Энергозатраты при физических нагрузках разной интенсивности. Законы организации Хочет понять какие шары забивать без ударов…

Известно, что чем больше мышечная работа, тем сильнее возрастает расход энергии. В ла­бо­ра­тор­ных условиях в опы­тах с ра­бо­той на велоэргометре при точно определенной величине мышечной работы и точ­но измеренном сопротивлении вращению педалей была установлена прямая (линейная) зависимость расхода энергии от мощности работы, регистрируемой в ки­лог­рам­мо­мет­рах или ваттах. Вместе с тем было выявлено, что не вся энергия, расходуемая человеком при совершении механической работы, используется непосредственно на эту работу, ибо большая часть энергии теряется в ви­де тепла. Известно, что отношение энергии, полезно затраченной на работу, ко всей израсходованной энергии называется коэф­фициентом полезного действия (КПД).

Считается, что наибольший КПД человека при привычной для него работе не превышает 0,30–0,35. Следовательно, при самом экономном расходе энергии в про­цес­се работы общие энергетические затраты организма минимум в три раза превышают затраты на совершение работы. Чаще же КПД равен 0,20–0,25, так как нетренированный человек тратит на ту же работу больше энергии, чем тренированный. Так, экспериментально установлено, что при одной и той же скорости передвижения разница в рас­хо­де энергии между тренированным спортсменом и но­вич­ком может достигать 25–30%.

С ори­ен­та­цией на мощность и рас­ход энергии установлены четыре зоны относительной мощности в цик­ли­чес­ких видах спорта. Это зоны максимальной, субмаксимальной, большой и уме­рен­ной мощности. Эти зоны предполагают деление множества различных дистанций на четыре группы: короткие, средние, длинные и сверхдлин­ные.

В чем же суть разделения физических упражнений по зонам относительной мощности и как это группирование дистанций связано с энер­го­зат­ра­та­ми при физических нагрузках разной интенсивности?

Во-пер­вых, мощность работы прямо зависит от ее интенсивности. Во‑вторых, высвобождение и рас­ход энергии преодоления дистанций, входящих в раз­лич­ные зоны мощности, имеют существенно различающиеся физиологические характеристики.

Зона максимальной мощности . В ее пределах может выполняться работа, требующая предельно быстрых движений. Ни при какой другой работе не высвобождается столько энергии. Кислородный запрос в еди­ни­цу времени самый большой, потребление организмом кислорода незначительно. Работа мышц совершается почти полностью за счет бескислородного (анаэробного) распада веществ. Практически весь кислородный запрос организма удовлетворяется уже после работы, т. е. зап­рос во время работы почти равен кислородному долгу. Дыхание незначительно: на протяжении тех 10–20 с, в те­че­ние которых совершается работа, спортсмен либо не дышит, либо делает несколько коротких вдохов. Зато после финиша дыхание его еще долго усилено: в это время погашается кислородный долг. Из-за кратковременности работы кровообращение не успевает усилиться, частота же сердечных сокращений значительно возрастает к кон­цу работы. Однако минутный объем крови увеличивается ненамного, потому что не успевает вырасти систолический объем сердца.

Зона субмаксимальной мощности . В мыш­цах протекают не только анаэробные процессы, но и про­цес­сы аэробного окисления, доля которого увеличивается к кон­цу работы из-за постепенного усиления кровообращения. Интенсивность дыхания также все время возрастает до самого конца работы. Процессы аэробного окисления хотя и воз­рас­та­ют на протяжении работы, все же отстают от процессов бескислородного распада. Все время прогрессирует кислородная задолженность. Кислородный долг к кон­цу работы больше, чем при максимальной мощности. В кро­ви происходят большие химические сдвиги.

К кон­цу работы в зо­не субмаксимальной мощности резко усиливаются дыхание и кро­во­об­ра­ще­ние, возникают большой кислородный долг и вы­ра­жен­ные сдвиги в кис­лот­но-ще­лоч­ном и вод­но-со­ле­вом равновесии крови. Возможно повышение температуры крови на 1–2 градуса, что может влиять на состояние нервных центров.

Зона большой мощности . Интенсивность дыхания и кро­во­об­ра­ще­ния успевает уже в пер­вые минуты работы возрасти до очень больших величин, которые сохраняются до конца работы. Возможности аэробного окисления более высоки, однако они все же отстают от анаэробных процессов. Сравнительно большой уровень потребления кислорода несколько отстает от кислородного запроса организма, поэтому накопление кислородного долга все же происходит. К кон­цу работы он бывает значителен. Значительны и сдви­ги в хи­миз­ме крови и мо­чи.

Зона умеренной мощности . Это уже сверхдлинные дистанции. Работа умеренной мощности характеризуется устойчивым состоянием, с чем связано усиление дыхания и кро­во­об­ра­ще­ния пропорционально интенсивности работы и от­сутствие накопления продуктов анаэробного распада. При многочасовой работе наблюдается значительный общий расход энергии, что уменьшает углеводные ресурсы организма.

Итак, в ре­зуль­та­те повторных нагрузок определенной мощности на тренировочных занятиях организм адаптируется к со­от­ветству­ющей работе благодаря совершенствованию физиологических и би­охи­ми­чес­ких процессов, особенностей функционирования систем организма. Повышается КПД при выполнении работы определенной мощности, повышается тренированность, растут спортивные результаты.

