Для визначення кількості затрачуваної організмом енергії застосовують пряму й непряму калориметрію. Перші прямі виміри енергетичного обміну провели в 1788 р. Лавуазьє й Лаплас.
Пряма калориметрія полягає в безпосередньому вимірі тепла, виділюваного організмом. Для цього тварина або людина міститься в спеціальну герметичну камеру, по трубах, що проходить через неї, протікає вода. Для обчислення теплопродукції використовуються дані про теплоємність рідини, її обсязі, що протікає через камеру за одиницю часу, і різниці температур вступника в камеру й рідини, що випливає [2].
Непряма калориметрія заснована на тім, що джерелом енергії в організмі є окисні процеси, при яких споживається кисень і виділяється вуглекислий газ. Тому енергетичний обмін можна оцінювати, досліджуючи газообмін. Найпоширенішийо спосіб Дугласа-Холдейна, при якому протягом 10-15 мін збирають видихуваний обстежуваною людиною повітря в мішок з повітронепроникної тканини (мішок Дугласа). Потім визначають обсяг видихнутого повітря й процентний вміст у ньому ПРО2 і З2. По співвідношенню між кількістю виділеного вуглекислого газу й кількістю спожитого за даний період часу кисню - дихальному коефіцієнту (ДК) - можна встановити, які речовини окисляються в організмі. ДК при окислюванні білків дорівнює 0,8, при окислюванні жирів - 0,7, а вуглеводів - 1,0. Кожному значенню ДК відповідає певний холеричний еквівалент кисню, тобто та кількість тепла, що виділяється при окислюванні якої-небудь речовини на кожний літр поглиненого при цьому кисню. Кількість енергії на одиницю споживаного 02 залежить від типу речовин, що окисляються в організмі. Калоричний еквівалент кисню при окислюванні вуглеводів дорівнює 21 кДж на 1 л 02 (5 ккал/л), білків - 18,7 кДж (4,5 ккал), жирів - 19,8 кДж (4,74 ккал) [2].
Для непрямого визначення інтенсивності обміну можуть бути використані деякі фізіологічні параметри, пов'язані зі споживанням кисню: частота подихів і вентиляційний обсяг, частота скорочень серця й хвилинний обсяг кровотока - всі вони відбивають витрати енергії. Однак ці показники недостатньо точні.
Швидкість метаболізму
Мінливість температури тягне за собою відповідні зміни швидкості обмінних реакцій. Оскільки динаміка температури тіла пойкилотермных організмів визначається змінами температури середовища інтенсивність метаболізму також виявляється в прямій залежності від зовнішньої температури. Швидкість споживання кисню, зокрема, при швидкі зміни температури слід за цими змінами, збільшуючи при підвищенні її і зменшуючи при зниженні. То ж відноситься і до інших фізіологічних функцій: частота серцебиття, інтенсивність травлення і т. д. У рослин в залежності від температури змінюються темпи надходження води і поживних речовин через коріння: підвищення температури до певної межі збільшує проникність протоплазми для води. Показано, що при пониженні температури від 20 до 0'С поглинання води корінням зменшується на 60 - 70%. Як і у тварин, підвищення температури викликає у рослин посилення дихання [2].
Останній приклад показує, що вплив температури не прямолінійно: по досягненні певного порогу стимуляція процесу змінюється його придушенням. Це загальне правило, таке, що пояснюється наближенням до зоні порогу нормального життя.
У тварин залежність від температури досить помітно виражена в змінах активності, яка відображає сумарну реакцію організму і у пойкилотермных форм самим істотно залежить від температурних умов. Добре відомо, що комахи, ящірки і багато інші тварини найбільш рухливі в теплу пору доби та в теплі дні, тоді як за прохолодної погоди вони стають млявими, мало. Початок їх активної діяльності визначається швидкістю розігрівання організму, залежить від температури середовища від прямого сонячного опромінення. Рівень рухливості активних тварин в принципі також пов'язаний з навколишнього температурою, хоча у найбільш активних форм цей зв'язок може "маскуватися" ендогенної теплопродукцией, пов’язаної з роботою мускулатури [1].
Основний обмін
Інтенсивність енергетичного обміну значно варіює й залежить від багатьох факторів. Тому для порівняння енергетичних витрат у різних людей була уведена умовна стандартна величина - основний обмін. Основний обмін [00] - це мінімальні для бадьорого організму витрати енергії, певні в строго контрольованих стандартних умовах [1]:
1. при комфортній температурі ( 18-20 градусів тепла);
2. у положенні лежачи (але обстежуваний не повинен спати);
3. у стані емоційного спокою, тому що стрес підсилює метаболізм;
4. натще, тобто через 12- 16 год послу останнього прийому їжі.
Основний обмін залежить від підлоги, віку, росту й маси тіла людини. Величина основного обміну в середньому становить 1 ккал в 1 год на 1 кг маси тіла. У чоловіків у добу основний обмін приблизно дорівнює 1700 ккал, у жінок основний обмін на 1 кг маси тіла приблизно на 10% менше, ніж у чоловіків, у дітей він більше, ніж у дорослих, і зі збільшенням віку поступово знижується.
Добова витрата енергії
Добова витрата енергії в здорової людини значно перевищує величину основного обміну й складається з наступних компонентів: основного обміну; робочого збільшення, тобто енерговитрат, пов'язаних з виконанням тої або іншої роботи; специфічного-динамічної дії їжі. Сукупність компонентів добової витрати енергії становить робочий обмін. М'язова робота істотно змінює інтенсивність обміну. Ніж інтенсивніше виконувана робота, тим вище витрати енергії. Ступінь енергетичних витрат при різній фізичній активності визначається коефіцієнтом фізичної активності - відношенням загальних енерговитрат на всі види діяльності в добу до величини основного обміну. По цьому принципі все населення ділиться на 5 груп [1].
| Група | Особливості професії | Коефіцієнт фізичної активності | Добова витрата енергії, кДж (ккал) |
| Перша | Розумова праця | 1,4 | 9799 - 10265(2100 - 2450) |
| Друга | Легка фізична праця | 1,6 | 10475 - 11732(2500 - 2800) |
| Третя | Фізична праця середньої ваги | 1,9 | 12360 - 13827(2950 - 3300) |
| Четверта | Важка фізична праця | 2,2 | 14246 - 16131(3400 - 3850) |
| П'ята | Особливо важка фізична праця | 2,5 | 16131 - 17598(3850 - 4200) |
Для людей, що виконують легку роботу сидячи, потрібно 2400 - 2600 ккал у добу, що працюють із більшим м'язовим навантаженням, потрібно 3400 - 3600 ккал, що виконують важку м'язову роботу - 4000-5000 ккал і вище. У тренованих спортсменів при короткочасних інтенсивних вправах величина робочого обміну може в 20 разів перевершувати основний обмін. Споживання кисню при фізичному навантаженні не відбиває загальної витрати енергії, тому що частина її витрачається на гліколіз (анаеробний) і не вимагає витрати кисню. Різниця між потребою в 02 і його споживанням становить енергію, одержувану в результаті анаеробного розпаду, і називається кисневим боргом. Споживання 0^ і після закінчення м'язової роботи залишається високим, тому що в цей час відбувається повернення кисневого боргу. Кисень затрачається на перетворення головного побічного продукту анаеробного метаболізму - молочної кислоти в піровиноградну, на фосфорилювання енергетичних з'єднань і відновлення запасів 02 у м'язовому міоглобіні [1].
Прийом їжі підсилює енергетичний обмін (специфічна динамічна дія їжі). Білкова їжа підвищує інтенсивність обміну на 25 - 30%, а вуглеводи й жири - на 10% або менше. Під час сну інтенсивність метаболізму майже на 10% нижче основного обміну. Різниця між пильнуванням у стані спокою й сном пояснюється тим, що під час сну м'язи розслаблені. При гіперфункції щитовидної залози основний обмін підвищується, а при гіпофункції - знижується. Зниження основного обміну відбувається при недостатності функцій полових залоз і гіпофіза.
При розумовій праці енерговитрати значно нижче, ніж при фізичному. Навіть дуже інтенсивна розумова праця, якщо він не супроводжується рухами, викликає підвищення витрат енергії лише на 2 - 3% у порівнянні з повним спокоєм. Однак якщо розумова активність супроводжується емоційним збудженням, енерговитрати можуть бути помітно більшими. Пережите емоційне збудження може викликати протягом декількох наступних днів підвищення обміну на 11 -19% [2].
Обмін речовин
Обмін речовин починається з надходження живильних речовин у шлунково-кишковий тракт і повітря в легені.
Першим етапом обміну речовин є ферментативні процеси розщеплення білків, жирів і вуглеводів до розчинних у воді амінокислот, моно- і дисахаридів, гліцерину, жирних кислот і інших з'єднань, що відбуваються в різних відділах шлунково-кишкового тракту, а також усмоктування цих речовин у кров і лімфу.
Другим етапом обміну є транспорт живильних речовин і кисню кров'ю до тканин і ті складні хімічні перетворення речовин, які відбуваються в клітинах. У них одночасно здійснюються розщеплення живильних речовин до кінцевих продуктів метаболізму, синтез ферментів, гормонів, складових частин цитоплазми. Розщеплення речовин супроводжується виділенням енергії, що використовується для процесів синтезу й забезпечення роботи кожного органа й організму в цілому [2].
Третім етапом є видалення кінцевих продуктів розпаду із клітин, їхній транспорт і виділення бруньками, легенями, потовими залозами й кишечником.
Перетворення білків, жирів, вуглеводів, мінеральних речовин і води відбувається в тісній взаємодії один з одним [1].
Вплив кліматичних чинників на організм людини
Температура - один з важливих абіотичних чинників, що впливають на всі фізіологічні функції всіх живих організмів. Температура на земній поверхні залежить від географічної широти і висоти над рівнем моря, а також пори року. Для людини в легкому одязі комфортною буде температура повітря + 19…20оС, без одягу - + 28…31оС. Що відбувається з людським організмом, коли температурні параметри змінюються? В цьому випадку він виробляє специфічні реакції пристосування щодо кожного чинника, тобто адаптується. Адаптація - це процес пристосування до умов середовища [3].