Сколько электричества вырабатывает человек. Большая энциклопедия нефти и газа

Действительно, сколько искусственной энергии надо, чтобы обеспечить человека продуктами питания?

Если вспомнить, что первобытные люди тратили на добывание пищи только собственную мускульную силу, а теперь для той же цели служит мощнейший агропромышленный комплекс, то можно понять мрачноватый полушутливый прогноз одного видного специалиста: «Расходы энергии будут возрастать, как говорится, от нуля и к бесконечности».

Но бесконечность - понятие не слишком определенное, и потому вряд ли кого-нибудь устроит столь некорректное предсказание. Значит, нужен хотя бы условный энергетический расчет, приближающий нас к истине.

О том, что изюм берется не из булок, а сами булки не растут на деревьях, знают даже малые дети. Чтобы виноград стал изюмом, а пшеничное зерно хлебом, они должны пройти целый ряд процессов. Так же и с другими продуктами питания. А в результате их «доработки» на фабриках, комбинатах и заводах энергетическая цена пищи резко возрастает. Иногда чуть ли не вдесятеро, но обычно раз в пять. И если, как считают специалисты, в нашем среднесуточном рационе 7,5 МДж должно приходиться на растительную пищу, то для ее производства требуется уже 37,5 МДж энергии, сравнительно небольшая часть которой (до 20%) расходуется в поле или в защищенном грунте, а остальное идет на заводское «преобразование» сырья.

Еще выше энергетическая цена молока и мяса.

Вспомните Духанинский комплекс: там биоэнергетическая отдача 5,3%, или каждый мегаджоуль животной пищи еще на стадии сельскохозяйственного производства требует около 20 МДж совокупной, в том числе более 5 МДж искусственной энергии. Да еще 5-кратное ее увеличение при переработке на заводах мясной и молочной промышленности. Итого: один к двадцати пяти. Многие любят сгущенное молоко. Так вот знайте: с каждой калорией «сгущенки» мы «съедаем» всех энергетических затрат в 25 раз больше. Примерно так же обстоит дело, скажем, с мясными рулетами и фаршами, предлагаемыми кулинарией.

Диетологи считают, что в день человеку следует потреблять 5,5 МДж с пищей животного происхождения. Умножив это число на энергетический эквивалент 25, получим 137,5 МДж - таков поток энергии, который незримо должен ежедневно поступать к столу каждого из нас вместе с молоком, мясом и прочими животноводческими продуктами. В этом потоке содержится и та энергия, что была затрачена на машины, удобрения, здания, сооружения, оборудование, топливо и материалы, израсходованные как непосредственно в самом сельском хозяйстве, так и в других отраслях агропромышленного комплекса.

Выходит, на производство растительной и животной пищи для нашего завтрака, обеда и ужина расходуется 37,5 + 137,5 = 175 МДж совокупной энергии, почти в 14 раз больше того, что каждый из нас съедает ежедневно. Это 6,0 кг так называемого условного топлива. Ну а в год на человека потребуется в 365 раз больше, то есть 2,2 т условного топлива (почти 64 тысячи МДж). Конечно, эти значения не абсолютно точные, но вполне годятся для расчетов. Да ведь и наш энергетический рацион корректируется в зависимости от конкретных условий. К тому же важное значение имеет соотношение в нем растительных и животных элементов питания. Например, в среднем мы ежедневно потребляем 14,2 МДж (3400 ккал), а не 13 МДж (3160 ккал), то есть больше, чем по принятым международным нормам. Следовательно, нам предстоит в ближайшее время увеличить не суммарную калорийность суточного рациона, а долю энергии, заключенной в животной пище, как это и рекомендуют медики.

Однако не будем нарушать принятого энергетического анализа и остановимся на полученном нормативе 64 тысячи МДж на жителя в год, заранее оговорившись, что в расчет не принимаются лесное и морское хозяйства. Нас в стране скоро будет 284 миллиона, значит, для производства продуктов питания Агропрому в год нужен колоссальный объем антропогенной энергии - 18 триллионов МДж. Но дело того стоит: ведь агропромышленный комплекс создает треть национального дохода. Естественно, при одинаковой удельной энергоемкости всех частей национального дохода энергетическая пропорциональность должна сохраняться.

Как же обеспечить АПК энергией? И тут мы приступаем к второй отправной позиции наших расчетов - положениям Энергетической программы СССР. Центральный тезис ее звучит так: «Реализация Энергетической программы СССР является одним из необходимых условий для ускорения перевода экономики страны на интенсивный путь развития, позволит существенно увеличить энерговооруженность отраслей народного хозяйства, особенно агропромышленного комплекса, и будет содействовать успешному выполнению Продовольственной программы».

Уместно отметить, что за годы Советской власти отечественная энергетика прошла три основных этапа. На первом в энергетическом балансе преобладали древесное топливо, сельскохозяйственные отходы и мускульная энергия рабочего скота. На втором развивалась «минерализация» энергетического баланса за счет преимущественного использования угля. Нынешний - третий - этап характеризуется все возрастающим применением нефти и природного газа. В ближайшей перспективе намечается «атомизация» энергетического баланса благодаря расширенному использованию ядерного горючего. Вместе с тем в оборот все полнее начнут вовлекаться нетрадиционные возобновляемые виды энергии - солнечная, геотермальная, ветра, биогаза, водорода, азотоводородов и др. Кстати, вклад подобных источников оценивается величиной 60-120 миллиардов МДж причем они являются наиболее экологически чистыми.

Для решения топливно-энергетических проблем нашей страны решающее значение имеет реализация Энергетической программы. Она предусматривает, что за счет сокращения удельных норм расхода энергии можно сэкономить во всем народном хозяйстве 15,8-17,0 триллионов МДж и еще 12-14 триллионов МДж в результате нарастающего использования ядерного горючего. Анализ программы позволяет сделать, в частности, следующие выводы. Во-первых, общая экономия топлива в объеме 27,8- 31 триллион МДж вызовет снижение энергоемкости всех отраслей народного хозяйства, включая АПК. Во-вторых, ускоряются темпы электрификации страны, вследствие чего удельный расход электрической энергии на производство национального дохода должен повышаться на 5-6% в ближайшее десятилетие и примерно на 15% за 20 лет, хотя удельный расход всех энергетических ресурсов на те же цели будет снижаться. Значит, АПК обязан настроиться на электричество. В-третьих, развитие нетрадиционных возобновляемых источников энергии касается непосредственно интересов сельскохозяйственной агрозооэнергетики. В самом деле, сельское хозяйство часто называют цехом под открытым небом - без крыши, стен и пола. Здесь сияет Солнце, гудит ветер, под почвой бурлит горячее тело планеты (термальная вода). Разложение органического вещества в природе сопровождается выделением метана (биогаз), под влиянием солнечных лучей из воды выделяется водород, а в результате деятельности микроорганизмов выделяются азотоводороды (например, аммиак).

Резервы тут таятся огромные, и в общем случае формула энергетической стратегии АПК проста: меньше «минерального» баланса, больше электричества и возобновляемой энергии. Ученые доказывают и подкрепляют свое мнение обоснованными расчетами, что при определенных условиях Агропром страны может самоэнергообеспечиваться на основе гармонического сочетания энергетики АПК с энергетикой природных процессов. Давайте же, хотя бы на отдельных примерах, порассуждаем, как это можно сделать.

«Человек не печка» - Подсчет калорий не нужен! ….или почему подсчет калорий нужен.

Для тех, кто свято верует в то, что человеческий организм не печка, что калории в нем не «сжигаются, что подсчет калорий не нужен, вреден, не полезен, публикуем пост Олега Терна, в котором очень тщательно разбирается вопрос, почему–таки человек–печка, и почему подсчет калорий это лучший способ похудеть.

Судя по последним данным некоторые базовые вещи, без которых подходить к диетологии - все равно, что проектировать космический корабль не имея представления о математике, не всем понятны. Некоторые этим даже гордятся, хотя я бы не стал. Для тех, кто хочет понимать, что отвечать, когда кто–то лихо и самозабвенно утверждает, что «человек не печка» традиционные многобукв.

В выпуске: Бек ту скул для тех, кто все проспал – огненное шоу с даблчизбургером, кокаколой и маленькой картошкой – наука снова победила безграмотность и невежество – синоптики отдыхают пока остальные худеют.

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. 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 расщеплении межатомных связей и образовании новых.

Итак, мы выяснили, что если какое–то органическое вещество сжечь до конечных продуктов – воды, углекислого газа и других веществ (например, окиси азота или серы, если жечь аминокислоты, в которых они содержатся) в присутствии кислорода, то выделяется какое–то количество энергии, которое можно измерять в калориях. Это количество определяется количеством межатомных связей, которые участвовали в процессе окисления – именно из них выделялась энергия, т.к. количество вещества остается неизменным (количество атомов – углерода, водорода, кислорода и т.д.). И во всех ситуациях, где бы ни происходило окисление молекулы, количество этой энергии выделяется одинаковое.

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 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.

Cтраница 1

Выделение огромного количества энергии при ядерных превращениях объясняет и так называемый дефект массы. Ядро атома гелия, как уже говорилось, состоит из двух протонов и двух нейтронов. Это уменьшение массы называется дефектом массы.  

Синтез сопровождается выделением огромных количеств энергии. Ядра атомов тяжелых элементов (тяжелее серебра) при ядерных процессах расщепляются, выделяя энергию; ядра атомов легких элементов могут соединяться в более тяжелые также с выделением энергии. Чем дальше элементы от середины таблицы периодической системы, тем большие количества энергии могут выделяться в ядерных процессах. Расщепление ядер тяжелых элементов сравнительно хорошо изучено и в настоящее время успешно осуществляется.  

Реакция сопровождается выделением огромного количества энергии. По количеству выделяемой энергии 1 кг урана эквивалентен 2 млн. кг угля. Один нейтрон, попавший в массу радиоактивного элемента, вызывает появление 2 - 3 нейтронов, которые в свою очередь приводят к новым ядерным реакциям. В конечном счете возникает лавина нейтронов, которые расщепляют огромное количество ядер. Лавинообразный процесс деления тяжелых ядер называется цепной ядерной реакцией.  

Этот процесс сопровождается выделением огромных количеств энергии за счет дефекта массы в соответствии с законом эквивалентности Эйнштейна и благодаря выделению в процессе деления новых нейтронов является саморазвивающимся, лавинообразным, что позволило использовать его для построения атомной бомбы.  

Извержения вулканов сопровождаются выделением огромного количества энергии (табл. 3.3) так же, как и при ядерных взрывах.  

Особенностью ядерных реакций является выделение огромного количества энергии в форме кинетической энергии образующихся частиц или в форме энергии излучения. В химических реакциях энергия выделяется главным образом в форме теплоты. Энергия ядерных реакций превышает энергию химических реакций в миллионы раз. Этим объявляется неразрушимость ядер атомов при протекании химических реакций.  

Деление ядер урана-235 сопровождается выделением огромного количества энергии - около 20000000 ккал на 1 г превращающегося урана, что приблизительно соответствует энергии 20 т взрывчатого вещества. На этом основано применение урана-235 для изготовления так называемых атомных (вернее, ядерных) бомб.  

Деление ядер 235U сопровождается выделением огромного количества энергии.  

Реакция деления ядра сопровождается выделением огромного количества энергии. Это эквивалентно теплоте реакции сжигания 2 млн. кг высококалорийного каменного угля.  

Распад ядра U235 сопровождается выделением огромного количества энергии: 1 г урана выделяет при распаде столько же энергии, сколько получается при сжигании 2 5 т угля. Основная доля энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков деления. Примерно 10 % энергии, выделяющейся при делении, приходится на излучение.  

Важнейшей особенностью ядерных реакций является выделение огромных количеств энергии.  

Важнейшей особенностью ядерных реакций является выделение огромного количества энергии в форме кинетической энергии образующихся частиц или в форме энергии излучения. В химических реакциях энергия выделяется главным образом в форме теплоты. Энергия ядерных реакций превышает энергию химических реакций в миллионы раз. Этим объясняется неразрушимость ядер атомов при протекании химических реакций.  

Важнейшей особенностью ядерных реакций является выделение огромного количества энергии в форме кинетической энергии образующихся частиц или в форме энергии излучения. В химических реакциях энергия выделяется главным образом в форме теплоты.  

Первое требование, предъявляемое к полноценному рациону, - наличие в нем необходимого запаса энергии, высвобождаемой в процессе окисления трех основных макропитательных веществ: углеводов, жиров и белков. Энергию выражают в килокалориях (ккал), или питательных калориях (сокращенно обозначаемых Кал, с заглавной буквой К); одна килокалория соответствует количеству тепловой энергии, необходимой для нагревания 1,0 кг воды от 15 до 16 С. Напомним, что теми же единицами пользуются при расчете изменений стандартной свободной энергии в ходе метаболических реакций (разд. 14.4).