Коэффициент полезного действия (КПД) трудового потенциала работника не может быть равным 100%. Более того, КПД зависит от ряда внешних и внутренних факторов.

Исследования эффективности деятельности человека в трудовом процессе показали, что КПД имеет сложную динамику. Например, известно, что в течение рабочего дня работоспособность имеет следующие фазы:

• врабатывание или нарастающая работоспособность, которая может длиться от нескольких минут до 1,5 часа в зависимости от специфики труда, его организации, индивидуальных особенностей человека;
• фаза высокой устойчивой работоспособности, которая может удерживаться в течение 2 - 2,5 и более часов в зависимости от сложности и степени тяжести труда;
• фаза падения работоспособности, обусловленная развитием утомления.

Соотношение названных фаз во времени определяет КПД работника.

КПД определяют возраст, стаж работы по специальности, профессионализм и т.п. Критериями КПД являются также производственные и психологические показатели, удовлетворенность трудом. Труд тем более производителен, чем с меньшими затратами он выполнен: меньше отходов в брак, меньше утомляемость, меньшие нервно-психические затраты для достижения цели, менее эмоциональная реакция на поведение клиентов и т.п.

Следовательно, важнейшим критерием оптимальности трудового потенциала работника являются показатели, связанные с его успешностью и КПД. Чем выше КПД, тем ближе работник к цели.

Процесс реализации цели, как правило, включает следующие основные этапы:

• 1. Проектирование предметного содержания и форм трудового и внетрудового поведения, которые, по мнению работника, могут привести к решению поставленной задачи.
• 2. Реализация цели во взаимодействии с предметом труда.
• 3. Оценка результатов в соответствии с личными групповыми критериями.

Каждый из названных этапов включает в себя аналитические и конструктивные процессы.

Проектирование деятельности работника предполагает, с одной стороны, анализ готовности к выполнению работы (своеобразную самодиагностику), а с другой - конструктивную разработку способов выполнения работы.

Выполнение намеченной работы требует как конструктивного взаимодействия с коллегами, так и постоянного самоанализа и самоконтроля. Оценка достигнутого есть не только анализ результатов, но и конструктивная основа для определения направлений дальнейшей работы. Этот процесс можно представить схематически (табл. 12). КПД работника во многом зависит также от следующих факторов:

• соответствия целей организации и того, как их понимает работник, взаимопонимания между работником и организацией;
• наличия субцелей, обогащающих содержание основной цели и создающих дополнительные точки соприкосновения между участниками производства, а также между организацией и людьми;
• реализации цели (вне зависимости от ее конкретного воплощения) с наименьшими затратами.

Процесс выполнения работы

Таблица 12.

Приведенная информация позволяет сделать следующий вывод: человек, который субъективно оценивает свою работу как труд «с полной отдачей сил», не может быть оценен как полностью успешный. Работа «на пределе» истощает личность, ее трудовой потенциал. В исследовании, проведенном на одном из акционированных (ранее государственном) предприятий, выявлены оценки личной работы респондентов (табл. 13).

Таблица 13

Оценки личной работы респондентов (в % к числу опрошенных)

Результаты исследования вызывают серьезную тревогу за состояние трудового потенциала персонала предприятия и успешность его работы. Люди работают с неэкономной тратой сил. Наиболее интенсивно работают женщины и люди старших возрастов. Специалисты считают, что из-за стола нужно вставать с легким чувством голода. То же самое можно сказать и о работе: заканчивать ее нужно с осознанием, что еще есть силы. Здесь сохраняет свою ценность девиз Аристотеля: оптимум - это не максимум.

Для человека характерно стремление к тому, чтобы дело в наибольшей мере делалось «само по себе». Вероятно, это - основа технического прогресса. Создаются инструменты, которые производят все необходимые операции, машины, автоматы и роботы. Одной из важнейших субцелей оптимального труда является организация работы так, чтобы свести к минимуму затрату сил на ее выполнение и иметь резервы на будущее. Именно это характеризует активную позицию по отношению к труду. Для этого создается новая техника, осуществляется тренаж и вырабатывается автоматизация действий, которые направлены на то, чтобы интенсивные действия человека заменить механическими действиями.

Возрастает образование тепла. Часть энергии, освобождающейся при химических процессах без превращения в , непосредственно переходит в сокращения мышцы. Остальная большая часть энергии химических процессов превращается в тепловую, поэтому мышцы при сокращении выделяют тепло.

Коэффициентом полезного действия (КПД) называется отношение энергии, затраченной на работу мышц, ко всей энергии, произведенной в мышцах во время работы. КПД мышц человека колеблется в среднем от 15 до 25%, КПД мышц ног - от 20 до 35%, а рук - от 5 до 15%.

При тренировке он увеличивается у человека до 25-30% и даже до 35%, а у животных - до 50%,

Анаэробной и аэробной фазам биохимических процессов соответствуют две фазы теплообразования: начальная и восстановительная, или отставленная.

Начальная фаза вызывается биохимическими анаэробными процессами, ведущими к сокращению мышцы. При одиночном сокращении мышцы 65-70% тепла приходится на период сокращения и 30-35% - на период расслабления (запаздывающее анаэробное теплообразование). Небольшое количество тепла выделяется во время возбуждения, предшествующего сокращении). При кратковременных тетанусах на запаздывающее теплообразование приходится 20% всего тепла. В аэробных условиях в атмосфере кислорода в начальной фазе образуется столько же тепла, сколько его образуется без кислорода, и на начальную анаэробную фазу приходится 40% всего тепла, выделяемого мышцей в присутствии кислорода.

