Ранее: Эверетт Мендельсон: Теплота и жизнь
Работы Лавуазье по калориметрии живых организмов открыли успешную исследовательскую программу, которая продолжается до настоящего времени. Правда, развитие этой программы потребовало значительных усилий и времени. Потребовалось развитие химических методов анализа веществ и газов, а также развитие органической химии. Также разработка новых типов калориметров была бы невозможна без развития теории термодинамики и теплообмена (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение). Таким образом, основополагающие работы по калориметрии организмов появились примерно через сто лет после работы Лавуазье к концу 19-ого века.
В основе калориметрии на уровне организма лежит закон Гесса, установленный в первой половине 19-ого века. Рассмотрим суммарную реакцию окисления пищи в организме при отсутствии изменений в самом организме:
пища + O2 = выделения + теплота + CO2 + H2O
Согласно закону Гесса теплота, выделяемая в такой реакции, равна сумме теплот по всем промежуточным стадиям процесса окисления. Таким образом это позволяет отделить изучение энергетического баланса на уровне организма от исследования реальных механизмов процессов окисления в организме на уровне биохимических реакций. Понимание на этом уровне было достигнуто только в начале второй половины 20-ого века.
На уровне энергетики организма благодаря закону Гесса достаточно сравнения теплоты, измеряемой в калориметре с живым организмом, с теплотами сгорания компонентов пищи (белки, жиры и углеводы) и теплотами сгорания выделений. Последнее особенное важно для процессов окисления белков, поскольку азот, содержащийся в белках, выходит через выделения.
При создании инструментов при изучении энергетики организмов сложилась следующая терминология. Изначальная задача связана с одновременным измерением количества теплоты вместе с контролем количества поступающего кислорода и выделяющихся газов. Такая калориметрия называется прямой; это требует закрытого объема немалых размеров с контролем количества поступающих и выделяющихся газов. Ниже показана картиночка из Вики (Wilbur Olin Atwater) с калориметром такого типа для изучения человека — на ней человек выходит из такого устройства:
Помимо громоздкости к недостаткам прямой калориметрии относятся трудности с изучением быстрых процессов, поскольку в данном случае измерение теплоты характеризует весь процесс в среднем. В качестве альтернативы были разработаны установки с контролем потоков газов, но без измерения теплоты. Конечно, формально это нельзя назвать калориметром, но сложилась такая терминология — непрямая калориметрия. Вначале рисунок из Вики (Indirect calorimetry):
Дыхательные пути человека закрыты и анализируется состав поступающих и выходящих газов. В этом случае измерения более динамичны; существуют аналогичные устройства, в которых можно совершать разные действия и тем самым изучать реакцию организма в ходе разных действий.
Переход к потребляемой энергии в непрямой калориметрии связан с возможностью пересчета потоков газов на потребление углеводов, жиров и белков; использование средних энтальпий позволяет оценить суммарную теплоту. Сравнение результатов измерений прямой и непрямой калориметрии подтверждает правомерность такого подхода во многих случаях; также такое сравнение позволяет оценить допустимые границы использования непрямой калориметрии.
Кратко о двух важных фигурах в становлении прямой и непрямой калориметрии из обзора ‘Прямая калориметрия‘ и книги ‘Калориметрия животных и человека‘: Макс Рубнер (Max Rubner, 1854–1932) и Уилбур Олин Атуотер (Wilbur Olin Atwater, 1844–1907). Оба учились у физиолога Карла Фойта (Carl Voit), в лаборатории которого был создан непрямой калориметр Фойта-Петтенкофера. Рубнер и Атуотер показали, что результаты непрямой калориметрии хорошо согласуются с результатами прямой калориметрии и тем самым это способствовало внедрению непрямой калориметрии в практику исследований.
Рубнер построил прямой калориметр и провел детальное сравнение результатов прямой и непрямой калориметрии при изучении физиологии собаки в 1889 году. Собака провела в калориметре 45 дней и результаты показали хорошее согласие между прямой и непрямой калориметрией. Книга Рубнера 1902 года ‘Законы расхода энергии при питании‘ (Die Gesetze des Energieverbrauchs bei der Ernährung) суммировала известные к тому времени закономерности. Впоследствии Рубнер занимал важные посты, а также популяризировал представление о рациональном питании на основе проведенных экспериментов.
Атуотер вместе с физиком Эдуардом Роза и химиками в 1890-х годах построил калориметр, в котором можно было изучать человека (первый рисунок). В калориметр по ходу работы вносились усовершенствования, которые в свою очередь сыграли важную роль в обсуждении точности измерений. Проведенные эксперименты и сравнение с непрямой калориметрией также показало, что в рамках непрямой калориметрии можно достичь неплохой точности.
В книге Чередниченко также есть описание исторического развития калориметров и в ней описаны работы российских авторов В. В. Пашутина и А. А. Лихачева в конце 19-ого века. Диссертация Лихачева (1893 г.) была посвящена изучению калориметрии человека: ‘Теплопроизводство человека в относительном покое‘. Мне не удалось найти более современного описания калориметрических работ Пашутина и Лихачева, но я увидел статью Бенедикта 1909 года ‘Исследование метаболизма в России‘. В ней говорилось о переводе работ российских авторов на английский.
В обзоре ‘Прямая калориметрия‘ рассматривается развитие прямой калориметрии до настоящего времени. Шло и идет усложнение технологий и тем самым повышение точности. Прямая калориметрия во многом используется для выяснения границ непрямой калориметрии, но есть случаи когда можно использовать только прямую калориметрию. Специальный раздел обзора описывает использование прямой калориметрии для исследования терморегуляции.
В заключение приведу несколько цитат из учебного пособия ‘Обмен веществ и энергии‘ для медицинских вузов. В пособии также упоминаются результаты на уровне молекулярной биологии, но энергетическое рассмотрение остается на уровне работ Рубнера и Атуотера. Рассмотрение на уровне организма по понятным причинам по-прежнему остается востребованным — в пособии в том числе описываются прямой и непрямой калориметры.
‘Обмен веществ включает три этапа:
1) поступление веществ в организм (дыхание и питание);
2) метаболизм (катаболизм и анаболизм);
3) выделение конечных продуктов из организма.’
‘Функции белков:
2. Энергетическая — определяется их способностью освобождать при окислении энергию: 1 г белка аккумулирует 17,6 кДж (4,0 ккал) энергии. Белки могут использоваться в качестве источника энергии при недостатке главных энергетических субстратов — углеводов и жиров или при избытке белков; эта их роль значительно возрастает во время стрессорных реакций.’
‘Функции липидов [жиров]:
2. Энергетическая — обеспечивают 25–30 % всей энергии необходимой организму. При окислении 1 г жира образуется 38,9 кДж энергии.’
‘Функции углеводов:
2. Энергетическая — углеводы являются основными поставщиками энергии в организме, в том числе почти единственным источником энергии для деятельности головного мозга. При окислении 1 г углеводов образуется 17,6 кДж энергии.’
Информация
Glen P. Kenny, Sean R. Notley, and Daniel Gagnon. Direct calorimetry: a brief historical review of its use in the study of human metabolism and thermoregulation. European journal of applied physiology 117, no. 9 (2017): 1765-1785.
J. A. McLean, G. Tobin, Animal and Human Calorimetry, 1987. Chapter 2. Historical.
Л. К. Чередниченко, Физиологическая калориметрия, 1965.
Francis G. Benedict, Russian research in metabolism. Science 29, no. 740 (1909): 394-395.
Н. И. Штаненко, Г. А. Медведева. Обмен веществ и энергии. Терморегуляция. Выделение, 2015.