Сжигание жира с химической точки зрения

Легко ли сбросить лишние килограммы? Этот вопрос волнует многих людей, даже молодых. Можно ли доверять рекламе, которая обещает быстро и намного похудеть? Лишний вес – проблема не только эмоциональная. Если подняться на пятый этаж без лифта или успеть добежать до стоящего на остановке автобуса для человека проблема – это уже серьезно. Причем с возрастом отрицательные последствия лишнего веса лишь нарастают, так что беречь свою фигуру надо с молодости.

А теперь конкретно: можно ли быстро похудеть? Например, со скоростью 5 кг в месяц? Оказывается, можно. И даже еще быстрее. В американском издании Книги рекордов Гиннесса приведен такой факт. Цирковая артистка‑толстушка Селеста Гейер (настоящее имя Долли Димплс), весившая 553 фунта (1 фунт = 0,41 кг) и названная за свой вес «фэт‑леди», смогла за 14 месяцев похудеть до 152 фунтов, т. е. почти на 182 кг! Это означает, что она худела со средней скоростью 13 кг в месяц, или 426 г в сутки, или 18 г/ч! Как же ей это удалось?

Чтобы ответить на этот вопрос, поговорим сначала об энергетическом балансе организма, т. е. приходе и расходе энергии. Каждый человек должен хотя бы приблизительно представлять, сколько энергии поступает в его организм с пищей (а других источников энергии у него нет) и сколько расходуется в течение суток. С первым вопросом, пожалуй, проще: подробные данные о составе и калорийности пищевых продуктов можно найти в справочниках, книгах по домоводству и кулинарии, научно‑популярных журналах. На этикетках продуктов питания сейчас печатают сведения не только об их составе, но и о калорийности. И хотя в науке принята единица энергии джоуль, энергетическую ценность пищевых продуктов (как правило, в расчете на 100 г) по традиции приводят в калориях (точнее, в тысячах калорий – килокалориях, так как калория – слишком мелкая единица). Например, 100 г сливочного мороженого – это примерно 180 ккал, а 100 г молочного шоколада – 550 ккал. Возможно, использование старых единиц связано и с термином «калорийность» продукта, поскольку слова «джоулийность» пока не придумали. Пересчитать одни единицы в другие довольно просто даже в уме, если использовать приближенное равенство: 1 ккал = 4 кДж (точнее, 4,18 кДж).

Конечно, продукты питания снабжают человека не только энергией, но и «строительным материалом», так как ткани организма постоянно обновляются. Кроме того, для жизнедеятельности организма необходимы минеральные соли (их часто неправильно называют минералами), клетчатка, витамины. Основные компоненты питательных веществ – жиры, белки и углеводы. Максимальное количество энергии дают жиры, минимальное – белки. Однако белки в основном расходуются не на получение энергии, а на создание новых тканей взамен «отработавших». Углеводы же дают энергию быстрее всего. Недаром хорошее подспорье для спортсмена при длительных нагрузках – раствор глюкозы.

Энергетическую ценность пищевых продуктов можно определить в лаборатории путем сжигания известного количества продукта в чистом кислороде; реакцию проводят в специальном приборе – калориметре, в котором энергия сгорания расходуется на нагрев определенного объема воды. Точное измерение повышения температуры воды дает возможность рассчитать теплоту сгорания (т. е. энергетическую ценность) данного продукта.

Остановимся теперь подробнее на расходе энергии. Он, конечно, сильно зависит от пола, веса, а главное – образа жизни. Например, мужчины, занятые на тяжелой физической работе (шахтеры, лесорубы, бетонщики и т. п.), тратят в день около 4500 ккал энергии и должны поэтому хорошо и калорийно питаться, чтобы возместить энергопотери. А, например, работа женщины, не связанная с большими физическими нагрузками (секретарь, бухгалтер и т. п.), требует поступления в организм лишь до 2100 ккал в сутки. Но даже во сне человек расходует энергию на поддержание постоянной температуры своего тела (попросту – на обогрев), на механическую работу различных органов и на синтез новых химических соединений. Это так называемый основной обмен, который составляет для взрослого человека среднего возраста около 1500 ккал в сутки; в единицах мощности это соответствует примерно 70 Вт (1 Вт = 1 Дж/с). Конечно, это значение сильно зависит от пола, возраста и особенностей организма. При этом на скелетные мышцы приходится около четверти всех энергозатрат организма, столько же – на печень, на сердце – 9 % и т. д. При умственном труде и малоподвижном образе жизни суточные энергозатраты обычно не превышают 2000–2500 ккал. И если вес человека со временем не меняется, то примерно столько же энергии поступает в его организм в результате «химической переработки» продуктов питания.

