Цель: Познакомится с хронометражно-табличным методом определения потребности организма в энергии. Закрепить теоретические знания законов химической термодинамики путем решения задач.
Исходный уровень:
Химическая термодинамика;Краткое содержание: Живые организмы и их популяции являются открытыми термодинамическими системами, состоящими из большого количества разнообразных химических соединений. Выделение системы из окружающей среды является относительным, при этом менее сложная система (подсистема) может быть составной частью более сложной системы (например, организм, это часть популяции). Самой сложной биологической системой является биосфера, в результате её разделения на элементы, можно получить ряд подсистем:
Биосфера – биогеоценоз – популяция – организм – орган – ткань – клетка – органелла – биомолекулы.
Важнейшее свойство организмов заключается в их способности улавливать, преобразовывать и запасать энергию в различных формах. Основная деятельность зеленых растений состоит в фотосинтезе, в результате которого энергия электромагнитных волн преобразуется в энергию химических связей. Животные, в том числе человек, приспособлены к эффективному процессу усвоения пищи и высвобождению запасенной в них энергии. Энергия, получаемая организмом, идет на совершение им биологической работы, и часть её рассеивается в виде теплоты.
Основная часть энергии необходимая для функционирования организма человека поступает с пищей. Главным источниками энергии в любой пище являются три её компонента: белки, жиры и углеводы. Для экспериментального определения калорийности пищевого продукта его образец известной массы сжигают в калориметрической бомбе и определяют вызванное этим повышение температуры. Энергия, которую мы получаем с пищей, расходуется главным образом на совершение биологической работы (дыхание, кровообращение, мышечные сокращения и т. д.), для выполнения мышечной работы, связанной с режимами двигательной активности, для поддержания определенной температуры тела, для осуществления химических превращений, происходящих в организме (обмен веществ).
Потребность организма в энергии зависит от скорости процессов обмена веществ, направленных на сохранение постоянства внутренней среды (гомеостаза) и обновление его тканей, а также расходования энергии на трудовую деятельность, активный отдых, приспособление к условиям окружающей среды и т. д.
Величина основного обмена (ВОО) – минимальное количество энергии, необходимое для осуществления жизненно важных процессов, то есть затраты энергии на выполнение всех физиологических, биохимических процессов, на функционирование органов и систем организма в состоянии температурного комфорта (20 0С), полного физического и психического покоя натощак. Основной обмен взрослого человека составляет примерно 1 ккал на 1 кг массы тела за 1 час (1 ккал = 4,186 кДж).
ВОО зависит от ряда факторов, в первую очередь, от возраста, массы тела и пола. У женщин: ВОО на 15% ниже, чем у мужчин (табл. 2). При беременности и грудном вскармливании потребности в энергии увеличиваются в среднем на 15 и 25 % соответственно. У детей: в первый год жизни 15 % потребляемой с пищей энергии тратится на анаболические процессы и рост (табл. 3). С возрастом отношение ВОО/масса тела постепенно снижается до наступления полового созревания. Максимальной потребности в энергии соответствует быстрый рост в подростковом возрасте (пубертатный период, табл. 2). У взрослых людей каждые 10 лет снижается примерно на 7-10 %. Адаптация к холодному климату Крайнего Севера приводит к увеличению расхода энергии в среднем на 15 %.
Таким образом, основной обмен – это обобщенный показатель, он может так же изменятся в зависимости от физических нагрузок, воздействия на организм климатических факторов, при заболеваниях и т. д.
Суточные энерготраты определяются конкретными видами деятельности и ВОО.
Мышечная деятельность оказывает наиболее сильное влияние на метаболизм. Расход энергии у человека, выполняющего тяжелую физическую нагрузку, может в три раза превышать энергию основного обмена. Энергозатраты зависят от тяжести и интенсивности труда, его продолжительности, условий окружающей среды и тренированности организма человека. Умственная деятельность не может существенно отражаться на расходе энергии всего организма. Повышение энергозатрат при умственной деятельности во многом зависит от эмоционально-психологического возбуждения и сопутствующего тонуса мышц, а также двигательной активности.
Физиологические потребности в энергии для взрослых - от 2100 до 4200 ккал/сутки для мужчин и от 1800 до 3050 ккал/сутки для женщин.
Физиологические потребности в энергии для детей - 110-115 ккал/кг массы тела для детей до 1 года и от 1200 до 2900 ккал/сутки для детей старше 1 года.