Так как при пассивном укорочении и небольшом растяжении мышцы выделяется тепло, то часть тепла в начальной фазе зависит от изменения эластичности мышц.

Восстановительная фаза теплообразования вызывается главным образом окислительными процессами. Только 25% тепла приходится на запаздывающее анаэробное теплообразование. Всего в этой фазе образуется 60% тепла, выделяемого мышцей в присутствии кислорода. Во время этой фазы происходит окисление части молочной кислоты и восстановление остальной ее части в гликоген. В нормальных условиях мышечной деятельности бескислородное и кислородное расщепление веществ и их ресинтез происходят одновременно. Поэтому при нормальном кровообращении длительная работа малой интенсивности сравнительно долго не сопровождается заметным уменьшением содержания сахара в и накоплением в ней молочной кислоты.

При ауксотоническом сокращении выделяется на 40% больше тепла, чем при изометрическом. Чем больше напряжение мышцы при изометрическом сокращении, тем больше теплообразование. При изотоническом сокращении без груза теплообразование очень мало. Оно меньше, чем при изометрическом сокращении. Но если мышца сокращается с грузом, то теплообразование тем больше, чех: больше масса груза.

Общее теплообразование в обе фазы больше начального при одиночных сокращениях в 1,5 раза, а при тетанических в 2,5 раза. Следовательно, при неизменной начальной фазе увеличивается восстановительная фаза. Это свидетельствует о более экономном использовании веществ и энергии при тетанусе.

Сегодня в интернете можно встретить множество самых различных определений феномену жизни без еды, это и праноедение - питание пранической энергией, и солнцеедение - питание солнечным светом, и бретарианство - питание воздухом и пространственной энергией.

Но, несмотря на заявления представителей этих типов питания, о том, что они живут, питаясь нематериальной пищей, многие из них, регулярно пьют воду, чай и другие напитки, а иногда даже съедают немного шоколада, сыра и прочего, объясняя это желанием удовлетворить свои вкусовые ощущения. В общем, жизнью без еды это называть, конечно же, нельзя. Точнее назвать то можно, но по факту, это будет всё же некоторый образ питания, хотя и с экстремально низким уровнем потребления калорий с пищей.

В восточной традиции возможность существования человека на таком весьма необычном рационе, называется - Бигу , что в переводе с китайского звучит «без еды». И в этой статье мы постараемся объяснить данный феномен, к которому можно отнести всех представителей праноедения, солцеедения и бретарианства.
Бигу или что тоже самое - жидкостное питание, это уникальный образ питания, при котором человек сознательно переходит на питание жидкими питательными растворами, исключая при этом из своего рациона любую твёрдую пищу. Оптимальным пищевым рационом человека в состоянии Бигу является употребление наиболее простых и малокомпонентных питательных смесей - фруктовых или овощных соков, либо водных растворов - фруктозы, глюкозы, сахарозы; однако в некоторых случаях также употребляются фруктово-ягодные или овощные отвары, травяные чаи, молочные продукты. Иногда, для компенсации дефицита вкуса в эти напитки добавляют соль и специи.

Результатом такого низкокалорийного питания являются кардинальные изменения в метаболизме и физиологии человека, которые, по сути, являются антистрессорными адаптивными реакциями, выработанными у него в процессе исторического развития. Итогом этих изменений будет приобретение организмом ряда полезных, с точки зрения эволюции, навыков и способностей, необходимых ему для выживания в окружающей среде, в том числе и в экстремальных условиях.

Перечислим наиболее важные из этих положительных приобретений:

* Малая зависимость от пищевых ресурсов
* Исключительная способность легко переносить голод и жажду
* Уменьшение потребности во сне
* Улучшение состояния здоровья
* Замедление процессов старения организма
* Повышение психологической устойчивости к стрессам
* Расширение интеллектуальных возможностей

Но наиболее значимой особенностью Бигу является то, что человек живя в таком режиме питания, потребляет с пищей намного меньше энергии, чем её требуется для его выживания по представлениям современной медицины и диетологии. Ведь согласно экспериментальным данным, даже когда человек находится в состоянии полного покоя и не выполняет никаких энергозатратных действий, то расход его энергии составляет примерно 1700 ккал в сутки. Как же тогда возможно существование человека в состоянии Бигу, когда он ведёт физически активный образ жизни, не теряет вес, нормально себя чувствует и на протяжении длительного времени потребляет с пищей энергии намного меньше, чем это количество?
Существует множество попыток дать ответ на этот вопрос с точки зрения эзотерики, философии и теософии, нам же объяснить природу этого явления поможет наука. А так как согласно современным представлениям науки, все процессы превращения энергии в живых организмах происходят в соответствии с некоторыми термодинамическими принципами, которые универсальны для живой и неживой природы. То нам, для того чтобы обосновать возможность жизни человека в состоянии Бигу, в первую очередь, необходимо ознакомится с важнейшими из них.

Первый закон термодинамики для живых организмов

Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии. В простой формулировке он звучит так: - энергия в изолированной системе не может возникнуть из ниоткуда, и не может исчезнуть в никуда, она может лишь трансформироваться из одного вида в другой, при этом общее её количество будет оставаться величиной постоянной. Было доказано экспериментально, что этот закон применим к процессам, которые происходят в любых биологических системах.

