НЭС/Обмен веществ и энергии в животном организме
Обмен веществ и энергии в животном организме. — Жизнь всякого животного организма сопряжена с непрерывною тратою вещества и энергии и постоянным пополнением этих трат из внешнего мира. В животном организме идет постоянное разрушение органических веществ его тела в видах получения энергии, необходимой ему на ту внутреннюю и внешнюю работу, из которой и слагается жизнь животного. При этом клетки тела не могут функционировать неопределенно долгое время. Жизнь их ограничена, и после более или менее продолжительной работы они гибнут и заменяются новыми. Для покрытия этих постоянных трат вещества тела, для построения новых клеток, а также для отложения в теле в нужное время запасов вещества, животный организм получает из внешнего мира питательный материал, который рядом сложных процессов превращает затем в составные части своего тела, или, как говорят, . Вводимые при этом сложные органические соединения — углеводы, жиры и белки, являются именно теми веществами, в виде которых в организм вводится запас энергии. Эти соединения образуются в зеленых частях растений из неорганических веществ — воды, углекислоты и солей, при поглощении солнечной энергии (на свету), которая и накопляется в них в виде  или . В животном организме, получающем их или непосредственно от растений, в виде растительной пищи, или через других животных, в виде животной пищи, они, опять же путем сложных превращений, расщепляются снова на простые соединения, бедные запасами энергии (азотистые продукты распада) или лишенные ее совершенно (вода и углекислый газ), и освобождают скрытый в них запас энергии. Скрытая энергия органических веществ превращается в потенциальную энергию, или живую силу животного организма, которая наиболее наглядно и проявляется в теплоте тела и мышечной работе. Продукты распада, как вещества ненужные больше организму,  им наружу. Таким образом, животный организм постоянно принимает извне запас веществ и энергии — органические вещества, воду, соли и кислород и постоянно же выделяет продукты распада веществ — азотистые продукты, воду, соли и углекислый газ. Если мы определим количества углерода, водорода, кислорода, азота, серы и фосфора (также воду и соли), поступивших за определенный период времени в организм с пищей (кислород также и с вдыхаемым воздухом), и количества тех же элементов и за тот же период времени в выделениях, то мы можем высчитать баланс прихода и расхода веществ в организме, т.-е. какие вещества и в каких количествах использованы на его жизненные потребности. Это — . В рассчет принимаются собственно только органические вещества, так как вода и соли, как стойкие химические соединения, проходят через организм без изменения. Наибольшее значение имеет определение количеств азота, углерода и кислорода. Так, напр., по количеству азота в выделениях мы можем вычислить распад в организме белковых веществ, так как азотистые составные части пищи являются почти исключительно белками. Белки содержат в среднем 16% азота, а потому, умножая найденное в выделениях количество азота на 6,25 (16 гр. азота = 100 гр. белка, а 1 гр. азота =  = 6,25 гр. белка), получим количество разложенного организмом белка. Если при этом нам известно количество принятого с пищей азота, то из отношения между приходом и расходом азота мы можем заключить, находится ли животное в , т.-е. равно ли количество принятого белка количеству разложившегося, или животное разлагает больше белков, чем их получает, т.-е. оно тратит свои запасы белка из тела, или, наконец, приход белка превышает расход его, и животное отлагает избыток белка в своем теле. Далее, по количеству выделяемого углерода (в виде выдыхаемой углекислоты и в органических составных частях мочи и кала) и количеству выделяемого азота можно судить и о роде распадающихся в организме веществ. Отношение количества азота к количеству углерода в белке в среднем равно 1:3,23 (N:C = 1:3,23 или 3,23.N = C). Помножая количество выделенного азота на 3,23, мы получим количество углерода, соответствующее распавшемуся в организме белку. В случае, когда количество всего выделенного углерода равно количеству углерода, соответствующему распавшемуся белку, в организме распадается один белок. В случае же, когда количество первого больше количества второго, избыток должен быть отнесен на счет разложившихся безазотистых веществ, т.