Потребность в энергии и пищевых веществах зависит от физической активности, характеризуемой коэффициентом физической активности (КФА), равным отношению энерготрат на выполнение конкретной работы к ВОО. Все взрослое население в зависимости от величины энерготрат делится на 5 групп для мужчин и 4 группы для женщин, учитывающих производственную физическую активность и иные энерготраты (табл. 2 и 4).
Таблица 2.
Средние величины основного обмена (ВОО) взрослого населения России (ккал/сутки)
Мужчины (основной обмен) | Женщины (основной обмен) | ||||||||
Масса тела, кг | 18-29 лет | 30-39 лет | 40-59 лет | Старше 60 лет | Масса тела, кг | 18-29 лет | 30-39 лет | 40-59 лет | Старше 60 лет |
50 55 60 65 70 75 80 85 90 | 1450 1520 1590 1670 1750 1830 1920 2010 2110 | 1370 1430 1500 1570 1650 1720 1810 1900 1990 | 1280 1350 1410 1480 1550 1620 1700 1780 1870 | 1180 1240 1300 1360 1430 1500 1570 1640 1720 | 40 45 50 55 60 65 70 75 80 | 1080 1150 1230 1300 1380 1450 1530 1600 1680 | 1050 1120 1190 1260 1340 1410 1490 1550 1630 | 1020 1080 1160 1220 1300 1370 1440 1510 1580 | 960 1030 1100 1160 1230 1290 1360 1430 1500 |
Таблица 3.
Средние величины основного обмена детского населения
Возраст | Основной обмен (ккал/кг массы тела) | Основной обмен (ккал/сутки) |
1 мес. | 60 | 250 |
до года. | 55 | 550 |
от 1 до 3 лет | 52 | 660 |
от 3 до 7 лет | 48 | 900 |
от 7 до 11 лет | 25 | 650 |
от 11 до 18 лет | 24 | > 690 |
Таблица 4.
Группы населения, дифференцированные по уровню физической активности
Профессиональные группы | КФА | Представители профессиональных групп |
I группа - работники преимущественно умственного труда, очень легкая физическая активность | 1,4 | Государственные служащие административных органов и учреждений, научные работники, преподаватели, учителя средних школ, студенты, специалисты-медики, психологи, диспетчеры, операторы в т. ч. техники по обслуживанию ЭВМ и компьютерного обеспечения, программисты, работники финансово-экономической, юридической и административно-хозяйственной служб, работники конструкторских бюро и отделов, рекламно-информационных служб, архитекторы и инженеры по промышленному и гражданскому строительству, налоговые служащие, работники музеев, архивов, библиотекари, специалисты службы страхования, дилеры, брокеры, агенты по продаже и закупкам, служащие по социальному и пенсионному обеспечению, патентоведы, дизайнеры, работники бюро путешествий, справочных служб и других родственных видов деятельности. |
II группа - работники, занятые легким трудом, легкая физическая активность | 1,6 | Участковые врачи, медсестры, водители городского транспорта, рабочие пищевой, текстильной, швейной, радиоэлектронной промышленности, операторы конвейеров, весовщицы, упаковщицы, машинисты железнодорожного транспорта, продавцы, работники предприятий общественного питания, парикмахеры, работники жилищно-эксплуатационной службы, реставраторы художественных изделий, гиды, фотографы, техники и операторы радио и телевещания, таможенные инспектора, работники милиции и патрульной службы и других родственных видов деятельности |
III группа - работники средней тяжести труда, средняя физическая активность | 1,9 | Слесари, наладчики, настройщики, станочники, буровики, водители экскаваторов, бульдозеров, врачи-хирурги, текстильщики, обувщики, железнодорожники, металлурги-доменщики, работники химзаводов и др. |
IV группа - работники тяжелого физического труда, высокая физическая активность | 2,3 | Строительные рабочие, помощники буровиков, проходчики, хлопкоробы, основная масса с\х рабочих, доярки, овощеводы, деревообработчики и др. |
V группа - работники особо тяжелого физического труда, очень высокая физическая активность | 2,5 | Механизаторы, и с/х рабочие в посевной, уборочный период, горнорабочие, бетонщики, вальщики леса, каменщики, землекопы, грузчики немеханизированного труда и др. |
Для студентов-медиков в случае переездов между корпусами рекомендуется вторая группа физической активности (КФА = 1,6), в случае занятий в одном корпусе (блоке корпусов) – первая группа (КФА = 1,4).
Задание № 1. Определение индивидуальных суточных энергозатрат.
