На данный момент мы с вами знаем, что люди и животные выделяют тепло. Понимаем, как оно образуется, какие химические реакции протекают, но так было не всегда. Раньше считалось, что наши тела не выделяют тепло, а наоборот, его накапливают из внешних источников. Такая концепция называлась врожденным огнем, ну или жизненной силой [30]. Согласно древнегреческим врачам, жизненно важное тепло производится сердцем, поддерживается пневмой (воздухом или душой) и циркулирует по телу в кровеносных сосудах. Гален[4] писал, что «сердце является как бы очагом и источником врожденного тепла, которым управляет животное». В XI веке Авиценна[5] согласился с этим представлением, заявив в своем «Каноне медицины» [31], что сердце производит дыхание, «жизненную силу или врожденное тепло» внутри тела. И даже в Циклопедии (одна из первых общих энциклопедий) 1728 года тепло организма описывается следующим образом: «Это есть не что иное, как истощение частей крови, вызванное ее циркуляционным движением, особенно в артериях» [32]. Сейчас такие представления о физиологии человеческого организма и животных кажутся забавными и, возможно, смешными, но стоит заметить, что XVIII век – это не так уж и давно.
Во второй половине XVIII века французский ученый Антуана Лавуазье использовал первый в мире калориметр для животных – устройство для измерения выработки тепла живым организмом [33]. Благодаря его наработкам и были изобретены приборы для определения количества энергии в еде.
Давайте рассмотрим калориметр Лавуазье (рисунок ниже). Внешняя оболочка прибора была заполнена тающим снегом для поддержания постоянной температуры 0 °C вокруг внутренней оболочки, заполненной льдом. Под внутренней оболочкой располагалась проволочная клетка, в которой находилась морская свинка. По мере того, как лед таял от тепла, выделяемого морской свинкой, вода вытекала из калориметра, собиралась и взвешивалась. Каждый килограмм представлял собой 80 ккал тепла, выделяемого животным. Лавуазье отметил, что за 10 часов морская свинка растопила 0,37 кг льда, выделив таким образом 29,6 ккал тепла (0,37 кг × 80 ккал тепла/кг). Он пришел к выводу, что «дыхание есть горение». То есть дыхательный газообмен представляет собой горение, подобное горению свечи.
И, как свече для поддержания горения и выделения тепла, живым существам для «сжигания» еды нужен кислород.
В наше время используют уже более усовершенствованные устройства – бомбовые калориметры, как на рисунке ниже.
Бомбовый калориметр представляет собой прочный, герметически закрывающийся сосуд-бомбу 1, окруженную «водяной рубашкой» 4. Образец горючего вещества известной массы помещается в тигель 2 внутри бомбы с чистым кислородом и поджигается электрической искрой. Цифрой 3 обозначены электрические провода для поджига образца, 5 – теплоизолирующий корпус.
Они выдерживают большее давление внутри чаши для измерения во время реакции. Для воспламенения топлива (продукта) используется электрическая энергия. По мере сгорания топлива нагревается окружающий воздух, который расширяется и выходит через трубку, нагревая воду снаружи трубки. Изменение температуры воды позволяет рассчитать калорийность продукта. Средняя теплота сгорания [34] получается следующей: белки – 5,7 ккал/г, жиры – 9,5 ккал/г, углеводы – 4,1 ккал/г. И наверное, те, кто хоть немного знаком с темой калорий, заметили несостыковку. Откуда она возникла, давайте разбираться.
Как мы уже говорили выше, человеческое тело не является совершенным двигателем и не сжигает еду настолько эффективно. Поэтому перед учеными встала задача разработать коэффициенты преобразования пищевой энергии, чтобы понять, сколько же ее все-таки теряется в процессе пищеварения, всасывания и выделения. Это оказалось нелегко. С конца XX века было разработано большое количество коэффициентов, в результате возникла путаница. Нужно было все как-то систематизировать и решить, что же использовать.
Первая система коэффициентов, которая была разработана, названа в честь самого ученого – система общих факторов Этуотера. Уилбур Олин Этуотер был одним из самых влиятельных исследователей питания в Соединенных Штатах. Он родился в 1844 году в Джонсбурге, штат Нью-Йорк, и изначально собирался стать инженером-строителем. Вместо этого Этуотер получил докторскую степень по сельскохозяйственной химии в Йельском университете и провел два года, изучая сельскохозяйственную и физиологическую химию в Германии. В конце концов он переключил свое внимание на анализ химического состава пищи и отправился в Мюнхен, где изучил новые немецкие методы анализа содержания макронутриентов в пище. По возвращении домой Этуотер сразу же начал применять эти знания на практике.
В 1890-х годах ученый нашел финансирование для создания первого в стране аппарата дыхательного калориметра в Уэслианском университете. Это было необходимо чтобы выяснить, «сколько каждого из различных питательных ингредиентов пищи человек действительно потребляет при различных условиях отдыха и работы». Вот как он описал свое изобретение в журнале Century Magazine [35] в 1897 году: «Эксперименты проводятся с человеком внутри шкафа, или, как его называют, дыхательной камеры. На самом деле это медный ящик, заключенный в кожух из цинка и дерева. В нем человек живет – ест, пьет, работает, отдыхает и спит. Имеется постоянный приток свежего воздуха для проветривания. Температура поддерживается на уровне, наиболее приятном для жильца. В камере есть небольшая раскладушка-кровать, стул и стол. Днем кровать складывается и откладывается в сторону, чтобы человек мог сидеть за столом или ходить взад-вперед. Его прогулка, однако, ограничена: помещение имеет 7 футов в длину, 4 фута в ширину и 6 футов в высоту[6]. Пища и питье подаются в камеру через отверстие, которое помимо этого служит для удаления твердых и жидких продуктов выделения, а также для ввода и вывода туалетных принадлежностей, книг и других вещей, необходимых для комфорта и удобства».
В этих первых экспериментах Этуотер использовал калориметр, чтобы измерить, сколько энергии человек потребляет при различных видах деятельности. Эсперимент длился 12 дней, в течение которых участники три дня по восемь часов в день были зайдествованы в физическом труде, связанном с поднятием отягощений, три дня участвовали в умственном труде и три дня полного отдыха. Благодаря использованию своего калориметра Этуотер смог изучить метаболизм человека и расход калорий более тщательно, чем кто-либо прежде.
Субъект выходит из большого дыхательного калориметра
В итоге у Этуотера получилось вывести коэффициенты потери энергии при пищеварении, всасывании и выведении мочевины с мочой, так как рацион участников эксперимента был тщательно проанализирован, и мочу с калом дополнительно сжигали в калориметре. Получились следующие цифры: энергетическая ценность составляет 4,0 ккал/г для белков, 9,0 ккал/г для жиров и 4,0 ккал/г для углеводов. Ну и спирт с округленным значением 7,0 ккал/г или неокругленное значение 6,9 ккал/г. Система Этуотера получила широкое распространение – отчасти из-за ее очевидной простоты.
Этуотер внес еще один очень важный вклад в науку. Своими многочисленными экспериментами он доказал, что закон сохранения энергии применим к людям, а не только к животным, вопреки существовавшему мнению об уникальности людей.
Чтобы немного систематизировать цифры, которые были перечислены, давайте отобразим все в таблице.
На первый взгляд может показаться, что проблема решена. Мы теперь знаем коэффициенты и можем понять, сколько энергии организм тратит на переваривание, всасывание и выведение. Но все не совсем так. Работа Этуотера показала, что полученные коэффициенты являются средними значениями. К тому же они были получены при смешанной диете, когда испытуемые потребляли белки, жиры и углеводы вместе, а не по отдельности. По этой причине значения для отдельных продуктов могут отличаться.
Понимая это, с середины 50-х годов ученые начали выводить модификации коэффициентов Этуотера. Например, в 1970-х годах Д. В. Дурнин и Д. А. Саутгейт [36] добавили коэффициент для простых сахаров (глюкозы), и доступная энергия составила 3,75 ккал/г. Позднее они рекомендовали использовать для пищевых волокон значение 2,0 ккал/г, учитывая, что 70 % волокон подвергается ферментации в кишечнике и часть энергии, вырабатываемой при брожении, теряется в виде газа или с фекалиями.
Если вы думаете, что уже можно запутаться, то это еще не все. Аннабель Меррилл и Бернис Уотт из Министерства сельского хозяйства США объединили результаты 50-летних исследований и вывели различные коэффициенты для белков, жиров и углеводов в зависимости от продуктов, в которых они содержатся [37]. Называется их работа «Система специфических факторов Этуотера». Что же предложили ученые?
Белки различаются по своему происхождению, могут быть животной или растительной природы. А значит, и их составные компоненты – аминокислоты, точнее, их составы – также отличаются. И, следовательно, теплота сгорания тоже будет различаться. Например, теплота сгорания белка в рисе примерно на 20 % выше, чем у белка в картофеле, и для каждого из них следует использовать разные коэффициенты. Помимо этого, Меррилл и Уотт предложили учитывать и степень обработки продукта. Ведь на усвояемость зерна (и содержание в нем клетчатки) может влиять способ помола.
И чтобы точно всех запутать, авторы создали целый набор таблиц для продуктов. Отрывок из такой таблицы можно посмотреть ниже.
Может показаться, что теперь-то точно все учли и можно жить спокойно. Но опять возникает проблема. Часть энергии пищи не только теряется с фекалиями, мочой, но и расходуется на химические процессы, которые протекают в нашем организме. И если это учесть, то вот тогда можно получить так называемую чистую энергию [38], т. е. ту, которая необходима и используется для роста, размножения, передвижения, дыхания и т. д. К слову, такие расчеты активно используются в животноводстве. Система чистой энергии была внедрена в кормление крупного рогатого скота и свиней и позволила экономить на закупках корма до 2 % [39].