Второй закон термодинамики для живых организмов

Этот закон гласит, что любые процессы в биологических системах, обязательно сопровождаются рассеянием некоторой части энергии в теплоту. Все формы энергии - механическая, химическая, электрическая и прочие, могут быть превращены в теплоту без остатка. Однако сама теплота не может полностью превращаться в другие формы энергии, поскольку тепловое движение молекул является хаотическим процессом, и часть энергии всегда будет уходить на столкновение этих молекул между собой.

Эти два фундаментальных научных закона "запрещают" возможность создания вечного двигателя, а также обрекают на провал любые другие попытки получения работы без затраты энергии. И именно с позиции этих незыблемых принципов Мироздания мы и будем рассматривать питание физического тела человека, как непрерывный процесс потребления энергии и трансформации её из одних форм в другие.

Общие сведения

Важнейшим свойством живых организмов, является их способность превращать и хранить энергию в виде специальных веществ - аккумуляторов энергии. Так в процессе фотосинтеза растения могут накапливать получаемую извне энергию солнца в виде наиболее универсального аккумулятора энергии - молекулы аденозинтрифосфорной кислоты . Связи между атомами в этой молекуле при необходимости легко разрываются с выделением большого количества энергии, которая, в свою очередь, может использоваться как источник энергии для всех процессов в любой живой клетке. С помощью АТФ растения осуществляют синтез разнообразных органических веществ - белков, жиров и углеводов.
Животные, в свою очередь, приспособились использовать эти накопленные растениями питательные вещества для поддержания своих жизненных функций и синтеза всё тех же молекул АТФ. При умеренных физических нагрузках в организме взрослого человека ежедневно синтезируется около 75 кг АТФ. Но реально в теле человека его содержится всего около 50 гр . С чем связан этот парадокс?
А с тем, что в организме человека АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ, потому как непрерывно используется клетками в самых разнообразных процессах жизнедеятельности. Мудрая природа сделала так, что живые организмы, вместо того чтобы накапливать АТФ в больших количествах в тканях, постоянно ресинтезируют его в своих клетках. Из этого следует, что нашему организму не требуется постоянный приток АТФ с пищей, ему необходимы лишь энергия и определённые условия для восстановления уже имеющихся в его запасе ресурсов этого вещества.

Итак, значит прежде всего организму нужна энергия. Но для того чтобы понять, насколько эффективно человек может использовать и сохранять энергию в своём теле, мы с вами должны выяснить из чего складывается её баланс в живом организме. Для этого перечислим основные пути поступления и отдачи энергии.

Факторами повышающим расход энергии являются:

1. Прием и переваривание пищи
2. Физическая активность
3. Терморегуляция организма

К источникам, обеспечивающим приток энергии можно отнести:

1. Энергию пищи
2. Источники теплового излучения
3. Акустические и световые волны

Главным условием гарантированного выживания человека будет компенсация всех энергозатрат его организма с помощью перечисленных выше источников энергии. Далее в статье будет дано объяснение, почему именно пища является неотъемлемым условием активной физической деятельности человека. Также в ней, будет раскрыто, как за счёт внешних второстепенных источников энергии человеческий организм может настолько снижать свои энергозатраты, что для обеспечения нормального выживания его потребность в пище сводится к минимуму.

Влияние пищи на организм человека

Как известно энергия высвобождается из пищевых продуктов в процессе их биологического окисления, при этом основными отличиями этого процесса от обычного горения, являются: его большая протяжённость во времени и многоступенчатость биохимических реакций.
Питательные вещества окисляются вплоть до конечных продуктов, которые выделяются из организма. Например, углеводы окисляются в организме до углекислого газа и воды. Такие же конечные продукты образуются при сжигании углеводов в особой печи - калориметре. При этом величина энергии, высвобождаемой из каждого грамма глюкозы в этой реакции, составляет чуть более четырёх килокалорий. Но несмотря на то, что процесс окисления глюкозы в живых клетках, является многоступенчатым процессом, его суммарный выход энергии будет точно такой же. И как было сказано ранее, именно эта энергия используется организмом для синтеза АТФ. Аналогичным образом, с помощью калориметра, получили среднюю величину физиологически доступной энергии и для других веществ пищи. Например, в белках и углеводах содержится около - 4 ккал ; жире - 9 ккал . Но у пищи , кроме сухих цифр о её химическом составе и энергетическом потенциале , есть ещё целый ряд интересных свойств.
Например, то, что еда помимо поставки энергии организму, является фактором, усиливающим его энергопотребление. С помощью специального измерительного оборудования были получены данные, что после приема пищи интенсивность метаболизма у человека увеличивается на 10-20% по сравнению с его уровнем в состоянии покоя. И сохраняется это повышение обмена веществ в организме до десяти часов. Эти энергетические затраты связаны с приемом, перевариванием и усвоением пищи, так как все эти процессы, начиная с пережевывания еды, и заканчивая, её эвакуацией из организма требуют энергию.
Количество энергии расходуемой на пищеварение зависит, прежде всего, от химического состава потребляемой пищи. Максимум энергозатрат на переваривание наблюдается у белка, особенно животного происхождения, на его усвоение может расходоваться по разным источникам от 30% до 40% общей калорийности принятой белковой пищи. Для углеводов этот показатель находится в пределах 5% , а у жиров 3% . Удивительно, не правда ли? Ведь получается, что привычная для нас пища, совсем не безвозмездно отдаёт нам свою энергию.
Более того, пища не просто пассивный энергетический ресурс, она является ещё и морфообразующими фактором, то есть влияет на особенности строения живых организмов как в индивидуальном, так и в их историческом развитии. Четырёх-камерный желудок у жвачных, строение ротового аппарата муравьеда, различные пропорции желудочно-кишечного тракта у хищников и травоядных, а также множество других адаптационных приспособлений у разных видов животных, всё это, есть нечто иное, как результаты воздействия определённых пищевых предпочтений на эволюцию живых организмов. Пока пища поступает в организм, пищеварительная система востребована, но стоит убрать этот беспрерывный поток, и в теле человека незамедлительно начнут происходить различные перестройки внутренних органов направленные на уменьшение их энергопотребления.