-е. углеводов и жиров. Если при этом известно и количество поглощенного телом кислорода (во вдыхаемом воздухе), то можно сказать, распадаются ли только углеводы, или только жиры, или те и другие. При распадении одних углеводов отношение количества выдыхаемой углекислоты к количеству вдыхаемого кислорода () равно 1; при разложении одних жиров оно равно 0,71. Поэтому, если отнять от количества поглощенного организмом кислорода то количество его, которое приходится на разложившиеся белки (по количеству причитающегося на них углерода), тогда по полученному затем отношению углекислоты и кислорода, причитающихся на разложившиеся в организме безазотистые вещества, можно судить о степени участия в О. веществ углеводов и жиров. А зная в то же время количество всего поступившего в организм углерода и ту часть его, которая приходится на белковые вещества, мы можем установить отношение между приходом и расходом в организме также и безазотистых веществ. Для суждения об О. энергии в животном организме нужно знать приход и расход энергии, т.-е. . Для этого определяют введенный с пищею запас потенциальной энергии в единицах тепла, сжигая в калориметре определенную порцию пищи и перечисляя полученный результат на все количество пищи. Таким же путем определяют количество потенциальной энергии в органических веществах выделений (кала и мочи). Разность между первым определением и вторым дает то количество энергии, которое может быть использовано животным. Если известен химический состав пищи, то можно не делать определения количества энергии в выделениях, а вычислить количество полезной энергии пищи, пользуясь полезной теплообразовательной силой данных веществ при сгорании их в организме. По Рубнеру, 1 гр. белка, сгорая в животном организме, дает в круглых цифрах 4,1 больших калорий, 1 гр. углевода также 4,1 б. к. и 1 гр. жира — 9,3 б. к. Определив за то же время количество освобожденной животным живой силы в виде тепла и произведенной работы, мы можем рассчитать отношение между приходом и расходом энергии. Если количество вводимой полезной энергии больше освобожденной животным, то, следовательно, разложилось веществ в организме меньше, чем введено извне, и животное отлагает запасы их в теле. Если же оно меньше, то организм вынужден пополнять недостаток необходимой ему энергии путем разложения своих запасов — животное теряет вещество своего тела. В случае равенства прихода и расхода энергии животное находится в  О.  и О. . Из исследований О. веществ и энергии в животном организме вытекает, что безусловно необходимыми для него являются вода, соли и белковые вещества.  необходима организму, как среда, в которой протекают все химические процессы. Лишение воды влечет также за собою увеличение распада белков. Для взрослого человека в день необходимо в пище и питье 2700—2800 гр. Количество выделяемой воды (с мочею, калом, испарением через легкие и кожу) несколько больше количества вводимой в организм, так как водород распадающихся органических соединений в большей своей части выводится из организма в виде воды.  представляют важную составную часть тканей организма и потому должны быть постоянно вводимы в организм. Если давать животному пищу, содержащую в достаточном количестве все составные части, но лишенную совершенно солей, то наступает  животного, характеризующийся наличностью дрожания мышц, параличей и т. п., и смерть животных наступает при этом быстрее, чем при полном голодании. Если исключить из пищи только некоторые соли, то наступает расстройство в отправлениях тех тканей, которые наиболее нуждаются в этих солях. , по крайней мере один, животный или растительный, безусловно необходим в том количестве, в каком он нужен организму на построение новых клеток и замены израсходованных азотистых составных частей тела. Это количество белка не может быть заменено безазотистой пищей, а также и клеем. Последний может только предохранить белок от распада, но не заменить его. Заменить белок могут только пептоны и продукты расщепления белков, аминокислоты, из них животный организм может построить необходимый ему белок. Что же касается белка, избыточно введенного сверх того количества, которое необходимо на построение тканей и покрытия потерь азота, то он может быть заменен клеевыми веществами, а также и безазотистыми. Точно также  могут быть заменены жирами, а  — углеводами. В пище могут содержаться или жиры, или углеводы, или те и другие. Но для замены одного пищевого вещества другим нужно брать такое количество заменяющего вещества, чтобы запас энергии его был равен запасу энергии в заменяемом веществе, т.