Курица не птица, болгария не заграница, человек не печка...

Для начала, пара моментов для тех, кто прогуливал физику с химией.

 

Первое – что такое главная фигурантка обсуждения.

 

Калория (кал, cal) — внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1 К (Кельвин – мера температуры) при стандартном атмосферном давлении 101,325 кПа.

Раньше калория широко использовалась для измерения энергии, работы и теплоты. Сейчас эта единица измерения используется главным образом в двух направлениях – для измерения количества тепла, произведенного или потребленного каким-то оборудованием, в основном в коммунальных хозяйствах (тепло батарей меряют в гигакалориях, следующей зимой можете пойти расспросить в ЖЕКе насчет того, достаточно ли тепла выдают ваши батареи, при упоминании калорий они обычно начинают нервничать); а также в знакомых нам вопросах – при подсчете калорийности продуктов и работы, совершенной человеком.

 

Еще один важный момент, который почему-то все упорно игнорируют  – законы сохранения.

 

Это фундаментальные физические законы, согласно которым некоторое свойство замкнутой системы остается неизменным при каких-либо изменениях в системе. Самыми важными являются законы сохранения вещества и энергии.

Закон сохранения вещества утверждает, что вещество не создается и не разрушается; при химических превращениях общая масса остается неизменной. Общее количество энергии в системе также остается неизменным; энергия только преобразуется из одной формы в другую. (Есть еще законы сохранения импульса, электрического заряда и прочее).

 

Законы сохранения вещества и энергии не совсем точны – при некоторых условиях вещество может превращаться в энергию и наоборот, но к человеческому организму это не имеет отношения, по крайней мере пока он не попал в зону термоядерного синтеза, или же не разогнался до скорости света. Правда, некоторые сумасшедшие праноеды думают, что Е=МС2 это про них.

 

Дальше больше. Вспомним про межатомные связи в органических молекулах. Знаю, что до этого дочитали немногие, и они будут вознаграждены первой картинкой и словом, которое могло разрядить скучный урок биохимии – спирт. Давайте вспомним формулу спирта, любимого, этилового, того самого С2Н5ОН. Его молекулу можно представить двумя способами:
 

 

На второй картинке вы видите горизонтальные и вертикальные палочки – это те самые упомянутые межатомные связи, которые удерживают атомы в молекуле. В них заключена потенциальная энергия – если каким-то образом эти связи расщепить, например, сжечь спирт в присутствии кислорода с образованием новых молекул – углекислого газа и воды (СО2 и Н2О) , то избыточная энергия вырвется наружу и будет выделена в виде тепла.

Несложно понять, что если на входе мы имеем молекулу спирта и три молекулы кислорода, а на выходе 2 молекулы углекислого газа и три молекулы воды (неизменное количество вещества), то и количество выделившейся в такой реакции энергии, как бы мы не извращались, будет одинаковым по закону сохранения вещества и энергии. Что бы мы ни делали – вводили в реакцию катализаторы, сжигали спирт в печи или с помощью спичек, проводили многоступенчатые биохимические превращения – в любом случае, в этой реакции количество энергии выделится одинаковое.

Что же происходит с молекулой спирта в организме? Почитайте на досуге, полезно для общего развития и чтобы детям объяснять что такое алкоголизм. Спирт в организме превращается довольно сложно и в несколько этапов, но в конечном итоге расщепляется до воды и углекислого газа при участии кислорода. Так сколько же энергии может быть выделено в результате таких реакций? Столько же, сколько и при его сжигании в печи, столько, сколько может выделиться при изменении межатомных связей и образовании новых.

 

Если вы посмотрите на любые органические молекулы – глюкозу, жиры, аминокислоты, то так же как и в спирте вы найдете в них углеродный скелет (атомы углерода, связанные межатомными связями), и различные радикалы–ответвления, прикрепленные к этому скелету опять таки при помощи связей.

 

Для того, чтобы выяснить какое количество энергии (тепла) может быть выделено из этих молекул, в свое время действительно в печах сжигали при высокой температуре различные питательные вещества и узнавали сколько калорий будет выделено. Сегодня никто уже не сжигает гамбургер, кока-колу и маленькую картошку фри в печке, чтобы узнать сколько в них калорий – это весело, но ученые не только веселятся на своей работе, как многие думают.