Помимо всего прочего, употребление пищи предопределяет интенсивную циркуляцию веществ в организме. Распадаются и вновь синтезируются различные ферменты и гормоны, в пищеварительном тракте активизируются иммунные клетки, в печени нейтрализуются десятки токсичных соединений, повышается нагрузка на выделительную систему. Всё это обуславливает специфическое распределение энергопотребления в организме человека, и лидирующее место в нём принадлежит именно пищеварительной системе. Даже при отсутствии активных процессов переваривания пищи, у находящегося в состоянии покоя человека около 50% всех энергозатрат приходится на органы, так или иначе связанные с пищеварением, по 20% на скелетные мышцы и центральную нервную систему и около 10% на работу органов дыхания и кровообращения.
Отдельно стоит упомянуть о том, что в организме человека с обычной схемой питания молекулы белков функционируют от нескольких часов до нескольких дней. Так как при интенсивном обмене веществ за этот короткий период в них накапливаются нарушения, и белки становятся непригодными для выполнения своих функций. Они расщепляются и заменяются на вновь синтезируемые.
Совсем другая картина наблюдается при низкокалорийном питании и голодании. В клетках тканей человека в состоянии Бигу начинают вырабатываться особые вещества, так называемые белки теплового шока. Функция этих соединений состоит в защите от разрушения уже существующих клеточных белков, также они помогают создавать в клетках правильные структуры новых белков, исключая тем самым потери энергии и материальных ресурсов. Помимо этого белки теплового шока отключают естественный механизм самоубийства старых клеток, что позволяет организму существенно сократить необходимость в обновлении тканей.

Из всего этого следует несколько выводов:

1. При переходе на питание жидкой, преимущественно углеводистой пищей, потери энергии на переваривание и выделение продуктов её распада из организма уменьшается.
2. Вследствие, сокращения поступления в организм пластических веществ и уменьшением функции выделения, в теле человека начинает более эффективней использоваться механизм рециркуляции уже отработанных и повреждённых структурных молекул.
3. Благодаря действию белков теплового шока в организме снижается потребность в дополнительных энергозатратах, материальных ресурсах и обновлении тканей.
4. При длительном отсутствии в рационе Бигу твёрдой пищи, происходит постепенная атрофия органов пищеварения и мышечного аппарата желудочно-кишечного тракта, что позволяет человеку дополнительно снизить связанные с ними расходы энергии.

Но, к сожалению, какими бы воодушевляющими небыли эти выводы, полностью отказаться от пищи на длительное время физически активному человеку невозможно! Почему так бескомпромиссно это утверждение, мы с вами узнаем поняв некоторые особенности физиологии тела человека.

Коэффициент полезного действия тела человека

При использовании ATФ функциональными системами организма, практически вся её энергия переходит в тепло. Исключение составляют случаи: когда мышцы выполняют работу над внешними телами, то есть придают этим телам кинетическую энергию движения; а также излучение электромагнитных волн, порождаемое нервной системой. Но даже при осуществлении механической работы около 80% энергии, используемой при мышечном сокращении, выделяется в виде тепла и только 20% превращается в саму работу(!!! )
Потери же в виде электромагнитного излучения от центральной нервной системы по сравнению кинетическими формами энергии просто ничтожны, то есть практически вся энергия в нейронах, тоже трансформируется в тепло. Мало того, доказано, что вообще интенсивная интеллектуальная деятельность не сопровождается большой затратой энергии. Трудные математические вычисления, чтение книг и другие формы умственного труда, если они не сопровождаются движением, вызывают едва заметное повышение затраты энергии, всего на несколько процентов от энергопотребления организма в состоянии покоя.

Если подвести итог, то можно сказать следующее: Организм не может использовать полностью всю энергию, содержащуюся в питательных веществах. Потому как всякий процесс превращения энергии из одного вида в другой, в том числе и получение энергии из пищи, происходит с обязательным образованием тепла, которое затем рассеивается в окружающем пространстве.
Также и в мышцах, только малая часть вырабатываемой в них энергии используется в самом мышечном сокращении, а львиная доля энергии опять-таки переходит в теплоту. Если представить это в цифрах, то получится, что

коэффициент полезного действия физического тела человека колеблется в весьма узком интервале значений 20-25% , а остальные 75-80% рассеиваются в виде тепла. Поэтому каким бы ни было совершенным тело человека, оно всегда будет терять энергию на теплообразование, в особенности, когда речь идёт о физической активности.

Взгляните на расход энергии, который совершают мышцы взрослого человека при различных видах физической активности.