-е. количества заменяемого и заменяющего вещества должны быть в тепловом отношении равноценны, . Так, 100 гр. жира можно заменить 227 гр. углевода или белка (100 × 9,3 = 227 × 4,1 = 930 б. к.). Поэтому заменить все потребное для животного количество безазотистой пищи белком нельзя, так как в таком случае пришлось бы взять такое количество белка, которого организм усвоить не в состоянии. И только плотоядные животные могут обходиться исключительно мясной пищей, для других же животных и человека необходимы, кроме белка, еще и жир или углевод. Таким образом, количества отдельных пищевых веществ могут колебаться в значительной степени, нужно только, чтобы все количество пищи было достаточным, т.-е. в пище должно быть безусловно необходимое для животного минимальное количество белка и количество энергии, удовлетворяющее потребности организма. Принимая для взрослого человека безусловно необходимое количество белка равным 80 гр. и количество необходимой энергии на килограмм веса при умеренной работе равным 40 б. к., а также и то, что хотя жир выгоднее в смысле уменьшения О. пищи, так как имеет большую тепловую ценность и может быть взят в меньшем количестве, но зато углевод легче используется организмом, мы можем составить различные по содержанию отдельных составных частей смеси, но одинаковые по количеству содержащейся в них энергии и одинаково достаточные для нормального питания. Для человека в 70 кгр. веса (с тепловою потребностью 70 × 40 = 2800 б. к.) могут служить, напр., следующие смеси: 1) 80 гр. белка × 4,1 = 328 б. к., 300 гр. углеводов × 4,1 = 1230 б. к. и 133 гр. жира × 9,3 = 1237 б. к.; в сумме — 2795 б. к.; или 2) 80 гр. белка, 200 гр. углеводов и 177 гр. жира; в сумме 2794 б. к.; или 3) 80 гр. белка, 400 гр. углеводов и 89 гр. жира; в сумме — 2796 б. к. и др. Общее же количество энергии, потребной для животного или человека, зависит от веса тела, количества производимой работы, возраста, окружающей температуры и др. Большие животные расходуют в общем больше энергии, чем маленькие, молодые больше, чем старые; работа и понижение внешней температуры повышает расходование энергии; полный покой понижает его. Если приход веществ в организме больше расходов их, то происходит отложение избытка веществ в теле в виде гликогена в печени и мышцах и, главным образом, в виде жира, при чем гликоген происходит из углеводов пищи, но может образоваться и из белков пищи, при недостаточности углеводов. Жир образуется из жиров пищи, а также и из избыточного количества углеводов пищи. Что касается отложения белка в теле, то отложение его в сколько-нибудь значительных количествах у взрослого животного затруднено. Белок может отлагаться в теле только за счет белков пищи. Но увеличение количества белка в пище влечет за собою увеличение и распад его; в течение нескольких дней устанавливается равновесие: сколько вводится белка, столько его и распадается, и за это короткое время белка отлагается мало. Можно повысить отложение его прибавкою к смешанной пище, покрывающей потребности организма, углеводов и жиров, так как избыток жиров и особенно углеводов предохраняет некоторую часть белка от распада. Отложение продолжается больший период времени, белка отлагается больше, хотя все же не больше 7%—9% общего количества введенного с пищею белка. Обильное отложение белков наблюдается у животных и человека лишь в период роста, после продолжительного голодания или недостаточного питания, при деятельности мышц и некоторых других условиях. Для человека в смысле способа отложения белка в теле имеет наибольшее значение мышечная работа (управление мышц).