В табл. 26-3 приведены предложенные Отделом пищевых продуктов и питания ежедневные энергетические потребности для людей разного возраста. Для молодых мужчин студенческого возраста потребность в энергии составляет ~ 2900 ккал/сут, для женщин того же возраста ~ 2100 ккал/сут. Новорожденным, детям и людям более старшего возраста требуется обычно меньше энергии. Приведенные величины можно сравнить с количеством энергии, необходимой для поддержания основного обмена, т. е. с количеством энергии, которое нужно организму в состоянии полного покоя, через 12 ч после еды (гл. 25).

Таблица и питания Национальной Академии наук и Национального исследовательского совета

Для мужчин студенческого возраста потребности основного обмена составляют ~ 1800ккал/ сут, для женщин того же возраста ~ 1300 ккал/сут. Очевидно, большие количества энергии, фигурирующие в рекомендациях ежедневного рациона питания, объясняются необходимостью выполнения физической работы. В табл. 26-4 показан расход энергии при различных видах физической работы.

Количество энергии, выделяющейся при окислении углеводов, жиров и белков, можно определить, сжигая образцы известного веса в атмосфере кислорода внутри калориметрической бомбы и определяя общее количество выделившегося тепла (рис. 26-1). При сжигании чистых углеводов выделяется в среднем 4,2 ккал/г, при сжигании жиров ~ 9,5 ккал/г, белков ~ 4,3 ккал/г (табл. 26-5). Калорийность таких пищевых продуктов, как хлеб, картофель, мясо, фрукты и т. д., также можно определить путем их сжигания в калориметрической бомбе. Вместе с тем эту величину можно получить путем расчета, если определить с помощью химического анализа содержание углеводов, жиров и белков в данном образце пищевого продукта и умножить полученные веса на соответствующие коэффициенты калорийности, которые приведены в табл. 26-5. При окислении в организме продукты, способные полностью перевариваться и усваиваться, обеспечивают выделение такого же количества тепла, как и при окислении в калориметре. Идентичность количеств энергии, выделяемой в калориметре и в организме, была подтверждена результатами исследований, проведенных на людях, помещенных в калориметр очень большого размера.

Таблица 26-3. Суточная потребность в энергии (рекомендации Отдела пищевых продуктов и питания Национальной Академии наук и Национального исследовательского совета, 1980)

Поскольку организм человека при любых условиях подчиняется законам термодинамики, не существует никакой «волшебной» диеты, которая могла бы обойти закон сохранения энергии.

Таблица 26-4. Энергетические потребности при разных видах деятельности

Калории есть калории.

Рассмотрим теперь характеристики двух из трех основных питательных веществ, обеспечивающих организм энергией: углеводов и жиров.

Рис. 26-1. Принцип устройства калориметрической бомбы, предназначенной для измерения калорийности пищи. Образец пищевого продукта с известным весом поджигается электрическим разрядом в атмосфере с избыточным содержанием кислорода под давлением внутри бомбы, выдерживающей высокое давление. Сгорание пищи вызывает повышение температуры известного количества воды, которой заполнено пространство, окружающее бомбу Количество выделившегося при сгорании пищи тепла можно легко рассчитать, учитывая, что для нагревания 1 кг воды на 1 С от 14,5 до 15,5 °С требуется 1 ккал.

Для измерения количества тепла, выделяемого организмом человека, используют очень большие калориметры с замкнутой камерой, в которой постоянно обеспечивается обмен кислорода и

Таблица 26-5. Калорийность основных нишевых продуктов

а. Углеводы служат основным источником энергии

Сами по себе углеводы не являются незаменимыми компонентами пищи человека, однако, поскольку продукты, богатые углеводами, более доступны и дешевы, чем продукты, содержащие большие количества белков и жиров, именно они составляют основную часть продуктов питания в большинстве стран. Четыре пятых населения земного шара питаются в основном растительной пищей, и на долю углеводов приходится по крайней мере 70° 0, а иногда и 90% суммарной калорийности такой пищи. В развитых же странах, где население потребляет в сравнительно больших количествах мясные и молочные продукты, на долю углеводов приходится лишь 45% калорийности дневного рациона.

Рис. 26-2. Изменение пищевого рациона в США. А. Рацион в 1910 г. Б. Современный рацион. В. Рацион по сформулированным в последнее время рекомендациям с указанием оптимального соотношения вкладов различных продуктов в суммарную калорийность пиши.

В США мужчины в студенческом возрасте потребляют в пищу ежедневно около 400 г углеводов.

В развитых странах более 40% потребляемых углеводов составляют сахароза и другие очишенные сахара, в основном глюкоза и фруктоза, остальная часть приходится на долю крахмала. В менее разлитых странах сахарозу употребляют в пищу в очень небольших количествах, в основном в качестве углеводов там используют крахмал. Двести лет назад, когда промышленная революция только начиналась, количество сахара, потребляемое ежедневно одним человеком, составляло в Англии в среднем всего лишь 5 г, сейчас это количество превышает 200 г. Аналогичные изменения произошли и в США (рис. 26-2). Развитие любой страны сопровождается увеличением количества употребляемой в пищу сахарозы. Одна из причин этого состоит в доступности и дешевизне сахарозы по сравнению с другими углеводами в этих странах В ноябре 1981 г. розничная цена на сахар в США составляла 34 цента за фунт, это количество эквивалентно 1880 ккал, т. е. более 60% дневной потребности в калориях мужчины студенческого возраста. Известно, что для сахарного тростника и свеклы нужна меньшая посевная площадь, чем для эквивалентного по калорийности количества картофеля и злаковых растений. Сахарный тростник является одним из наиболее продуктивных сельскохозяйственных растений.

В связи с этим между экономикой сельского хозяйства и правильным питанием возможен конфликт, поскольку сахароза и другие сахара оказывают неблагоприятное воздействие на зубы (разд. 26.25).

Сладкие продукты часто едят ради удовольствия, некоторые не могут даже обойтись без сладостей. Не исключено, что склонность к сладкому является результатом сохранившегося с младенчества стремления удовлетворить чувство голода (содержание сахара в женском молоке в два раза выше, чем в коровьем). Многие виды животных также предпочитают сладкое; вместе с тем некоторые виды индифферентны к нему или даже избегают сладкого.

б. Все более широкое применение находят некалорииные заменители сахаров

Искусственный заменитель сахара - сахарин (рис. 26-3) - в течение многих лет использовали для снижения калорийности пищи больных, страдающих диабетом и ожирением, без явных вредных последствий для здоровья пациентов. Однако в 1969 г. было установлено, что при скармливании крысам в очень больших дозах он может оказывать канцерогенное действие. После этого вопрос об использовании сахарина для приготовления «диетических» напитков и продуктов стал предметом дискуссий. Однако поскольку польза сахарина как заменителя сахара очевидна, а риск, связанный с его канцерогенностью для людей, сравнительно невелик, его продолжают использовать для приготовления «диетических» напитков. Другой синтетический некалорийный заменитель сахара - цикламат натрия (рис. 26-3) - из-за более сильно выраженных канцерогенных свойств, выявленных на животных, был запрещен для приготовления пищевых продуктов.

В настоящее время прилагаются усилия для поиска новых, нетоксичных заменителей сахара. Одно из детально исследованных в этом направлении веществ - аспартам (рис. 26-3) - метиловый эфир дипептида аспартилфенилаланина. Поскольку в состав его молекулы входят два аминокислотных остатка, встречающихся в обычных белках, полагают, что оно не должно быть токсичным.

Рис. 26-3. Некалорийные заменители сахаров. Оценка их относительной сладости приведена в табл. 26-6. Некоторым людям сахарин кажется горьким на вкус, что может быть обусловлено генетическими особенностями во вкусовых восприятиях.

Управление по использованию продуктов питания и лекарственных веществ разрешило использовать аспартам для приготовления некоторых имеющихся в продаже пищевых продуктов. Еще одним кандидатом на роль заменителя сахара является монелин, белок (мол. масса 11 000), добываемый из африканских плодов-сюрпризов (African serendipity berry). Сладость этого белка в расчете на единицу веса в 2000 раз превышает сладость сахарозы (табл. 26-6). Сладкий вкус монелина обусловлен специфической особенностью пространственной структуры его полипептидной цепи.

При нагревании или других видах денатурации монелин утрачивает сладость.

Таблица 26-6. Относительная сладость некоторых сахаров и некалорийных заменителей сахаров (по сравнению с сахарозой)

в. Жиры обеспечивают организм калориями и незаменимыми жирными кислотами

На долю триацилглицеролов приходится около 98% общего количества липидов в пище; остальные 2% составляют фосфолипиды, холестерол и его эфиры. При комнатной температуре триацил-глицеролы животного происхождения, в состав которых входит относительно много насыщенных жирных кислот, обычно имеют твердую консистенцию. Что же касается триацилглицеролов растительного происхождения, в состав которых входит сравнительно большое количество ненасыщенных жирных кислот, то они при комнатной температуре обычно жидкие. При окислении триацилглицеролов обоих типов количество энергии, выделяемой в расчете на 1 единицу веса, более чем в 2 раза превышает количество энергии, выделяемой при окислении углеводов (табл. 26-5). Поскольку жиры задерживаются и перевариваются в желудке обычно медленнее, чем углеводы, они лучше способствуют насыщению, чем углеводы.

Экспериментальные животные не способны синтезировать линолевую и линоленовую кислоты (разд. 21.6), поэтому они должны получать их с нищей. Люди, как правило, не испытывают недостатка в незаменимых жирных кислотах, так как эти кислоты в больших количествах содержатся во многих продуктах растительного происхождения, в рыбе и птице. В мясных и молочных продуктах их содержание намного ниже. Линолевая кислота (рис. 26-4) необходима организму в связи с тем, что она служит предшественником арахидоновой кислоты (разд. 21.6), которая в свою очередь играет роль предшественника простагландинов и тромбоксанов (разд. 25.23).

В рационе жителей развитых стран наряду с большим количеством очищенных сахаров значительное место занимают жиры, особенно жиры животного происхождения (рис. 26-2). Предполагают, что именно с этим связано увеличение частоты атеросклероза, ишемической болезни сердца и нарушений мозгового кровообращения у населения высокоразвитых стран. При атеросклерозе происходит аномальное отложение липидов в интиме артерий, что приводит к ограничению кровотока.

Рис. 26-4. Незаменимые жирные кислоты. У млекопитающих нет ферментов, способных катализировать образование двойной связи в положении , поэтому они должны получать линолевую и линоленовую кислоты с растительной пишей. Эти кислоты необходимы как предшественники для образования в тканях других поли ненасыщенных жирных кислот, в частности арахидоновой и других 20-атомных полиненасыщенных жирных кислот, которые в свою очередь служат предшественниками простагландинов. У маленьких детей недостаток незаменимых жирных кислот может приводить к развитию экземы.

В тех случаях, когда липидные отложения закупоривают сосуды сердца или мозга, развивается соответственно ишемическая болезнь сердца или инсульт; ткань миокарда или мозга гибнет из-за недостатка в них кислорода (рис. 26-5).

В животных жирах есть два компонента, которые могут способствовать возникновению атеросклероза, - насыщенные жирные кислоты и холестерол, однако некоторые ученые оспаривают статистические данные, подтверждающие эту точку зрения. Большинство животных жиров, в частности жиры мяса, молока и яиц, содержат относительно много насыщенных и мало ненасыщенных жирных кислот (табл. 26-7), исключение составляют куриный и рыбий жир.

Таблица 26-7. Состав жирных кислот в типичных животных и растительных жирах

Растительные жиры, напротив, очень богаты полиненасыщенными жирными кислотами. По калорийности ценность насыщенных и ненасыщенных жиров примерно одинакова, однако обильное потребление насыщенных животных жиров наряду с незначительным количеством полиненасыщенных жиров может приводить у многих (но не у всех) людей к уменьшению концентрации в крови липопротеинов высокой плотности и к увеличению концентрации липопротеинов низкой плотности (разд. 12.8), а также общего холестерола.

Рис. 26-5. Атеросклероз - постепенное уменьшение просвета артерии небольшого диаметра из-за роста липидных отложений. На фотографиях показаны поперечные срезы: нормальной артерии {А), артерии, внутри которой формируются липидные отложения (Б), артерии с уплотненными отложениями (В) и артерии, просвет которой полностью закупорен кровяным сгустком (Г).

Существует корреляция между частотой ишемической болезни сердца, с одной стороны, и низкой концентрацией липопротеинов высокой плотности и высокой концентрацией липопротеинов низкой плотности, а также общего содержания холестерола - с другой. Поэтому рекомендуется содержащиеся в мясе, яйцах, молоке, сливочном масле и сыре жиры животного происхождения частично заменять растительными жирами, богатыми полиненасыщенными жирными кислотами. Полезно также использовать вместо масла маргарин, поскольку его получают частичным гидрированием растительных масел (разд. 12.2). Процесс гидрирования, в результате которого увеличивается степень насыщения этих масел, можно контролировать. Например, существует «мягкий» маргарин, обладающий более высокой питательной ценностью, по сравнению с «твердым» маргарином, так как он содержит больше полиненасыщенных жиров (табл. 26-7). Что касается холестерола, то у некоторых людей он влияет на соотношение между липопротеинами крови.

Рис. 26-6. Холестерол. В эфирах холестерола гидроксильная группа (выделена красным цветом) этерифицирована длинноцепочечными жирными кислотами.

В значительных количествах он содержится в продуктах животного происхождения, особенно много его в яичном желтке, сливочном масле и мясе, тогда как в растительных продуктах его нет. В типичном для жителей США рационе ежедневное потребление холестерола составляет 600-800 мг, в основном за счет яичных желтков. Холестерол синтезируется из ацетил-СоА (разд. 21.16) и может выводиться только путем превращения в соли желчных кислот, которые в свою очередь выводятся из кишечника сравнительно медленно. Если в пище много холестерола, то его содержание в крови увеличивается, но при этом его синтез ингибируется. Существует хорошо сбалансированное равновесие между количеством холестерола, всасываемого в кишечнике, синтезируемого в тканях и выводимого из организма. Больным ишемической болезнью сердца часто рекомендуют диету с низким содержанием холестерола, в которой насыщенные жиры частично заменены на полиненасыщенные. Однако в связи с тем, что развитие ишемической болезни сердца зависит и от генетических факторов, а также от курения и гипертонии, диета с пониженным содержанием животных жиров и холестерола помогает далеко не всем больным. Атеросклероз, по-видимому, имеет сложное происхождение, и подверженность ему у разных людей различна. Бесспорно, что на развитие этой болезни влияет состав пищи, однако лучше всего, вероятно, родиться с хорошими генами.

Электричества, которое генерирует человек, может хватить для зарядки мобильного телефона. Наши нейроны находятся под постоянным напряжением, а разницу между жизнью и смертью можно определять по электрическим волнам на энцефалограмме.

Лечение скатами

Как-то в Древнем Риме сын богатого архитектора и начинающий врач, Клавдий Гален прогуливался по берегу Средиземного моря. И тут его глазам предстало весьма странное зрелище – навстречу ему шли два жителя близлежащих деревушек, к головам которых были привязаны электрические скаты! Так история описывает первый известный нам случай применения физиотерапии при помощи живого электричества. Метод был взят Галеном на заметку, и столь необычным способом он спасал от боли после ранений гладиаторов, и даже излечил больную спину самого императора Марка Антония, который вскоре после этого назначил его личным врачом.

После этого человек не раз сталкивался с необъяснимым явлением «живого электричества». И опыт не всегда был положительный. Так, однажды, в эпоху великих географических открытий, у берегов Амазонки, европейцы столкнулись с местными электрическими угрями, которые генерировали электрическое напряжение в воде до 550 вольт. Горе было тому, кто случайно попадал в трехметровую зону поражения.

Электричество в каждом

Но впервые наука обратила внимание на электрофизику, а точнее на способность живых организмов вырабатывать электричество, после презабавного случая с лягушачьими лапками в XVIII, которые в один ненастный день где-то в Болонье, начинали дергаться от соприкосновения с железом. Зашедшая в лавку мясника за французским деликатесом, жена болонского профессора Луиджи Гальватти, увидела эту ужасную картину и рассказала мужу о нечистой силе, которая бушует по соседству. Но Гальватти посмотрел на это с научной точки зрения, а спустя 25 лет упорных трудов вышла его книга «Трактаты о силе электричества при мышечном движении». В ней ученый впервые заявил – электричество есть в каждом из нас, а нервы это своеобразные «электропроводы».

Как это работает

Как же человек генерирует электричество? Всему причиной многочисленные биохимические процессы, которые происходят на клеточном уровне. Внутри нашего организма присутствует множество разных химических веществ – кислород, натрий, кальций, калий и многие другие. Их реакции друг с другом и вырабатывают электрическую энергию. Например, в процессе «клетчатого дыхания», когда клетка высвобождает энергию, полученную от воды, углекислого газа и так далее. Она, в свою очередь откладывается в особые химические макроэргические соединения, условно назовем это «хранилищами», и впоследствии используется «по мере необходимости».

Но это всего лишь один из примеров – в нашем теле много химических процессов, которые вырабатывают электричество. Каждый человек – это настоящая электростанция, и ее вполне можно использовать в быту.