Ориентировочный суточный расход энергии в организме человека можно определить путем расчетов, используя специальные таблицы. Суточные энерготраты рекомендуется определить тремя методами, после чего сделать выводы об их точности.
Выполните расчеты индивидуального расходования энергии в течение суток с учетом величины основного обмена и коэффициента физической активности и сравните полученные результаты.
Метод 1. По «Нормам физиологических потребностей …, 20081».
Е (Суточные энергозатраты, ккал) = ВОО ∙ КФА,
где ВОО – величина основного обмена (табл. 2 и 3 (для несовершеннолетних); КФА – коэффициент физической активности, табл. 4).
Е (Суточные энергозатраты, ккал) = ______________________________
Метод 2. По формуле Харриса-Бенедикта рассчитывается ВОО:
ВОО муж. = 66,5 + 13,7М + 5Р – 6,8В,
ВОО жен = 66,5 + 9,6М + 1,8Р – 4,5В,
где М – масса тела (кг), Р – рост (см), В – возраст (лет).
Затем рассчитываются суточные энергозатраты:
Е(сут. энергозатраты) (ккал) = ВОО ∙ КФА,
где ВОО – величина, рассчитанная по формуле Харриса-Бенедикта; КФА – табличные данные (см. табл. 4 «Группы населения, дифференцированные по уровню физической активности»).
__________________________________________________________________
Метод 3. Хронометражно-табличный метод – учитывает индивидуальные энерготраты организма. Для расчета составляют специальную хронограмму дня, в которой предусматривают продолжительность работы по определенным видам труда, время отдыха, виды занятий в свободное время, продолжительность ходьбы, продолжительность сна. Энергозатраты во время сна входят в основной обмен.
Составьте хронограмму учебного дня по схеме (табл. 5). Если отсутствует ваш вид деятельности, то подберите, какой вид более близок к вашему по затратам.
Таблица 5.
Схема хронограммы дня для вычисления расхода энергии при различных видах деятельности
№ | Вид деятельности | Продолжительность в минутах. (общая сумма = 24 часа = 1440 мин) | Расход энергии, включая ВОО (ккал/кг∙мин) | Вычисление расхода энергии ккал/кг мин ∙ массу тела (кг) |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
I. Учебное время | ||||
1 | Практические занятия: а) лабораторные | 0.0360 | ||
б) практические | 0.0300 | |||
2 | Лекции | 0.0243 | ||
3 | Перерывы | 0.0258 | ||
II. Внеучебное время | ||||
4 | Подготовка к занятиям | 0.0250 | ||
5 | Сбор на занятия | 0.0455 | ||
6 | Дорога: а) ходьба по асфальтированной дороге (4-5км/час) | 0.0597 | ||
б) езда на транспорте. | 0.0267 | |||
7 | Домашняя работа: а) работа в личном подсобном хозяйстве. | 0.0757 | ||
б) уход за помещением, мебелью | 0.0402 | |||
в) покупка товаров, продуктов | 0.0450 | |||
г) уход за детьми. | 0.0360 | |||
д) стирка белья вручную | 0.0511 | |||
е) мытьё посуды. | 0.0313 | |||
ж) шитьё ручное | 0,0264 | |||
III. Самообслуживание | ||||
8 | Уборка постели | 0.0329 | ||
9 | Приём пиши (сидя) | 0.0236 | ||
10 | Умывание по пояс | 0.0504 | ||
11 | Душ | 0.0570 | ||
12 | Чистка брюк | 0.0317 | ||
13 | Чистка одежды на себе и обуви | 0.0493 | ||
14 | Надевание и раздевание обуви и одежды. | 0.0264 | ||
15 | IV. Свободное время Отдых: а) стоя | 0.0264 | ||
б) сидя | 0.0229 | |||
в) лёжа (без сна) | 0.0183 | |||
16 | Культурные мероприятия: а) чтение молча | 0.0230 | ||
б) чтение вслух | 0.0250 | |||
в) танцы | 0.0596 | |||
г) пение | 0.0290 | |||
д) игра в шахматы | 0.0242 | |||
17 | Общественная работа | 0.0490 | ||
18 | Субботники (уборка территории) | 0.0690 | ||
19 | Занятия физкультурой и спортом: а) утренняя гимнастика (физ. упражнения) | 0.0648 | ||
б) бег со скоростью: - 8км в час | 0.1357 | |||
-180 м в мин | 0.1780 | |||
-320 м в мин | 0.3200 | |||
в) катание на коньках | 0.1071 | |||
г) плавание | 0.1190 | |||
V. Работа на производстве | ||||
20 21 22 | Лёгкая работа | 0.0405 | ||
Средняя работа | 0.0690 | |||
Тяжёлая работа | 0.01072 | |||
VI. Сон (не менее 8 часов/ сут.) | 0.0155 | |||
Итого: | Суточные энергозатраты: Итого (ккал/кг·мин) ∙ массу тела (кг): ________________________________________________________________________________________________________ |
Заполните таблицу 5 и сравните полученные индивидуальные суточные энергозатраты рассчитанные разными методами (табл. 6).
