В процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ (CO
) и воду (H
O) из воздуха и почвы. В растительной клетке вода окисляется, то есть теряет электроны, а углекислый газ восстанавливается, то есть приобретает электроны. Это превращает воду в кислород и углекислый газ в глюкозу. Затем растение выпускает кислород обратно в воздух и сохраняет энергию в молекулах глюкозы.
Вполне логично возникает вопрос, насколько этот процесс преобразования эффективен, а именно, всю ли энергию солнечного света удается сохранить? В лабораторных условиях реакции фотосинтеза имеют близкую к 100 % квантовую эффективность, т. е. один квант света приводит к переносу одного электрона. Однако в самых идеальных природных условиях общая энергоэффективность не всегда достигает и 35 %, так как не весь солнечный свет поглощается листом растений. А если взять в расчет потери на всех этапах биохимии то на большинстве сельскохозяйственных культур удалось получить лишь около 1–2 % энергоэффективности, т. е. эти небольшие проценты энергии солнца сохраняются в растительном продукте, например, в зернах кукурузы [10–12]. Сахарный тростник является исключением, так как его эффективность может составлять почти 8 %. При взгляде на эти цифры может показаться, что из-за такой энергоэффективности процесс фотосинтеза не так важен для существования жизни на земле, но это не так. Обилие растительности нивелирует потери преобразования энергии солнца в биомассу растений. И мы можем использовать растения не только в качестве источника пищи, но и используем энергетические ресурсы: уголь, природный газ, нефть. Которые также содержат запасенную энергию солнца, только полученную много лет назад. В процессе фотосинтеза синтезируются углеводороды, т. е. углеводы и жиры. Его еще называют биологической фиксацией углерода (запомните этот термин, мы к нему еще вернемся, когда дойдем до людей). В результате неорганический углерод превращается в органические соединения, в частности в ту самую глюкозу. Жизнь на Земле построена на соединениях, содержащих углерод, азот, водород и кислород. Сложные последовательности этих элементов вместе образуют строительные блоки жизни. Из них состоят необходимые органические молекулы, такие как сахара, ферменты, белки и ДНК. Те, кто внимательно читали эту нуднятину, наверное, задаются вопросом, почему ничего не было сказано про жиры? Ведь написано, что в растениях содержатся и они. Не буду усложнять и без того непростую тему. Скажу только, что углеводы и жиры имеют достаточно похожий состав химических элементов, а именно углерод (С), водород (Н) и кислород (О). Отличается лишь сама их последовательность. Поэтому жиры синтезируется ферментами растений из углеводов [13].
Но растения являются еще и источником растительного белка. А чтобы из аминокислот построить белки, нужен азот (N). И откуда растениям его взять? Азота много в атмосфере. Но есть проблема – растения не могут его напрямую в себя всосать. Вспомним про круговорот азота в природе и азотфиксирующие бактерии. Круговорот азота – это процесс, посредством которого азот превращается в различные химические формы по мере его циркуляции в атмосфере, почве и живых организмах. Происходит это непрерывно, и тем самым растения и животные могут использовать азот для своих нужд, и после их гибели он возвращается обратно в атмосферу. А решающую роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. У них есть специальный фермент, который соединяет атмосферный азот (N) с водородом (H). В результате получаются нитраты и нитриты, а растения их могут поглощать своими корневыми волосками. А вообще, для растительных белков нужна еще сера (S), но в такие дебри предлагаю не погружаться, чтобы вы не выбросили эту книгу, и она не превратилась в перегной.
Вот теперь обобщаем все вышесказанное. Получается, что под действием энергии солнца, используя углерод из простых веществ (СО
из атмосферы), растения синтезируют белки, жиры, углеводы [14]. Такие производящие питательные вещества организмы называют автотрофами или первичными продуцентами (если совсем точно, то фотоавтотрофами). В пищевой цепи они находятся на самом низком уровне, но являются причиной, по которой на Земле все еще есть жизнь [15].
Животные и люди, сколько бы ни стояли на солнце, не способны получить вещества, которые можно использовать в качестве энергии. А вот ожоги запросто. Такие организмы называют гетеротрофами [16]. Они не могут производить собственную пищу, поэтому должны что-то или кого-то есть. В пищевой цепи гетеротрофы будут являться первичными, вторичными, третичными потребителями, но не продуцентами, как растения.
Таким образом, растения являются источником питательных веществ. Мы едим растения или животных, которые ели эти растения, или животных, которые ели животных, которые ели растения, или… Я думаю, вы поняли.
Далее чуть упрощаем. Мы с вами дышим. Зачем? Чтобы не было скучно? Нет, конечно, нам нужен кислород. Он необходим, чтобы окислить (сжечь) питательные вещества, которые мы едим, и при этом высвободить энергию [17]. Ту самую энергию солнца. Если немного пофилософствовать, то можно предположить, что биологическая масса на нашей планете вообще не меняется, а лишь переходит из одной формы в другую. Ну если только инопланетяне не занесут чего-нибудь с других планет.
Мы уже затрагивали вопрос эффективности фотосинтеза. Дело в том, что при такой передаче солнечной энергии от растений к животным, а от них к другим животным и далее по цепочке, неизбежны потери в виде выделения тепла, метаболизма и других процессов. И исходя из этого был сформулирован закон (хотя автор не называл бы это законом, но так закрепилось) Раймонда Линдемана, или Закон 10 % [18]. Согласно ему при переходе энергии от одного уровня к другому передается лишь около 10 %. Остальное теряется в процессе переноса.
Например, Солнце выделяет 100 тыс. Дж энергии, растения запасают только 1000 Дж энергии от солнечного света (исключение из закона – растениями от солнца поглощается только 1 % энергии). После этого корова, съев растение получит 100 Дж (10 % энергии). Волк, съев корову, получит 10 Дж (10 % энергии коровы). Человек, если съест волка, получит 1 Дж (10 % энергии волка) и т. д. Конечно, в реальности передается не всегда 10 %. Доля энергии может доходить и до 35 %. Но факт состоит в том, что часть энергии теряется.
Пример с морковкой, зайцами и лисой вы можете посмотреть на рисунке ниже.
Закон Линдемана о 10 %
Вот такой сложный процесс передачи энергии, которая поступает на Землю, преодолевая 150 млн километров. А о том, что с ней происходит внутри нашего организма, поговорим далее.
Законы физики и человеческий организм
Ну что, дорогие мои биологи, мы продолжаем достаточно сложную тему. И чтобы упростить восприятие, давайте проведем аналогию с автомобилем. Итак, мы заправляем автомобиль одним видом топлива. Это может быть бензин, дизель, газ, а кто-то стал сторонником зеленой энергетики и использует электромобили. Двигатель автомобиля не может работать на двух видах топлива одновременно, поэтому, приезжая на заправку, мы выбираем именно тот, который для него предназначен.
Выше мы выяснили, что в качестве источника энергии человек потребляет органические соединения, которыми являются белки, жиры и углеводы. По аналогии с автомобилем нашему организму нужен один универсальный источник энергии, а не три. Что же делать?
Теперь чуть усложним. Универсальный источник энергии [19] имеет сложное название аденозинтрифосфат (АТФ). В нашем организме химические связи органических соединений разрываются, и все это преобразуется в такую универсальную валюту – АТФ. Причем ее мы за день производим столько, что она по массе сопоставима с массой нашего тела [20]. Запасы АТФ можно представить в виде батарей, в которых хранится энергия [21]. И дальнейшее использование этой энергии приводит в действие все процессы нашего организма.
Сейчас придется вспомнить еще один сложный предмет из школьной программы. В основе понимания феномена жизни и процессов, которые протекают в человеческом организме, как и в организме любого живого существа, лежат законы физики [22]. Они используются для объяснения многих функций организма, включая механику мышц и движений тела, механику движения крови и воздуха, слуховые и акустические свойства ушей, зрительную оптику, тепло, энергию и электрические сигналы. Причем эти законы будут существовать вне зависимости от нашей веры в них. Можно не верить в закон всемирного тяготения, но если мы прыгнем с высокой поверхности вниз, то за счет гравитации очутимся на земле, а не зависнем в воздухе.
Как только на Земле возникла жизнь, она распространилась по планете и приняла замечательные и порой удивительные формы. И на первый взгляд может показаться, что она безгранична в своем размахе. Но как бы банально это ни звучало, жизнь должна подчиняться законам физики. Да, мы ограничены в понимании некоторых процессов, но тем не менее физические явления пронизывают все формы жизни. И даже небольшие живые организмы демонстрируют законы физики в процессе своего существования. Давайте посмотрим на навозного жука, который катит свое богатство. Да, понимаю, не самый лучший пример для книги про еду, но какой есть.
Можно сказать, что жук реализует принцип колеса. И именно физика, а не случайные эволюционные изменения, позволяют жуку использовать такой своеобразный транспорт.
Перейдем к более сложным процессам. Полет насекомых является изысканным примером биофизики [24]. И в основе такого явления лежат изученные физиками аэродинамический подъем, характерная форма крылышек, которая позволяет создать область низкого давления над крылом, а также механизм «хлопай и бросай». Когда крылья толкаются в обратном направлении, они схлопываются вместе. Такой маневр вытесняет воздух между ними и обеспечивает дополнительную тягу. Потом крылья начинают свой передний ход и раздвигаются; воздух, который устремляется, чтобы заполнить зазор, улучшает циркуляцию над поверхностью крыла и, таким образом, увеличивает подъемную силу. Только благодаря высокоскоростной фотографии ученые относительно недавно узнали, как насекомые используют каждый нюанс физики для осуществления полета.
