Все калории одинаковы, или 3 века великих биофизиков

Действительно, какая может быть связь между теплом, выделяемым при горении продукта в калориметре и тем теплом, что выделяют наши тела? Ведь организм человека – это совсем не бабушкина печь, но сложно устроенная конструкция на стыке десятков дисциплин. Неужели можно сравнивать горение полена в печи и метаболические процессы в наших клетках? Да, можно. Более того, принципиально – это одно и то же.

К началу восемнадцатого века природа тепла, которое излучает человек и другие теплокровные животные, всё еще оставалась загадкой, покрытой суеверным мраком. Ученые мужи того времени наделяли тепло живого тела мистическими качествами, из поколения в поколение передавали высосанные из пальца средневековые домыслы, на основании которых неискушенная публика слагала псевдонаучный фольклор. В общем, всё в лучших традициях пабликов ВК.

Зимой с 1782 на 1783 год великий француз Антуан Лоран Лавуазье решил, что терпеть невежественное мракобесие ему далее невмоготу и пора показать, кто в здании батя. Он уже давно обратил внимание на схожесть дыхания живых существ и процесса горения. Для поддержания огня свечи нужен кислород, как и для поддержания жизни. Как и любая божья тварь в процессе дыхания, огонь выделяет углекислый газ. Если зайти в комнату со множеством зажженных свечей, почувствуешь ту же тяжесть воздуха и ту же его спёртость, как если бы в комнате длительно пребывала многочисленная публика.

«Хм.. а эту идею стоить проверить. Ведь если я прав — это фурор, все придворные сучки будут визжать», — наверняка подумал Лавуазье, глядя на декабрьскую слякоть Парижа из окна своей лаборатории. Он позвал на помощь своего друга-физика, не менее великого француза Пьера-Симона Лапласа и в ту же неделю они принялись за дело.

Вместе они решили спроектировать аппарат, который бы позволил посчитать количество тепла, выделяемого при дыхании живым организмом и сравнить его с теплом, выделяемым при горении. Для этого они соорудили конструкцию, напоминающую три ведра, вставленные друг в друга, одно меньше другого. В первое ведро – самое маленькое – ученые поместили живую морскую свинку. Мужикам пришлось изрядно потрудиться, чтобы заверить хозяйку питомца – жену Лавуазье – в полной безопасности эксперимента. Пространство между первым и вторым ведром заполнили льдом, а между вторым и третьим – снегом, который выполнял функцию теплоизоляции [24].

Смысл аппарата был такой: свинка сидит внутри первой камеры и с дыханием выделяет тепло и углекислый газ. Тепло плавит лёд, который находится во второй камере, а вода, которая при этом образуется, медленно стекает через специальный краник в ёмкость. Наружная камера со снегом нужна для того, чтобы изолировать лёд от теплого воздуха лаборатории, и чтобы таяние льда происходило только за счет тепла, вырабатываемого свинкой. Так был изобретен калориметр. Вот примерно такой (только тут прохлаждается мышка) [25]:

К этому моменту ученым было известно, что для расплавления килограмма льда требуется тепло в количестве 80 ккал. Они держали морскую свинку в своем аппарате на протяжении 10 часов и за это время в лоток стекло 370 мл воды. Получается, что свинка выделила тепло в размере 29, 6 ккал (80*0, 37). Но, что самое главное: свинка выделила столько СО2, сколько выделяет свеча при горении с выделением того же количества тепла. Исходя из полученных данных, в своем «Докладе о тепле» Лавуазье проницательно заключился, что «la respiration est donc une combustion», или «дыхание – это и есть горение» [25, 26].

Примерно в то же время на другой стороне Ла-Манша шотландец Адэр Крофорд обратил внимание на то, что животное при дыхании вносит некоторые изменения в состав воздушной смеси — снижается доля О2 и увеличивается доля СО2 — те же изменения, что происходят с воздухом при горении угля. В эксперименте Крофорд посчитал, что выработка тепла животным на единицу потребленного объема кислорода равна таковому при горении углеводородов [27].

Итак, морская свинка ест углеводы (в виде пищевых волокон – травка, морковка, или что там они едят) и потребляет кислород, в результате чего продуцирует тепло, углекислый газ и воду. Если все многочисленные биохимические процессы получения энергии в организме млекопитающих привести к одной формуле, получится суммарное уравнение аэробного гликолиза (окисления глюкозы):

C6H12O6 (глюкоза) + O2 = СO2 + H2O + АТФ (энергия)

Кстати, если рассмотреть эту формулу наоборот – получится фотосинтез. Растение берет из воздуха CO2, из почвы – воду и, используя энергию Солнца, синтезирует собственную ткань – пищевые волокна, которые съест морская свинка [28]:

СO2 + H2O + Солнечная энергия = C6H12O6 (глюкоза)

А если мы напишем формулу горения бензина или метана (или полена, или морковки, или любого органического соединения), получится ровно такая же формула, как и при гликолизе, только вместо глюкозы будет метан [29]:

CH4 (метан) + O2 = СO2 + H2O + тепло (энергия)

Так устроен мир. Энергия приобретает разные виды и свободно перемещается, но никуда не исчезает и не появляется на ровном месте. И те рельсы, по которым она движется, принципиально одинаковы, просто меняется положение стрелок на путях.

Тепло, выделяемое при горении любой органики = тепло выделяемое при окислении нутриентов в клетке; дыхание = горение; твои клетки = бабушкины печки, а калория = это калория.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: