Способы оценки энергетических затрат организма

Для характеристики обмена энергии важно знать не только количество энергии, выделенной из организма, но также соотношение его с количеством потенциальной энергии, поступившей в организм с кормом, то есть определить баланс энергии. При определении баланса энергии различают брутто энергии и нетто энергии. Брутто энергии – это количество энергии, заключающееся в принятом корме. Нетто энергии – это энергия корма за вычетом потерянной энергии (то есть, выделен с мочой, калом, газами брожения, теплом, пошедшим на нагрев корма и воды).

Нетто энергии используется организмом для процессов жизнедеятельности. Энергию, содержащаяся в кормах, определяют по количеству теплоты, образующейся при сжигании исследуемого корма в аппарате – калориметрическая бомба Бертло, т.е. в замкнутой камере, погружаемую в водяную баню, где пробы сжигают в атмосферном воздухе. Углеводы дают 4,1 ккал грамм, жиры – 9,3, белки окисляются в организме не полностью. Аминогруппа отщепляется от молекулы белка, выводится с мочой – мочевина. Поэтому при сжигании белка выделяется больше энергии, чем при его окислении в организме. В калориметрической бомбе при сжигании белка выделяется 5,4 ккал, а при окислении в организме 4,1 ккал.

Основным источником энергии для осуществления в организме процессов жизнедеятельности является окисление питательных веществ. На биологическое окисление питательных веществ расходуется кислород. Измерив количество потребленного организмом кислорода за 1 минуту, сутки, можно судить о величине энергетических затрат организма за время измерения.

Кислород, поглощаемый организмом, используется для окисления белков, жиров, углеводов. Окислительный распад одного грамма каждого из этих веществ требует неодинаковое количество кислорода и сопровождается освобождением различного количества тепла.

Количество тепла, освободившееся после потребления организмом 1 л кислорода, носит название калорического эквивалента. Количество энергии, выделяемой организмом, определяется методом прямой и непрямой калориметрии.

Прямая калориметрия основана на измерении количества тепла, непосредственно рассеиваемого организмом в теплоизоляционной камере и улавливаемого выделенного за сутки тепла. При прямой калориметрии происходит непосредственное измерение изменений теплосодержания организма. Для этого используют калориметрические камеры. Впервые прямые измерения энергетического обмена были проведены в 1783-1784 гг. Лавуазье и Лаплассо. Они измеряли количество тепла, отданного организмом морской свинки в ледяном калориметре и количество выделенного ими углекислого газа.

Наиболее доступным и широко используемым в исследованиях является метод непрямой калориметрии (косвенный метод). Непрямая калориметрия – заключается в учете количества потребляемого животным кислорода, выделяемого углекислого газа и последующим определением количества освободившейся энергии. Определение газообмена проводится либо в респирационных камерах, либо с помощью дыхательных масок, снабженными клапанами, отделяющими вдыхаемый воздух от выдыхаемого. Респирационные камеры предназначены для длительных опытов. Наиболее простым и распространенным является масочный метод.

Дыхательная маска имеет форму усеченного конуса и снабжена двумя клапанами – вдыхательный и выдыхательный. Маски фиксируют на голове животного с помощью тесемок. Выдыхаемый воздух собирается в прорезиненном мешке Дугласа. Широкая трубка этого мешка соединяется с дыхательной маской или с газовыми часами. Из мешка Дугласа забирают воздух и анализируют его в газоанализаторе Холдена.

Расход 1 литра кислорода и выделение 1 литра углекислого газа соответствует образованию определенного количества тепла и называется калорическим эквивалентом.

Зная общее количество кислорода используемого организмом, можно вычислить энергетические затраты только в том случае, если известно какие вещества окислились в теле. Показателем этого служит дыхательный коэффициент. Под дыхательным коэффициентом понимают отношение объема выделенного углекислого газа к потребленному кислороду:

ДК=СО₂/О₂

При окислении углеводов и уксусной кислоты ДК=1, жиров ДК=0,7, белков и аминокислот ДК=0,8. При сжигании смешанной пищи ДК=0,707…1,0.

Основной обмен

Обмен веществ и энергии, происходящий у животных при обычных условиях, называется общим обменом. Количество образующейся в организме энергии при полном мышечном покое и оптимальной для каждого животного температуре окружающей среды называют основным обменом, т.е. то минимальное количество энергии, которое расходуется на функционирование жизненно важных систем (кровообращение, дыхание, пищеварение, деятельность мышц и желез внутренней и внешней секреции, центральной нервной системы и т.д.).

Организм совершает следующие виды работы:

1) перемещение ионов и различных молекул против концентрационного градиента;

2) химическая работа – синтез органических веществ;

3) мышечные сокращения.

Энергия, которая используется в организме животного для образования различных видов продукции, называется продуктивным обменом.

Общий обмен равен сумме основного и продуктивного обменов. Таким образом, общая энергетическая потребность организма складывается из энергии, затрачиваемой на поддержание жизнедеятельности, и энергии, необходимой для выполнения работы.

Основной обмен изучают методом прямой и непрямой калориметрии. Для измерения основного обмена нужно соблюдать условия:

1) состояние относительного покоя;

2) нахождение в температурной среде, исключающей активность механизма теплорегуляции;

3) относительное освобождение желудочно-кишечного тракта от пищевых масс.

У сельскохозяйственных животных трудно добиться соблюдения этих условий. Поэтому у них определяют не основной обмен, а обмен покоя, который выше основного.

На уровень основного обмена влияют: порода, вид, возраст, пол, живая масса, продуктивность, физическое состояние животного и ряд других внешних и внутренних факторов. При расчете на единицу массы тела у крупных животных расходуется энергии меньше, чем у мелких. У молодняка основной обмен выше, чем у взрослых. При беременности наблюдается повышение обмена. У самцов основной обмен выше, чем у самок. Так у основной обмен у лактирующих коров на 30% выше, чем у сухостойных.

У сельскохозяйственных животных отчетливо проявляется суточная периодика обменных процессов. Самый низкий уровень газообмена наблюдается утром до кормления животного. Днем он выше, чем ночью. Также существует и сезонный ритм метаболических процессов: летом и весной он обычно выше, чем осенью и зимой.

Прием корма вызывает повышение энергетического обмена и называетсяспецифическим динамическим действием корма. Передвижение животных при пастьбе вызывает дополнительные затраты энергии. С большими затратами энергии связана и лактационная деятельность. 1 литр молока содержит примерно 700-800 ккал.

Цель:Изучение методов исследования основного обмена у животных.

Домашнее задание:

1. Перечислить методы исследования основного обмена у животных.

Вопросы для подготовки к занятию:

1. Обмен веществ и энергии как основная функция организма.

2. Белковый обмен.

3. Обмен углеводов.

4. Обмен липидов.

5. Методы изучения обмена веществ.

6. Роль воды и минеральных веществ в организме.

Работа № 1. Исследованиеосновного обмена животных.

Величина основного обмена у теплокровных животных в большей мере зависит от поверхности тела, чем от массы — т. н. закон поверхности тела (см. таблицу 1).

Табл. 1. — Теплопродукция разных животных в * 1 ккал = 4,19 кдж.

Млекопитающие самых разных размеров — от мыши (масса тела 20 г.) до человека (70 кг.) и борова (130 кг.) — обладают примерно одинаковым основным обменом, если рассчитывать его на единицу площади поверхности тела. Причина сходства значений состоит в том, что тепло рассеивается в окружающую среду каждым квадратным сантиметром поверхности тела, следовательно, для сохранения температуры тела на постоянном уровне образование энергии должно соответствовать площади поверхности тела животного. Площадь поверхности тела пропорциональна квадрату его линейных размеров, масса — кубу линейных размеров, поэтому, чем больше тело животного, тем выше у него соотношение «масса/поверхность». Это означает, что каждый грамм массы тела мелкого теплокровного должен вырабатывать значительно большеэнергии, чем такая же масса в организме крупного животного.

Действительно, основной обмен землеройки (0,6 ккал х кг ^—1 х мин ^—1) примерно в 100 раз интенсивнее обмена слона (0,006 ккал х кг ^—1 х мин ^—1).

Подсчитано, что если бы у мыши была та же интенсивность обмена, что и у быка, то ей для сохранения гомойотермии понадобился бы мех толщиной в 20 см. И наоборот, если бы бык имел интенсивность обмена мыши, температура его тела превысила бы 100 °С.

Ход работы:

Величина основного обмена зависит, прежде всего, от площади поверхности тела, которую легко можно определить по специальным номограммам или формулам.

Для этого достаточно знать массу тела и его длину (рост), например, согласно Дюбуа (1916):

S=W ^0,425 х Н ^0,725 х 71,84,

где S — площадь поверхности тела (м²); W — масса тела (кг); Н — длина тела (см).

Результат:

Для человека: W=50 кг; Н=160 см.

S = 50 ^0,425 х 160 ^0,725 х 71,84

S = 5,27 × 39,6 × 71,84 = 14992 м ²

Для свиньи: W = 122 кг; Н = 120 см.

S = 122 ^0,425 х 120 ^0,725 х 71,84 = 17812м ²

Вывод:Чем больше тело животного, тем выше у него соотношение «масса/поверхность». Это означает, что каждый грамм массы тела мелкого теплокровного должен вырабатывать значительно большеэнергии, чем такая же масса в организме крупного животного.

Однако, закон поверхности не абсолютно верен. Интенсивность обмена веществ может быть разной у двух животных с равной поверхностью тела, т. к. теплорегуляция клеток зависит также от биологических особенностей и состояния организма, деятельности нервной системы и состояния эндокринного аппарата.

Обмен энергии в организме тесно связан с обменом веществ. Эта взаимосвязь регулируется ЦНС. Ведущая роль в регуляции принадлежит коре больших полушарий. Большое значение в регуляции обмена энергии имеют рефлексы, возникающие при раздражении рецепторов. Также важную роль играют гипоталамус и гормоны гипофиза, щитовидной железы, поджелудочной железы и надпочечников.

Мощным влиянием на величину основного обмена организма обладают гормоны щитовидной железы трийодтиронин и тетрайодтиронин (тироксин). При гиперфункции щитовидной железы (тиреотоксикоз) основной обмен может возрасти на 50% и более. Гипофункция железы (микседема) вызывает снижение основного обмена в среднем на 30%.

Возбуждение симпатического отдела автономной нервной системы также усиливает метаболизм (через высвобождение адреналина из мозгового вещества надпочечников и непосредственным действием симпатических нервов на термопродукцию).

Лит.: Слоним А. Д., Животная теплота и ее регуляция в организме млекопитающих, М. — Л., 1952; Ольнянская Р. П., Очерки по регуляции обмена веществ, М. — Л., 1964.

Занятие № 9.