Давным‑давно, в ходе эволюции, природа позаботилась о том, чтобы излишние калории в пище (а когда‑то они доставались нашим предкам с трудом и нерегулярно) организм откладывал про запас; именно жировые прослойки позволяют запасти максимум энергии на единицу массы. Вот где скрывается ресурс для желающих похудеть: надо просто уменьшить поступление калорий с пищей и увеличить их расход!

Теперь начнем считать. Например, человек хочет за месяц похудеть на 5 кг. Потеря 1 г жира соответствует примерно 9 ккал дополнительно потраченной энергии. «Дополнительно» – это значит, что кроме обычных энергозатрат необходимо изыскивать дополнительные. А можно ли, как иногда обещает реклама, с помощью таблеток сжечь жир без этих дополнительных усилий? Химики еще во времена Лавуазье установили: чтобы сжечь какое‑либо вещество, в том числе и жир, необходимо затратить определенное количество кислорода. При этом неважно, где происходит сгорание – в лабораторном приборе или в клетках организма, куда кровь доставляет из кишечника нужные питательные вещества, а из легких – кислород. Разница лишь в том, что в клетках организма питательные вещества сгорают не так, как в калориметре: процесс идет при температуре тела, через много промежуточных стадий. Но, как установил еще в 1840 г. Г. И. Гесс, теплота сгорания, как и любой другой реакции, не зависит от ее механизма. А главное – в теле человека питательные вещества сгорают медленно. Иначе даже не очень сытный обед вызвал бы сильнейший нагрев организма! Подсчитать калорийность обеда непросто, а вот одна плитка шоколада – это более 500 ккал. И если эта энергия у съевшего шоколад человека массой 50 кг выделилась бы сразу, она нагрела бы его тело с 36,6 до 46,6 °С!

Итак, сгорание питательных веществ в клетках идет постепенно, энергия выделяется по мере необходимости, а регулируют этот процесс множество ферментов. При этом выделяющаяся в теле человека теплота успевает рассеяться в окружающем пространстве. Экспериментально расход человеком энергии проще всего определить по количеству потребленного им кислорода; эта методика используется физиологами очень давно.

Теперь займемся химией. Энергетические расходы организма покрываются прежде всего за счет углеводов. Предположим, однако, что организму удается всю энергию получать исключительно за счет окисления жировых накоплений. Запишем уравнение реакции окисления жира кислородом. В качестве «модельного жира» возьмем полный пальмитиновый эфир глицерина (трипальмитин) С51Н98О6. Из уравнения реакции его окисления С51Н98О6 + 72,5О2 → 51СО2 + 49Н2О следует, что на 1 моль жира (807 г) требуется 72,5 моль кислорода, т. е. 1624 л при нормальных условиях или 1743 л при 20 °С. Следовательно, на «сжигание» в организме 1 г жира требуется примерно 1,7 л чистого кислорода или около 8,5 л воздуха.

Воздух попадает в организм через легкие. Поэтому самое время поговорить о дыхании. Легкие человека вмещают в среднем около 5 л воздуха. Но в состоянии покоя человек использует только малую часть этого объема, вдыхая и выдыхая примерно 450 мл воздуха (так называемый дыхательный объем). Из этого объема в легкие при вдохе попадает лишь около 300 мл, а остальные 150 мл остаются в воздухоносных путях (трахее, бронхах, носоглотке) и в газообмене не участвуют. Но даже из поступившего в легкие кислорода организм использует для своих нужд только пятую часть, остальной кислород выделяется назад при выдохе. Действительно, если во вдыхаемом воздухе объемное содержание кислорода составляет 21 %, то в выдыхаемом, как показали несложные измерения, – 16,4 %, т. е. его содержание снижается примерно на 20 %. Значит, чтобы сжечь 1 г жира кислородом, через легкие должно пройти уже не 8,5 л воздуха, а в пять раз больше – 42,5 л.