Любой человек ведущий активный образ жизни, вынужден как-то восполнять энергетические затраты на ресинтез АТФ в мышцах. Но есть лишь две возможности обеспечить необходимые условия для протекания этого процесса: одна из них, это использование организмом ограниченного запаса питательных веществ из собственных тканей, другая, это употребление пищи. Почему так? Ответ на этот вопрос кроется в особенностях жизнедеятельности клеток животных и человека, у которых существует всего два способа восстановления использованных молекул АТФ. Оба из которых требуют присутствия в качестве необходимых компонентов реакций - питательных веществ пищи.

• Первый из них, это гликолиз — вспомогательный тип энергообеспечения, включающийся в условиях нехватки кислорода. В этом процессе молекула глюкозы расщепляется пополам, с образованием всего двух молекул АТФ.
• Второй, это окислительное фосфорилирование происходящее с участием кислорода в специальных клеточных органеллах - митохондриях, где в сложной цепи химических реакций из одной молекулы глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ.

К величайшему сожалению, других способов синтеза АТФ у животных не существует. Поэтому как бы не была привлекательна идея - жизни без еды, если вы собираетесь вести активный образ жизни, то вам в обязательном порядке придётся восполнять энергетические затраты на ресинтез АТФ посредством пищи.
Остаётся открытым лишь вопрос о том, сколько вообще нужно человеку энергии из пищи? А получить ответ на него нам поможет очень простая формула.

Суточная потребность в калориях = физические нагрузки х на основной обмен

В этой формуле нам практически неподвластно изменить значение энергетических затрат на физические нагрузки, так как существует конечный предел эффективности мышечной работы (КПД мышечных сокращений равен всего 20-25% ). Однако со второй составляющей этого уравнения всё намного интересней.

Основной обмен - это то количество энергии, которое затрачивается организмом человека при комнатной температуре в состоянии полного мышечного покоя, при условии отсутствия каких либо процессов пищеварения. Проще говоря, это то количество энергии, которое тело затратит, если человек будет целый день спать. В таких условиях энергия затрачивается только на поддержание жизнедеятельности организма, то есть она используется для мышечной работы сердца и лёгких, сохранение постоянной температуры тела, проведение нервных импульсов, синтез ферментов, гормонов и прочих необходимых организму веществ.

В среднем для взрослого человека величина основного обмена составляет примерно 1700 ккал в сутки. При этом организм может сжигать до 70% от суточной потребности в калориях. Однако эта цифра может уменьшаться в зависимости от различных факторов:

Возраст - с годами основной обмен веществ замедляется. На каждые десять лет этот показатель снижается в среднем на 2% .
Диета - голодание или резкое сокращение количества потребляемых калорий может снизить величину основного обмена на 30% .
Температура тела - при уменьшении температуры тела на каждый градус, интенсивность основного обмена падает примерно на 7% .
Температура окружающей среды - оказывает наибольшее влияние на основной обмен и поэтому на этом факторе стоит остановиться подробней.

Терморегуляция

Как мы уже знаем, в живом организме благодаря энергии пищи постоянно образуется тепло, а с поверхности его тела происходит постоянная отдача тепла в окружающую среду. Следовательно, температура тела зависит от соотношения двух процессов - теплообразования и теплоотдачи. Все животные в зависимости от способности регулировать течение этих двух процессов делятся на теплокровных и холоднокровных. У теплокровных температура тела сохраняется постоянной и не зависит от температуры внешней среды. Это свойство, особенно при понижении температуры окружающей среды, требует от них соответствующего усиления процессов метаболизма, в основном за счёт интенсивного потребления энергии из пищи и жировых запасов.
Принципиальное отличие теплообмена холоднокровных заключается в том, что благодаря относительно низкому уровню их собственного метаболизма, главным источником энергии у них является внешнее тепло. Поэтому температура их тела выше температуры окружающей среды максимум на несколько градусов. Такое подчинение температуре среды имеет целый ряд преимуществ.
Например, в условиях сухого жаркого климата холоднокровность позволяет избегать излишних потерь воды, потому что маленькая разница между температурами тела и среды не вызывает дополнительного испарения. Поэтому высокие температуры холоднокровные животные переносят легче и с меньшими энергетическими потерями, чем теплокровные, которые тратят много энергии на удаление избытка тепла из тела.
Также известно, что у холоднокровных под действием низких температур сильно замедляется метаболизм и резко уменьшается потребность в пище. У них приостанавливается интенсивность всех физиологических процессов: сердечные сокращения и дыхание становятся редкими, мышцы сокращаются медленнее, снижается интенсивность пищеварения. В такие моменты у этих животных процесс обмена веществ может протекать в 20-30 раз медленнее, чем у теплокровных (!!! )

Невольно напрашивается вопрос, как же способности холоднокровных организмов могут быть использованы человеком, ведь он по своему метаболизму относится к теплокровным животным? Оказывается, что могут! Потому что заботливая природа оставила нам возможность осуществления терморегуляции, с помощью элементов обеих стратегий теплообмена.
Обнаружено, что у человека, в условиях высокой температуры окружающей среды, обмен веществ в печени и других органах и тканях снижается, то есть нужная температура тела обеспечивается исключительно за счет поступления тепла извне, практически безо всяких энергозатрат со стороны организма.
Более сложная задача, это понижение температуры тела теплокровными животными в условиях холода. Но и тут человек показывает свои удивительные возможности адаптации и выживания. Когда температура тела человека падает ниже, чем это требуется для поддержания нормального обмена веществ, то такое состояние называется - гипотермия. В этих условиях жизнедеятельность организма снижается, что приводит к уменьшению потребности в кислороде и позволяет ему более экономно расходовать внутренние энергетические ресурсы. Установлено, что при падении температуры тела, на каждый градус Цельсия клеточный обмен замедляется на 5-7% (!!! ) Причём человек способен выдерживать существенное снижение температуры тела, прежде чем это вызовет непоправимые нарушения его жизнедеятельности.