 

Исследуемый продукт подвергают химическому анализу и выясняют, сколько в нем содержится белков, жиров, углеводов и других веществ. Так, количество белков определяют по белковому азоту (продукт в присутствии катализатора сжигают с серной кислотой и измеряют объем выделившегося аммиака). Сахара извлекают этиловым спиртом. Крахмалы растворяют в воде или в солевом растворе – т.д. и т.п. Зная же химический состав продукта, уже чисто арифметически вычисляют его калорийность, исходя из имеющихся по компонентам данных. 

 

При этом, цифры приводят к тому количеству энергии, которое получается при окислении этих питательных веществ в организме – с учетом того, что не все догорает в нашем теле по полной программе. В результате получается, что в организме 1 г белка или углеводов дают примерно 4 ккал; 1 г жиров – 9 ккал (в печи эти цифры несколько отличаются).

 

Как вы можете заметить, разные по структуре вещества, приведены к одной системе измерения – калориям. А это значит, что мы можем оценивать человеческую бухгалтерию (приход/расход) используя всего лишь одну единицу измерения, и это уже будет довольно четко характеризовать систему в целом.

 

Теперь о сложностях, которые возникают во всей этой кухне – собственно, что должно иметься в виду, когда говорят заезженную банальность, что человек не печь и устроен сложно. Несколько примеров. 

 

На переработку спирта в организме человека тратится энергия – как и на переработку белков, жиров и углеводов. И каждый из этих компонентов требует разных затрат – так, на переработку белка тратиться процентов на 10-20 больше, чем на переработку жиров или углеводов, поэтому энергии извлечь из белка удается меньше. А еще часть пищевых веществ не переваривается и не усваивается, и покидает наш организм транзитом, хотя на него тоже надо потратить энергию. Учесть даже эти несколько факторов довольно трудно. А есть и другие.

 

Наше тело тратит энергию на обогрев и на охлаждение. При чем оно одновременно греется и охлаждается. Например, летом мы не смотря на жару продолжаем греть тело, при этом тратим энергию на его охлаждение – потовыделение, дыхание и т.д. Если у человека тиреотоксикоз, то у него повышен обмен веществ, и он тратит на обогрев больше, чем другие люди. Однако, температура тела должна быть нормальной – поэтому и на охлаждение он тратит больше, существенно больше. Надо объяснять почему он будет худее человека с гипотиреозом, когда обмен веществ (отопление) наоборот замедленное? Если пример непонятен, то включите зимой кондиционер, откройте окна и отапливайте квартиру обогревателями хотя бы пару дней – а в следующий месяц получите сюрприз в виде счета за электричество.

 

Именно набор таких факторов (а их множество) и делает систему плохо предсказуемой. Один человек худеет на 2,5 тыс. калорий, а второй толстеет на 1,5 – парадокс? Вовсе нет, все можно объяснить – но гораздо сложнее предсказать.

 

Сложно, но можно – по крайней мере и профессионалы и просто опытные люди это делают вполне адекватно – по крайней мере лучше, чем гидрометцентр предсказывает погоду. За счет чего это возможно?

 

Тело хоть и сложный механизм – но это не хаос, а управляемая система. И эта система настроена определенным образом на существование. Продолжая пример с отоплением и охлаждением можно сказать, что есть термостат, который это все регулирует – он находится в гипоталамусе и поддерживает примерно одинаковое состояние организма, в том числе вес. И предсказать его поведение тоже можно – по крайней мере в достаточно продолжительном временном отрезке, если резко не менять условия существования, эти настройки остаются довольно стабильными.

 

У нас нет адекватных механизмов оценки потраченных телом калорий (мы не можем посадить любого желающего похудеть в камеру, где определяется количество потраченной энергии, как это делалось для оценки разных видов нагрузки – интересно, как измеряли количество потраченных при сексе калорий, при свете или без?; а по таблицам получаются очень уж среднепотолочные значения) – зато мы легко можем сосчитать количество поступивших в тело калорий.

 

Если вес стабилен, то тело при текущем количестве калорий тратит столько же, сколько и получает. И у нас остается два простых пути – или мы держим калорийность рациона стабильной, но пробуем увеличивать/уменьшать траты калорий, в зависимости от наших нужд, либо, что проще, манипулируем количеством калорий, которые мы можем получить из пищи. Таблицы и расчетные величины нам в помощь – они созданы для того, чтобы мы как-то могли ориентироваться в выборе стратегии, но они не абсолют, т.к. не могут полностью предсказать поведение сложной биологической машинерии человека.