Много ли мы производим ватт?

Энергия человека как альтернативный источник питания уже давно перестала быть мечтой фантастов. У людей большие перспективы в качестве генераторов электричества, его можно вырабатывать практически из любого нашего действия. Так, от одного вдоха можно получить 1 Вт, а спокойного шага хватит, чтобы питать лампочку в 60 Вт, да и зарядить телефон будет достаточно. Так что проблему с ресурсами и альтернативными источниками энергии, человек может решить, в буквальном смысле, сам.

Дело за малым – научиться передавать энергию, которую мы столь бесполезно растрачиваем, «куда надо». И у исследователей уже есть предложения на этот счет. Так, активно изучается эффект пьезоэлектричества, который создает напряжение из механического воздействия. На его основе еще в 2011 году австралийские ученые предложили модель компьютера, который заряжался бы от нажатия клавиш. В Корее разрабатывают телефон, который будет заряжаться от разговоров, то есть от звуковых волн, а группа ученых из Georgia Institute of Technology создала действующий прототип «наногенератора» из оксида цинка, который вживляется в человеческое тело и вырабатывает ток от каждого нашего движения.

Но это еще не все, в помощь солнечным батареям в некоторых городах собираются получать энергию из часа пик, точнее от вибраций при ходьбе пешеходов и машин, а потом использовать ее для освещения города. Такую идею предложили лондонские архитекторы из фирмы Facility Architects. По их словам: «В часы пик через вокзал Виктория за 60 минут проходит 34 тысячи человек. Не нужно быть математическим гением, чтобы понять - если удастся применять эту энергию, то может фактически получиться очень полезный источник энергии, которая в настоящее время расходуется впустую». Кстати, японцы уже используют для этого турникеты в Токийском метро, через которые каждый день проходят сотни тысяч человек. Все-таки железные дороги – основные транспортные артерии Страны Восходящего солнца.

«Волны смерти»

Кстати, живое электричество является причиной многих весьма странных явлений, которые наука объяснить до сих пор не в силах. Пожалуй, самое известное из них – «волна смерти», открытие которой повлекло новый этап споров о существовании души и о природе «околосмертного опыта», о котором иногда рассказывают люди, пережившие клиническую смерть.

В 2009 году в одной из американских больниц были сняты энцефолограммы у девяти умирающих людей, которых на тот момент было уже не спасти. Эксперимент проводился, чтобы разрешить давний этический спор о том, когда человека действительно мертв. Результаты были сенсационными – после смерти у всех испытуемых мозг, который уже должен был быть умерщвлён, буквально взрывался – в нем возникали невероятно мощные всплески электрических импульсов, которые никогда не наблюдались у живого человека. Они возникали через две-три минуты после остановки сердца и продолжались примерно три минуты. До этого, подобные эксперименты проводились на крысах, у которых то же самое начиналось спустя минуту после смерти и продолжалось 10 секунд. Подобное явление ученые фаталистично окрестили «волной смерти».

Научное объяснение «волнам смерти» породило множество этических вопросов. По словам одного из экспериментаторов, доктора Лакхмира Чавла, подобные всплески мозговой активности объясняются тем, что от недостатка кислорода нейроны теряют электрический потенциал и разряжаются, испуская импульсы «лавинообразно». «Живые» нейроны постоянно находятся под небольшим отрицательным напряжением – 70 миннивольт, которое удерживается, за счет избавления от положительных ионов, которые остаются снаружи. После смерти – равновесие нарушается, и нейроны быстро меняют полярность с «минуса» на «плюс». Отсюда и «волна смерти».

Если эта теория верна, «волна смерти» на энцефолограмме проводит ту неуловимую черту между жизнью и смертью. После нее работу нейрона восстановить нельзя, организм больше не сможет получать электрические импульсы. Иными словами, дальше врачам уже нет смысла бороться за жизнь человека.

Но, что если посмотреть на проблему с другой стороны. Предположить, что «волна смерти» - последняя попытка мозга дать сердцу электрический разряд, чтобы восстановить его работу. В таком случае, во время «волны смерти» нужно не складывать руки, а напротив использовать этот шанс для спасения жизни. Так утверждает доктор-реаниматолог, Ланс-Беккер из Пенсильванского Университета, указывая на то, что бывали случаи, когда человек «оживал» после «волны», а значит яркий всплеск электрических импульсов в человеческом теле, а потом спад, еще не могут считаться последним порогом.