Из всего вышесказанного становится ясно, что величина основного обмена у человека может существенным образом изменяться. Нераскрытым остался лишь механизм компенсационного воздействия внешних источников энергии, в том числе и температуры, на метаболизм человека. Для того чтобы исправить это положение и выяснить, каким образом нематериальные источники энергии могут уменьшить потребность организма человека в пище, мы с вами познакомимся с одним жизненно важным процессом происходящим во всех живых клетках.

Циклоз - движение внутренней среды в клетках растений и животных, которое обеспечивает равномерное распределение вещества внутри клетки: получение питательных веществ, ферментов и генетической информации всеми органеллами и частями клетки.()

Поддержание нормальной скорости циклоза осуществляется за счёт энергии АТФ и имеет жизненоважное значение для клетки, а следовательно, и для всего организма в целом.
Для нас же этот процесс представляет интерес, потому что он может быть активизирован под действием внешних факторов: температуры, механических воздействий и т.д. Исследования влияния этих факторов на внутриклеточные движения показали, что внешнее тепловое излучение вызывает разжижение цитоплазмы клеток, и следовательно вызывает ускорение в них циклоза. Также было выявлено, что полная тишина и чрезмерный шум замедляют циклоз, а гармоничные звуки, в том числе и музыка, усиливают движение цитоплазмы. Получается, что под действием внешних источников энергии в клетках уменьшается расход АТФ, а следовательно, снижается и потребность организма в пище. В общем, диапазон возможностей для адаптивных реакций человека по замедлению метаболизма и компенсации его энергозатрат в состоянии Бигу существует. Однако любой человек в состоянии Бигу для восстановления энергетических запасов организма рано или поздно обязательно должен возвращаться к пище.

В таком образе жизни есть свои минусы и плюсы. Чего только стоит сокращение часов сна и отсутствие мыслей о еде. Только представьте себе сколько времени и сил, благодаря этому, освобождается для творчества, внутреннего преображения и интеллектуальной деятельности.
Однако тут же следует заметить, что подходит такой образ питания исключительно для людей с лишним весом. Регулярные голодания для полного человека, это прекрасное средство по поддержанию тела в форме и нормализации массы тела. Тем же, кто обладает нормальным или низким индексом массы тела Бигу не рекомендуется. Для этой группы лиц адекватное и здоровое питание намного предпочтительней, чем любые формы голодания(!!! )

Идея визуализировать энергетический эквивалент работы человеческого мозга сегодня используется даже в рекламных объявлениях.
Источник: фрагмент рекламного объявления из журнала Nature

Они как будто сговорились! У Есенина: «Коль гореть, так уж гореть, сгорая». А вот у Маяковского: «Светить всегда, светить везде»... И, как итог, фактически парафраз этих строк из репертуара Пугачевой: «Жить, гореть и не угасать!» Но самое интересное начинается, если все эти строчки начать расшифровывать буквально.

Поразительно, но процесс дыхания аналогичен процессу горения, только это – «холодное» горение топлива (водород), взаимодействующего с окислителем (кислород воздуха). И в этом смысле аналог дыханию – это процессы медленного окисления: образование ржавчины, гниение, брожение...

А источником водорода как раз и служит пища: в желудке, кишечнике пища разлагается под действием ферментов до жирных кислот, которые, в свою очередь, распадаются в клетке до воды, углекислого газа и атомарного водорода. Образующийся в этой реакции электрон и запускает все идущие в живом организме процессы. В итоге, по существующим оценкам, мускульная энергия, развиваемая человеком, эквивалентна электрической лампочке мощностью в 150 Вт.

«...при работе мускула происходит почти такое же сгорание его тканей (то есть соединение этих тканей с кислородом), какое происходит с топливом в котельной топке паровой машины или в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, – растолковывает профессор Б.Вейнберг в заметке «КПД человека». – Таким образом, для работы мускула ему необходимо доставлять и материал для восстановления его тканей, и кислород для сжигания их. И то и другое доставляется посредством крови» («Техника – молодежи», № 2, 1935).

Все это дает основание физиологам теплопродукцию живых систем приравнять, с некоторым приближением, интенсивности потребления кислорода. Зафиксированные здесь рекорды, в энергетическом эквиваленте, таковы: максимальный обмен – у альпинистов и горцев: 250–280 МВт/г; жители равнин отстают почти на «корпус» – 160–200 МВт/г. То есть при адаптации человека к различным географическим условиям происходит увеличение мощности дыхательной системы на клеточном уровне. Ничего удивительного в этом нет, если учесть, что подъем в горах на 305 м приблизительно равен прохождению 480 км на север или на юг от экватора.

Любопытно, что согласно наставлениям каждый военнослужащий армии США должен получать 4,5 тыс. калорий в день, тогда как финские военные рекомендуют 6 тыс. калорий в день.