Теперь последите за своим дыханием: в спокойном состоянии вы делаете в минуту примерно 15 вдохов. Насколько же надо увеличить частоту дыхания (при той же его глубине), чтобы, ничего больше не делая, похудеть за месяц на 5 кг? При этом каждую минуту необходимо терять в среднем 0,1 г жира. А для этого потребуется дополнительно вдыхать за ту же минуту 4,2 л воздуха, т. е. делать много дополнительных вдохов. Поскольку во время сна частота дыхания не зависит от воли человека, днем придется дышать еще быстрее! Попробуйте подышать вдвое чаще пару минут, и вам станет понятно, почему никакие таблетки не помогут человеку сжечь жир, если он ведет малоподвижный образ жизни и при этом не меняет своих гастрономических привязанностей. И не следует забывать, что приведена довольно фантастическая ситуация получения энергии только за счет жировых запасов. На самом деле сжигание жира будет идти еще более медленными темпами.

До сих пор речь шла о дыхании в спокойном состоянии. При физической нагрузке частота и глубина дыхания возрастают, и довольно сильно; максимальная вентиляция легких при физической нагрузке может достигать 100–150 л в минуту и более. Соответственно значительно увеличивается и расход энергии. Кстати, усиление легочной вентиляции непроизвольно происходит и на больших высотах, где давление понижено; например, на высоте 5,5 км в литре воздуха содержится вдвое меньше кислорода, чем на уровне моря. При большой частоте дыхания усиливается и вывод из лёгких углекислого газа, ведь в выдыхаемом воздухе его содержится в десятки раз больше, чем в атмосферном. Потеря организмом углекислоты приводит к неприятному явлению – понижению кислотности крови (алколозу).

Усиленное превращение «жир – энергия» требует не только больших количеств кислорода. Теплота, выделившаяся при сгорании жира, должна тем или иным путем покинуть тело человека, чтобы он не перегрелся. Нетрудно подсчитать, что при принятой скорости окисления жира (0,1 г/мин) выделяемая мощность равна примерно 70 Вт, столько же, как и при основном обмене. При этом вся дополнительная тепловая энергия при отсутствии интенсивной работы должна рассеяться в окружающем пространстве. Скорость теплоотвода от тела человека в воздух q пропорциональна разности между температурами тела и воздуха: q = = k (T т – T в) = k (36,6 – 20) = 16,6 k (при комнатной температуре 20 °С). Коэффициент k зависит от теплоизоляции человека, т. е. от одежды; будем считать его постоянным и попробуем оценить. В случае основного обмена (при q = 70 Вт) в предположении, что в рассеиваемую теплоту переходит 50 % вырабатываемой в организме энергии, т. е. 35 Вт, имеем: 35 = 16,6 k, откуда k ~ 2,1. Теперь нам надо рассеять дополнительно еще 70 Вт, а всего – 35 + 70 = = 105 Вт. Из уравнения 105 = 2,1(Т т – 20) получаем, что такое возможно при температуре тела Т т = 70 °С – явный нонсенс! Ведь температура тела должна оставаться постоянной.

Однако кроме теплообмена с окружающим воздухом существуют другие источники отвода тепла – теплый выдыхаемый воздух и испарение воды. Именно испарение воды с поверхности тела работает в жарком климате, когда воздух практически не охлаждает тело (и может даже нагревать его). Для испарения 1 г воды требуется 539 кал (2250 Дж). Поэтому для рассеяния мощности 70 Вт = 70 Дж/с необходимо испарять 70/2250 = 0,03 г воды в секунду, более 100 г в час или примерно 2,6 л в сутки. В нормальном состоянии количество пота у взрослого человека колеблется между 0,7 и 0,9 л в сутки, а при усиленном потоотделении возрастает до 2 л. Значит, для сжигания жира в состоянии «сидя в кресле» надо не только интенсивно и глубоко дышать, но и обильно потеть. И не час‑другой, а изо дня в день, из месяца в месяц!

Известно, что усиленная физическая работа автоматически сопровождается и усиленным поглощением кислорода, и усиленным потоотделением. Сколько же энергии может при этом потратить «средний» человек, не будучи спортсменом? Здесь в отличие от калорийности пищевых продуктов можно привести только приблизительные цифры, так как расход энергии зависит от возраста, пола, интенсивности труда. Из приводимой далее небольшой таблички можно узнать, сколько энергии (ккал/ч) расходует человек массой 70 кг при разных видах деятельности (приведены округленные значения, которые могут значительно колебаться в зависимости от интенсивности нагрузки).