Таблица 6.
Сравнение полученных суточных энергозатрат тремя методами
Метод 1 | Метод 2 | Метод 3 |
Суточный расход энергии (ккал/сут.) | ||
Суточный расход энергии (кДж/сут.) | ||
Средняя величина суточных энергозатрат в ккал | ||
Средняя величина суточных энергозатрат в кДж |
Учитывая расчет приведенных индивидуальных энергозатрат, сделайте вывод, какой из методов более точный? Почему?
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Полученную величину суточного потребления энергии можно использовать для составления индивидуального меню рационального питания, чем занимается научная диетология. В основе этой науки лежит согласование режима питания (калорийность потребляемой человеком пищи) с расходом энергии, который зависит от характера выполняемой работы и климатических условий.
Энергетическую ценность пищи выражают в тепловых единицах (ккал), но важно помнить, что организм не является тепловой машиной. В машине тепло является источником работы, а в организме оно скорее результат внутренней и внешней работы организма. Только имея это в виду, можно правильно пользоваться тепловыми единицами для выражения энергетической ценности пищи и энергетической потребности организма.
Ввиду того, что энергия, используемая организмом, получается в результате катаболизма тех же видов веществ, которые содержатся в пище, т. е. углеводов, жиров и белков (или продуктов их распада), зная количество окисляемых веществ каждого типа можно определить и количество превращенной в теле энергии. Однако при этом необходимо учитывать полноту окисления в каждом случае.
При полном окислении в калориметрической бомбе (рис. 3) пищевые вещества дают в среднем следующие теплоты сгорания на 1 г:
- Углеводы – 4 ккал; Жиры – 9 ккал Белки – 5,65 ккал
Жиры и углеводы окисляются в организме до тех же конечных продуктов, что и в калориметре, и дают такие же количества тепла. Однако из белка, который сгорает в калориметре до углекислого газа, воды и азота, в организме получается не свободный азот, а мочевина и другие азотсодержащие соединения, которые могут далее окисляться. Из чего можно заключить, что белок окисляется в организме в меньшей степени, чем в бомбе. То есть, при окислении усвоенных питательных веществ в организме получаем следующие теплоты из расчета на 1 г:
- Углеводы – 4 ккал; Жиры – 9 ккал; Белки – 4 ккал.
Если состав пищи известен, то её калорийность легко вычислить при помощи выше приведенных данных.
Например, молоко среднего состава содержит:
- Белков – 3,3% Жиров – 4 % Углеводов – 5 %
Белки 100 г такого молока дадут:
белки: 3,3 · 4 = 13,2 ккал;
жиры: 4 · 9 = 36,0 ккал;
углеводы: 5,0 · 4 = 20,0 ккал,
всего в 100 г молока будет 69,2 ккал.
Яйца содержат в среднем 13,4 % белков, 10,5 % жиров и незначительное количество углеводов. Следовательно, на 100 г они могут дать: (13,4 · 4)+(10,5 · 9) = 148,1 ккал.
Состав пищевых продуктов и их калорийность приведены в специальных таблицах, пользуясь которыми легко рассчитать калорийность рациона.
Задание № 2. Расчет индивидуальных потребностей организма в белках, жирах и углеводах.
Используя данные суточных энергозатрат Вашего организма, возьмите рассчитанную вами среднюю величину и вычислите (приблизительно) суточную потребность взрослого организма в белках, углеводах и жирах, учитывая, что соотношение в рационе абсолютных количеств белков (Б), жиров (Ж) и углеводов (У) рекомендуется как Б:Ж:У = 1 : 1 : 4.
Например: суточные энергозатраты студента в сутки составляют 3000 ккал (средняя найденная величина). Тогда, учитывая соотношение в рационе белка, жира и углеводов находим, что: 3000/6 = 500 ккал, следовательно, на белки и жиры должно приходиться по 500 ккал, а на углеводы: 500 · 4 = 2000 ккал. Отсюда, учитывая калориметрические коэффициенты, находим, что в суточном рационе должно быть: , , .
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
