Читать книгу "Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд"

Пища и топливо

Люди нуждаются в пище так же, как автомобили в топливе, хотя, возможно, это и не самое точное сравнение. Машины не растут и не лечат себя сами, не потребляют энергию, когда стоят в гараже, и не набирают вес, если вы каждый раз заливаете полный бак. Пища и топливо производятся Солнцем, но в рамках принципиально разных процессов. Бензин или дизельное топливо, которые вы заливаете в бак автомашины – жидкие углеводороды, – создаются в течение порядка 200 млн лет и в результате сложных геологических процессов из остатков доисторических растений и морских животных. А помидор, который вы с удовольствием отправляете в рот, вызревал всего несколько недель. Несколько недель назад та энергия, которую он содержит (порядка 35 ккал/150 кДж), находилась в 150 млн км от Земли, на Солнце[233]. Хотя ваш бензин рожден тем же источником, он не видел солнечного света со времен, когда динозавры топтали Землю.

Другое очевидное различие между пищей и топливом заключается в том, что они обладают двумя разными видами накопленной в них потенциальной (химической) энергии и что мы применяем принципиально разные способы, чтобы превратить эту энергию в механическую. Автомашины в буквальном смысле «сжигают» энергию в прочных жаростойких «горшках», которые называются цилиндрами. Бензин превращается в механическую энергию, приводящую в движение колеса, благодаря процессу сгорания (взрыва), который происходит при взаимодействии углерода с кислородом. Но, хотя мы говорим о «сжигании» калорий, в нашем организме в буквальном смысле такого процесса не происходит. Когда мы потребляем еду, то запускаем сложный химический процесс ее превращения в глюкозу. Наши желудок и печень трансформируют пищу в сахар, который мы можем использовать быстро, или жир, который можно сохранять и использовать по мере необходимости. Именно поэтому нам не нужно всю жизнь щипать траву. Многие используют слово «респирация» как синоним дыхания, но на самом деле оно означает превращение запасов нашей «телесной энергии» в другие ее виды с использованием кислорода, содержащегося в воздухе. Это примерно то же самое, как если бы процесс фотосинтеза (превращения солнечного света в биохимическую энергию) шел в обратном порядке; и похоже на процесс сгорания в цилиндрах вашего автомобиля.

Благодаря способности тела накапливать запасы энергии, содержащейся в пище, на недели вперед нет прямой связи между тем, что вы только что съели, и тем, что вы можете сделать. Запасы питательных веществ в теле не заканчиваются так же внезапно, как бензин в баке автомобиля или завод у пружины часов. Законы физики подсказывают нам, что машина не может использовать больше энергии, чем есть в том бензине, который вы в нее залили (хотя, конечно, возникают и внешние дополнительные обстоятельства вроде движения под уклон или по ветру). А энергетическое содержимое пищи, которую вы потребляете, определяет пределы того, сколько и чего вы можете сделать и в течение какого времени выживать. Вы можете считать калории, борясь с лишним весом. Но и они тоже ведут свой счет в отношении вас: устанавливают пределы того, что вы способны сделать.

▲ Как тело расходует энергию. Хотя мозг составляет лишь 2 % от веса тела, он использует почти пятую часть всей энергии. Печени требуется еще больше. Эти цифры характеризуют энергетические затраты организма в состоянии покоя. Во время усиленных физических нагрузок до 90 % энергии уходит на работу мышц[234].

Считаем калории

Никто из нас не любит подгорелую пищу. Но есть место, где она воспринимается как приемлемая. Указатели содержания калорий в продуктах, которые мы видим на пакетах в магазинах, рассчитываются при сжигании минимальных объемов соответствующих пищевых изделий в мини-печках, называемых калориметрами. Классический калориметр носит название жидкостный калориметр-интегратор (бомбовый калориметр). Он состоит из сосуда с жидкостью (обычно водой), внутри которого есть небольшая металлическая камера сгорания, где сжигают пищевые продукты, за счет чего нагревается окружающая водяная оболочка. По определению, одна килокалория – это столько энергии, сколько нужно для подогрева одного литра воды на один градус Цельсия. Зная объем воды и измерив изменение ее температуры, мы можем вычислить, какое количество энергии содержал продукт, сожженный в камере сгорания (практически вся она будет поглощена водой).

Большинству трудно зрительно представить себе энергию, заключенную в пище. Причин тому три. Во-первых, на первый взгляд практически невозможно определить содержание энергии в том или ином продукте питания. В чем ее больше – в бигмаке или пяти бананах? Кстати, энергии в них примерно поровну. Во-вторых, как мы уже видели в главе 2, многие плохо представляют себе, сколько энергии нужно, чтобы подняться по лестнице или сыграть партию в теннис. Поэтому мы не знаем, сколько энергии нам на самом деле нужно. Вместо достаточно точного прибора – топливного манометра, – показывающего нам количество оставшегося бензина в баке машины, в отношении себя мы должны пользоваться очень грубыми и приблизительными показателями – голодом или, наоборот, пресыщением. В-третьих, знакомые нам единицы, которые мы используем для оценки энергетического содержания продуктов, – калории – часто нас запутывают. 1 американская калория на самом деле эквивалентна 1000 калорий или 1 килокалории (научная, строгая мера измерения), которая равноценна 4200 Дж, или 4,2 кДж энергии.

Что наполняет нас энергией

Есть еще один осложняющий дело фактор. Чудовищно неэффективны наши машины, которые с пользой расходуют всего 15 % топлива. Неэффективно и человеческое тело с точки зрения использования потенциальной химической энергии, которая в него поступает (мы называем ее пищей). Обычно наше тело превращает в механическую энергию только 20–25 % потенциальной. Если мы создаем в процессе дыхания 100 кДж энергии, наши мышцы используют 20–25 кДж[235]. Куда уходит остальное? 60–70 % тратится на поддержание жизнедеятельности организма, а остальные 10 % – «административные расходы» на переработку того, что мы едим. Стоит извиниться перед техником Энди из главы 2. Конечно, вы достойны того, чтобы съесть пару шоколадных печенюшек после того, как заберетесь пешком на Эмпайр-стейт-билдинг. Ведь ваше тело сожжет гораздо больше энергии, чем тот минимум, который, по моим расчетам, необходим, чтобы поднять вашу массу, преодолевая силу земной гравитации.