Человеческий метаболизм

Физика > Человеческий метаболизм

 

Обмен веществ в организме и первый закон термодинамики: процесс превращения продуктов в энергию, органы обмена веществ, внутренняя энергия, необратимость.

Человеческий метаболизм можно объяснить через первый закон термодинамики: пища превращается в энергию, используемую организмом для выполнения деятельности.

Задача обучения

• Отличать катаболизм и анаболизм в отношении энергии.

Основные пункты

• Человеческий метаболизм является сложным процессом. Описание начальной и финальной точки можно найти в первом законе термодинамики.
• Тело растрачивает внутреннюю энергию. Есть три пункта, куда она направляется: передача тепла, работа, накапливание жира.
• Тело – замечательная иллюстрация необратимых процессов. Жир можно преобразовать, чтобы выполнить работу и произвести передачу тепла, но последние два процесса не могут трансформироваться в жир.

Термины

• Метаболизм – химические реакции, происходящие в живых клетках.
• Окисление – реакция, где атомы элемента растрачивают электроны, а валентность элемента повышается.
• Калория – энергия, которая нужна, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1К. Это приравнивается к 1000 калориям.

Человеческий метаболизм (обмен веществ) – трансформация пищи в энергию, которая далее используется организмом для выполнения деятельности. Это первый закон термодинамики в действии. Если мы воспримем тело как систему, то первый закон поможет изучить передачу тепла, выполнение работы и активность внутренней энергии. Например, многое зависит от температуры тела. Обычно поддерживается стабильная теплопередача, где Q выступает отрицательным (тело теряет тепло). Также тело обычно работает и контактирует с внешним миром, то есть, W – положительный. Получается, что ΔU = Q - W.

Прием пищи

Давайте внимательней посмотрим на еду. Тело матаболизирует всю употребленную пищу. Питание повышает внутреннюю энергию, прибавляя химическую потенциальную энергию. Метаболизм использует процесс окисления, где освобождается химическая потенциальная энергия продуктов. То есть, поступление пищи можно воспринимать как работу. Пищевая энергия отображается в виде калории и меняется через сжигание пищи в калориметре.

Катаболизм и анаболизм

Катаболизм – процесс, разбивающий молекулы на более мелкие единицы и вырабатывающий энергию. Анаболизм – формирование молекул из небольших единиц. Второй процесс использует энергию, созданную катаболическим разрушением пищи, и формирует более полезные для тела молекулы.

Внутренняя энергия

Тело растрачивает внутреннюю энергию на три процесса: перенос тепла, работа и хранение жира. На нижнем рисунке видно, что теплопередача и работа создают внутреннюю энергию, а далее пища возвращает ее. Если вы употребляете правильное количество, то средняя внутренняя энергия остается стабильной. Все, что вы израсходовали на процессы, возвращается с пищей, так что в итоге ΔU = 0. А вот при переедании ΔU всегда остается положительным и дополнительная энергия застаивается в виде жира. Если ΔU – отрицательный, то организм использует жир, чтобы поддержать температуру тела и осуществить работу. Именно так действует диета, направленная на потерю веса.

(а) – Первый закон применяют к метаболизму. Тепло транспортируется из тела (Q), а выполняемая работа (W) удаляет пополненную пищей внутреннюю энергию. (b) – Растения трансформируют часть лучевого теплообмена солнечного света в сохраненную химическую энергию – фотосинтез

Метаболизм

Важно понять, что с диетами не все так просто. Тело бережет жир или метаболизирует его, если потребление энергии изменилось и держится несколько дней. Если вы сели на диету, то организм приспособится и дальше сбрасывать еще сложнее.

Базальная скорость метаболизма – скорость, с которой еда переходит в теплоотдачу и выполненную работу в период полного отдыха. Тело реагирует, чтобы частично компенсировать недоедание или переедание. Организм способен уменьшить скорость метаболизма, а не удалять жир, чтобы возместить потерянную пищу. Вы начнете быстрее охлаждаться и почувствуете упадок сил, а вес не будет уходить также быстро, как вначале. В игру вступают упражнения.

Необратимость

Рассматривая тело, можно заметить, что многие процессы выступают необратимыми. Например, жир может стать работой или передачей тепла, но они не способны трансформироваться в жир. То же самое касается и фотосинтеза. Растения поглощают энергию в виде света и трансформируют в химическую потенциальную энергию.

---