Но вообще-то нормальному взрослому человеку в день нужно с пищей потреблять 2500–3000 ккал. (За год же человек потребляет количество энергии, эквивалентное сжиганию 100 кг угля – sic!) Если этот энергетический прожиточный минимум обеспечен, человек способен с помощью своих мускулов совершить механическую работу, эквивалентную 500–600 ккал. Коэффициент полезного действия (КПД) человека, как нетрудно убедиться, 20%. Между прочим, это больше, чем у лошади (ее КПД около 10%), и значительно больше, чем у быка. (Может быть, интересно: одна лошадиная сила – подъем на 1 м 75 кг за 1 с.)

В то же время человек со своими мышцами далеко не лучший двигатель: его мощность, измеренная в лошадиных силах, составляет всего 0,03–0,04. Очень редко «мощность» взрослого мужчины доходит до 0,2–0,25 л.с.

Однако достоинством человека как энергетической установки является его большая выносливость. Так, например, по подсчетам академика Леонида Милова, через каждые четыре дня работы на пахоте лошади был необходим день выгула. В отличие от лошади русский крестьянин в XVIII веке с 22 апреля по 6 июня работал на поле без единого выходного, практически без отдыха и почти без сна.

Или вот еще пример ветхозаветной «безотходной» технологии. Пирамиду Хеопса строили 100 тыс. человек, заменявшиеся новыми каждые три месяца на протяжении 30 лет. Поднимались громадные тяжести: гранитные балки перекрытия склепа пирамиды Хеопса весят 500 тонн каждая, а в пирамиде Хефрена есть монолиты весом до 423 тонн. И все это ворочали вручную!

Когда находишься рядом с этими рукотворными исполинскими мегалитами, первое, что приходит на ум, – какая же чертова уйма обезличенного человеческого труда овеществлена в этих склепах! Тем более это тяжело представить себе, если знать (благодаря расчетам все того же профессора Б.Вейнберга), что 1 кВт может заменить собой 150 умеренно работающих людей, 33 тяжелоработающих или 20 очень тяжело работающих людей.

Но человек – это не только хороший генератор энергии, но и вполне сносный ее аккумулятор: он может работать, не получая пищи, в течение одних-двух суток. При массе в 75 кг взрослый мужчина способен накопить более 2–3 кВт-ч энергии (примерно 30 Вт-ч на 1 кг веса). Если пересчитать эти показатели на единицу массы, то «человеческая машина» окажется в иерархии энергий выше сжатых газов и всевозможных механических пружин. Но ниже кипящей воды. Так что с физической точки зрения не вполне понятна этимология широко распространенного определения непрофессионала – «чайник». Какой же это чайник, если он не может вскипятить стакан воды!

В культовом киберпанковском фильме «Матрица» (время действия – 2199 год, Земля) человеческие существа используются захватившими власть машинами в качестве обычных батареек... Тут создатели картины немного перемудрили. Ведь известно, что для производства одного джоуля энергии, содержащегося в пище, которую потребляет человек, затрачивается 10 Дж энергии. Машины просто не смогли бы прокормить свои биологические «батарейки». Игра не стоит свеч.

Впрочем, у этого сюжета есть варианты. Например, такой. «Скорее всего машины используют резервную мыслительную силу человечества в качестве громадного распределенного процессора для контроля над реакциями ядерного синтеза», – считает британский математик Питер Б.Ллойд. Вот это уже теплее!

Человеческий мозг, возможно, самый сложный объект во Вселенной. А вот для работы этому чуду живой «механики» нужно всего 10 Вт энергии! Правда, мозг очень привередлив в выборе топлива-пищи: просто жиры ему не подходят, хотя в 1 г жира запасено 37,7 Дж энергии. Мозгу подавай глюкозу и кислород. Видите ли, глюкоза «сгорает» полностью, не оставляя после себя в мозгу никаких «шлаков». В состоянии покоя мозг потребляет около двух третей всей циркулирующей в крови глюкозы и 45% кислорода. Снижение концентрации глюкозы в крови ниже 0,5–0,2 г/л приводит к потере сознания и коме.

На этом фоне вполне правдоподобно выглядит гипотеза, согласно которой именно особенности пищевой, то бишь энергетической, стратегии Homo sapiens’ов позволили им опередить неандертальцев в эволюционной гонке. Так, некоторые антропологи (Sorensen, Leonard, 2001) сравнивают средний уровень физических нагрузок неандертальцев с нагрузками атлетов, фермеров и грузчиков. По расчетам этих авторов, необходимые ежедневные энергетические потребности неандертальцев превышали таковые у современных эскимосов – людей с наибольшими энергетическими затратами среди современного человечества, с очень высоким уровнем основного обмена. Прокормиться было очень трудно. Исторической перспективы – никакой, увы...

А хитрые sapiens’ы взяли да изобрели приготовление пищи на огне. Сразу качественно возрастает энергетическая и питательная ценность, ее усвояемость. Не случайно приготовленная на огне пища – возможно, наиболее ранний объект кражи в обществе человека.

Как будто специально под этот случай сказал еще один поэт, Андрей Вознесенский:

Стоило гроши, и вдруг алтын.

Ложная растет дороговизна.

Ценность измеряется одним –

Единицей Вложенности Жизни!

Ну и еще, энергетической ценностью пищи...