Отдых лежа.........................................................80 Умственная работа сидя, шитье, вязание, стояние на улице.. 100

Мытье посуды, глажка белья.................................... 140

Вытирание пыли, подметание пола............................. 175

Физическая зарядка разной интенсивности.............. 160–290

Медленная ходьба (3 км/ч)..................................... 215

Быстрая ходьба (6 км/ч)........................................ 300

Бальные танцы............................................. 300–400

Теннис (не профессиональный)................................. 450

Ходьба по снегу, песчаной дороге............................... 500

Очень быстрая ходьба (8 км/ч)................................. 650

Ходьба, перемежающаяся с бегом (8,5 км/ч).................. 760

Спокойное плавание............................................. 400

Спокойная ходьба на лыжах с разной скоростью....... 400–800

Таблицу можно продолжить, но и этого достаточно. Кстати, усиленная умственная деятельность хотя и приводит к усилению кровоснабжения мозга, не может существенным образом повлиять на расход энергии организмом, так как масса мозга и нервов составляет не более 2 % от массы тела. Еще в 1910 г. Ф. Дж. Бенедикт и Т. М. Карпентер из Института Карнеги в Вашингтоне определили расход энергии у 22 студентов при сдаче ими экзамена и во время покоя и не нашли существенной разницы. Наблюдающееся в ряде случаев повышение энергозатрат при умственной деятельности зависит прежде всего от эмоционально‑психического возбуждения и сопровождающего его повышения тонуса мышц и двигательной активности. Вывод очевиден. Если расход энергии за сутки превышает калорийность съеденной пищи, человек начинает худеть: для обеспечения жизнедеятельности организма и для выработки дополнительной энергии накопленные ранее запасы расходуются. Теперь вернемся к нашей задаче – похудеть за месяц на 5 кг; за сутки это почти 170 г, т. е. надо дополнительно расходовать (считая, что это 170 г жира) примерно 1500 ккал, т. е. величину, равную основному обмену. Взглянув еще раз на таблицу, человек, желающий похудеть, вероятно, ужаснется: это что же, каждый божий день надо по 3–4 часа играть в теннис или бегать!? Но не будем забывать еще об одной, не приведенной здесь таблице: энергетической ценности пищевых продуктов! Ведь из 1500 ккал, которые надо «сбросить» за день, можно, например, только 750 ккал «отработать» физически, а на остальные 750 ккал – уменьшить калорийность рациона. Это вовсе не значит, что придется голодать: есть же масса малокалорийных, но полезных продуктов, прежде всего свежие фрукты и овощи. Для тех, кто предпочитает растительную диету, следует учесть, что она содержит мало белков. Однако существуют удачные вегетарианские диеты, содержащие полный набор необходимых белков. Для этого необходимо включать в них разнообразные растительные продукты, содержащие белки: различные злаки (в виде хлеба, каш и т. п.), орехи, фрукты и др. Очень богата полноценным белком, почти не уступающим животному белку, соя. Недаром во многих странах из соевых бобов формируют волокна, из которых делают «искусственное мясо». Конечно, соевые бобы и сами по себе не хуже, но для многих людей очень важен внешний вид продукта. И не следует забывать, что с пищей необходимо получать ежедневно определенную порцию витаминов и минеральных веществ.

Возможна и другая стратегия, например более умеренные темпы похудения: ведь те же 5 кг можно сбросить и за два месяца. Так что человек сам должен выбрать, что ему приятнее – быстрая ходьба или танцы; радость физических упражнений или ограничения в еде. Конечно, нетренированным в физическом отношении людям физическую нагрузку следует увеличивать постепенно и осторожно. Тем более это относится к тем, у кого есть проблемы с сердечно‑сосудистой системой.

И все же существуют таблетки, способствующие быстрому снижению веса, но их действие вряд ли можно считать соответствующим естественной природе человека. Некоторые препараты просто подавляют естественное чувство голода, и человек не получает здорового удовлетворения от еды. Другие вещества препятствуют нормальному перевариванию пищи, например подавляя действие пищеварительных ферментов или препятствуя всасыванию продуктов пищеварения в тонком кишечнике. Результат такого действия очевиден и вряд ли придется кому‑нибудь по вкусу. В заключение вернемся к нашей толстушке. За месяц «фэт‑леди» теряла около 13 кг, что соответствует примерно 4000 ккал в сутки! Но недаром она была цирковой артисткой. Очевидно, что при очень интенсивной физической нагрузке она резко уменьшила калорийность пищи. Конечно, далеко не каждый сможет изо дня в день, из месяца в месяц «отрабатывать калории» с такой интенсивностью. Но ведь, согласитесь, редко кому приходится сталкиваться с необходимостью сбросить сотню‑другую килограммов! А вот справиться с несколькими килограммами за обозримый срок по силам каждому.

Дата добавления: 2014-11-25