В основе человека, насекомых, в том числе навозного жука, и всех других существ, лежат молекулы. И они также подчиняются законам физики. В качестве примера возьмем аминокислоты, которые являются строительными блоками белков. Цепочки аминокислот, как и молекулы, склонны сворачиваться таким образом, чтобы достичь своего самого низкого энергетического состояния. Каждый последующий этап складывания для поиска наиболее стабильного состояния, чтобы все не развалилось, управляется термодинамикой. И как бы нам ни казался этот процесс случайным, чтобы выбрать для конкретных белков определенную форму, работают фундаментальные законы физики [25].
Итак, мы убедились, что все организмы подчиняются законам физики и жестко ограничены универсальными принципами, которые действуют в любом масштабе, начиная с целого организма, заканчивая молекулярным и субатомным уровнем. И конечно же, человеческий организм не исключение.
Если мы с вами говорим про еду, то в этом контексте главным законом, конечно, является первый закон термодинамики или закон сохранения энергии [26]. Он гласит: «Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, но может быть преобразована из одной формы в другую». А мы уже выяснили, что для нас источником энергии является пища. И, судя по написанному выше, из ниоткуда еда возникнуть не может. Мы должны где-то ее найти, купить или отобрать и съесть. А организм уже может использовать полученную энергию по трем направлениям: запасти в виде жира, преобразовать в АТФ для последующего использования или рассеять в виде тепла [27].
А так как все потребляемые нами продукты отличаются друг от друга, возникает вопрос, как же измерить и понять, сколько энергии содержится в той или иной еде. И об этом мы поговорим с вами далее.
Калории, джоули и другая скукота
Может показаться, что расчеты количества энергии – это просто какие-то математические заморочки. Но так как еда содержит основные компоненты (белки, жиры, углеводы) в разных пропорциях, они имеют очень важное практическое применение. Как минимум благодаря расчетам есть возможность оценить, насколько питательны имеющиеся запасы продовольствия. А как максимум – проанализировать рационы населения (или даже отдельных лиц) и понять, соответствуют ли имеющиеся в магазинах продукты их потребностям. Поэтому оценка энергетической ценности еды имеет важное значение для социально-экономической сферы и для здравоохранения.
ПОДСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ПРОДУКТОВ ПОМОГАЕТ РЕШИТЬ ДВЕ ПРОТИВОПОЛОЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ – ЭТО НЕДОЕДАНИЕ И ОЖИРЕНИЕ. Недостаточное потребление энергии (недоедание) по-прежнему ограничивает потенциал людей, а избыточное все чаще приводит к очень высокой распространенности ожирения (с сопутствующими ему осложнениями) во всех социально-экономических слоях как в развивающихся, так и в развитых странах. На данный момент, покупая продукты, например, в супермаркете, на упаковках можно встретить такие обозначения, как калории и джоули. Что это такое и как их определяют? Давайте разбираться.
Главный источник [28], который нам в этом поможет, – документ ФАО, который называется «Пищевая энергия – методы анализа и коэффициенты пересчета». И начнем мы с такой единицы измерения, как калория. Кстати, она не является стандартизированной. «Стоп, погоди, как это не является? На упаковке с пельменями же написано», – спросите вы. Да, но дело в том, что в системе международных единиц СИ есть джоуль (Дж), а калории нет.
Напомню, что такое СИ (от французского Syst?me International d’Unitеs) – современная метрическая система измерения. Она была учреждена в 1960 году XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Эта конференция является международным органом, обеспечивающим широкое распространение СИ и модифицирующим ее по мере необходимости, чтобы отражать последние достижения в области науки и технологий.
Полное официальное описание системы вместе с ее толкованием содержится в действующей редакции Брошюры СИ [29], которая издается на французском языке с 1970 года.
СИ была создана французскими учеными и впервые широко внедрена после Великой французской революции. До введения метрической системы единицы выбирались независимо друг от друга, поэтому пересчет из одной в другую был сложным. Особенно неудобно было все это использовать в международной торговле, когда одни продавцы взвешивают апельсины (например) в килограммах, а другие в каких-нибудь чашках. А сейчас, если мы откроем Брошюру СИ, мы увидим килограммы, амперы, ватты, джоули и другие единицы измерения с описанием, символами, международными обозначениями. Как говорится, «удобненько».
Несмотря на рекомендацию более 30 лет назад использовать для обозначения энергетической ценности продукта только джоули, многим ученым и неученым потребителям до сих пор трудно отказаться от использования калорий. Да нам это и не так принципиально.
