = AU+А.

Под изменением внутренней энергии мы подразумеваем её затраты на поддержание температуры тела, перегруппировку атомов пищи в клетки организма и, наконец, запас энергии в виде жиров. Зная это, диетологи могут смело советовать же­лающим увеличить свой вес в состоянии покоя (когда величина совершаемой работы мала) поглощать как можно больше высо­кокалорийной пищи - жиров и углеводов: тогда излишняя внут­ренняя энергия пойдет на организацию запаса жиров в организ­ме.

Напротив, желающим похудеть обычно рекомендуют по­больше двигаться и поменьше есть булочек и пирожков (то есть уменьшить количество энергии, поступающей в виде пищи).

И еще. Чтобы зимой не мёрзнуть на улице и не просту­жаться, медики советуют хорошо питаться. В голодном состоя­нии организм «вынужден» расходовать меньше энергии на под­держание температуры тела и протекание внутренних процес­сов, а ослабленный организм может легче «подхватить» просту­ду.

Энтропия и болезни

Кстати, о болезнях. Они тоже в ведении термодинамики. Практически все болезни - начиная обычным гриппом и заканчи­вая пугающим раком - развиваются по закону, очень похожему на статистическую трактовку энтропии Больцмана:

S = KlnW

Рассмотрим единую биологическую систему - население современного мегаполиса. Общая энтропия этой системы

Sобщ. = ΣSj,

где S_j,— энтропия отдельного человеческого организма.

Пусть в системе появился один носитель заболевания. Упорядоченность работы его организма уменьшается - вирус вносит хаос в отлаженную систему. следовательно, тоже повышается и резко увеличивает вероятность наступления события - заражения вирусом других членов мегаполиса. При за­ражении второго организма снова возрастает и снова резко «подскакивает» величина W. Возможно, такая трактовка распро­странения заболевания вызовет сомнение, но эксперименталь­ными данными доказан экспоненциальный характер развития эпидемий среди людей и животных. Поэтому врачи должны быть максимально внимательны - при несвоевременных медицинских мерах эпидемия почти мгновенно охватывает город. Мы не зря говорили о мегаполисе - как и в термодинамике, чем больше число объектов в составе макросистемы, тем точнее действует закон.

Подобная экспоненциальная зависимость действует и внутри отдельного организма. Рассмотрим распространение в нем одного из самых страшных заболеваний - рака. Здоровые клетки организма высоко дифференцированы - клетки печени, мозга, мышечных тканей не похожи друг на друга, они имеют сложное строение и строго выполняют свою функцию. Высокая их организация означает очень низкую величину энтропии здо­ровой клетки S;^, При возникновении опухолей клетки начинают себя вести подобно одноклеточным организмам - размножаются. При этом каждая клетка опухоли постепенно теряет свою диф­ференциацию - опухолевые клетки мозга, печени, желудка все менее отличаются друг от друга. Их структура становится менее упорядоченной, а деятельность - менее специализированной. Это означает, что энтропия опухолевых клеток больше, чем здо­ровых. Таким образом, для процесса образования опухоли:

Опухоли > ⁰

Долгое время лекарства, замедляющие развитие опу­холи, искали наощупь. Основываясь на термодинамических вы­водах, можно сказать - лекарство против рака должно действо­вать таким образом, чтобы приостанавливать рост энтропии в системе. По принципу «подобное лечи подобным», действие лекарства должно описываться во времени экспоненциальной зависимостью, причем величина уменьшающего энтропию дей­ствия лекарства должна. перекрывать увеличивающуюся энтро­пию опухоли, тогда развитие заболевания приостанавливается. Сейчас эффективность лекарства описывают величиной

где т_контр. - степень экспоненты в уравнении динамики образова­ния опухоли без лечения; т_ог1 - степень экспоненты при действии лекарства.

Чем больше N, тем эффективнее лекарство.

Итак, термодинамика вносит свой вклад в борьбу с самы­ми страшными заболеваниями человечества. Но в запасе у ме­диков остался самый глобальный вопрос: почему человек всю жизнь пытается удалиться от равновесия, потребляя негэнтропию, и все равно в конце концов стареет и умирает?

Процесс старения характерен только для многоклеточно­го организма, состоящего из множества дифференцированных клеток. Все клетки можно разделить на две группы:

-клетки, способные к делению - клетки разных органов;

-неделящиеся клетки - клетки поперечно-полосатой мыш­цы и головного мозга. Таким образом, старение связано либо с деятельностью клеток первой группы, либо с дегенеративными процессами клеток второй группы.

Иногда старение организма уподобляют изнашиванию машины. Наибольшему износу, очевидно, должны подвергаться неделящиеся клетки, и этот износ означает увеличение энтропии — беспорядка их действия и смерть.

Но путем сложных экспериментов биологам удалось по­казать, что жизнь неделящейся клетки представляет собой не­прерывный процесс адаптации к условиям среды, это означает постоянное уменьшение энтропии неделящихся клеток.

Таким образом, процесс старения и смерти организма связан с деятельностью делящихся паренхиматозных клеток. Значит, для обеспечения долголетия врач должен советовать своим пациентам побольше нагружать работой клетки головного мозга и поперечно-полосатой мышцы и, напротив, избегать сильных раздражителей и задавать умеренную функциональную нагрузку паренхиматозным органам - печени, почкам, эндокрин­ному аппарату. На более понятном языке это означает - не зло­употреблять спиртным, табачными изделиями, жареной и жир­ной пищей, не нарушать гормональный фон организма.