Если мы будем вместо калорий считать джоули, в морковке все равно не появится больше энергии, чем в чипсах. А было бы неплохо, особенно если чипсы со вкусом сыра… ой, что-то мы отвлеклись.
Итак, энергию пищи можно выразить в джоулях и калориях. А теперь давайте поговорим о том, как же измеряют эту энергию. Ведь на продуктах, которые мы покупаем, уже указаны какие-то значения, значит, эти цифры не спускаются на скрижалях с небес, а их как-то вычисляют. Теоретическое максимальное содержание энергии в пище можно измерить с помощью бомбовой калориметрии. Почему только теоретическое? А потому что наш организм не механизированное устройство и, соответственно, пища может перевариться и усвоиться не вся. Часть энергии теряется с мочой, фекалиями. Но об этом чуть позже. Пока давайте рассмотрим, что представляют собой эти устройства для измерения энергии пищи. А для этого минуточка истории.
На данный момент мы с вами знаем, что люди и животные выделяют тепло. Понимаем, как оно образуется, какие химические реакции протекают, но так было не всегда. Раньше считалось, что наши тела не выделяют тепло, а наоборот, его накапливают из внешних источников. Такая концепция называлась врожденным огнем, ну или жизненной силой [30]. Согласно древнегреческим врачам, жизненно важное тепло производится сердцем, поддерживается пневмой (воздухом или душой) и циркулирует по телу в кровеносных сосудах. Гален[4 - Древнеримский медик, хирург и философ греческого происхождения.] писал, что «сердце является как бы очагом и источником врожденного тепла, которым управляет животное». В XI веке Авиценна[5 - Средневековый персидский ученый, философ и врач.] согласился с этим представлением, заявив в своем «Каноне медицины» [31], что сердце производит дыхание, «жизненную силу или врожденное тепло» внутри тела. И даже в Циклопедии (одна из первых общих энциклопедий) 1728 года тепло организма описывается следующим образом: «Это есть не что иное, как истощение частей крови, вызванное ее циркуляционным движением, особенно в артериях» [32]. Сейчас такие представления о физиологии человеческого организма и животных кажутся забавными и, возможно, смешными, но стоит заметить, что XVIII век – это не так уж и давно.
Во второй половине XVIII века французский ученый Антуана Лавуазье использовал первый в мире калориметр для животных – устройство для измерения выработки тепла живым организмом [33]. Благодаря его наработкам и были изобретены приборы для определения количества энергии в еде.
Давайте рассмотрим калориметр Лавуазье (рисунок ниже). Внешняя оболочка прибора была заполнена тающим снегом для поддержания постоянной температуры 0 °C вокруг внутренней оболочки, заполненной льдом. Под внутренней оболочкой располагалась проволочная клетка, в которой находилась морская свинка. По мере того, как лед таял от тепла, выделяемого морской свинкой, вода вытекала из калориметра, собиралась и взвешивалась. Каждый килограмм представлял собой 80 ккал тепла, выделяемого животным. Лавуазье отметил, что за 10 часов морская свинка растопила 0,37 кг льда, выделив таким образом 29,6 ккал тепла (0,37 кг ? 80 ккал тепла/кг). Он пришел к выводу, что «дыхание есть горение». То есть дыхательный газообмен представляет собой горение, подобное горению свечи.
И, как свече для поддержания горения и выделения тепла, живым существам для «сжигания» еды нужен кислород.
В наше время используют уже более усовершенствованные устройства – бомбовые калориметры, как на рисунке ниже.
Бомбовый калориметр представляет собой прочный, герметически закрывающийся сосуд-бомбу 1, окруженную «водяной рубашкой» 4. Образец горючего вещества известной массы помещается в тигель 2 внутри бомбы с чистым кислородом и поджигается электрической искрой. Цифрой 3 обозначены электрические провода для поджига образца, 5 – теплоизолирующий корпус.
Они выдерживают большее давление внутри чаши для измерения во время реакции. Для воспламенения топлива (продукта) используется электрическая энергия. По мере сгорания топлива нагревается окружающий воздух, который расширяется и выходит через трубку, нагревая воду снаружи трубки. Изменение температуры воды позволяет рассчитать калорийность продукта. Средняя теплота сгорания [34] получается следующей: белки – 5,7 ккал/г, жиры – 9,5 ккал/г, углеводы – 4,1 ккал/г. И наверное, те, кто хоть немного знаком с темой калорий, заметили несостыковку. Откуда она возникла, давайте разбираться.
Вы ознакомились с фрагментом книги.
Для бесплатного чтения открыта только часть текста.
Приобретайте полный текст книги у нашего партнера:
