مادة الطاقة الرئيسية للجسم. مصادر الطاقة الغذائية. ما هو المصدر الرئيسي للطاقة في الجسم؟

لا يمكن للطاقة أن تظهر من العدم أو تختفي في العدم، بل يمكنها فقط أن تتحول من نوع إلى آخر. على ماذا تعتمد طاقة الإنسان؟

كل الطاقة الموجودة على الأرض تأتي من الشمس. النباتات قادرة على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية (التمثيل الضوئي).

لا يستطيع الإنسان استخدام طاقة الشمس بشكل مباشر، ولكن يمكننا الحصول على الطاقة من النباتات. فنحن نأكل إما النباتات نفسها أو لحوم الحيوانات التي أكلت النباتات. يحصل الإنسان على كل طاقته من الطعام والشراب.

مصادر الطاقة الغذائية

تعتمد طاقة الإنسان في حياته على الطعام الذي يتناوله. وحدة الطاقة هي السعرات الحرارية. السعرات الحرارية الواحدة هي كمية الحرارة اللازمة لتسخين 1 كجم من الماء بمقدار 1 درجة مئوية. نحصل على معظم طاقتنا مما يلي العناصر الغذائية:

– الكربوهيدرات – 4 كيلو كالوري (17 كيلو جول) لكل 1 جرام
– البروتينات (البروتين) – 4 سعرة حرارية (17 كيلو جول) لكل 1 جرام
– الدهون – 9 سعرة حرارية (37 كيلو جول) لكل 1 جرام

تعتبر الكربوهيدرات (السكريات والنشا) من أهم مصادر الطاقة، وأغلبها موجودة في الخبز والأرز والمعكرونة. مصادر جيدةاللحوم والأسماك والبيض بمثابة البروتين. تتكون الزبدة والزيوت النباتية والسمن النباتي بالكامل تقريبًا من الأحماض الدهنية. كما توفر الأطعمة الغنية بالألياف، وكذلك الكحول، الطاقة للجسم، لكن مستوى استهلاكها يختلف بشكل كبير من شخص لآخر.

الفيتامينات والمعادن نفسها لا توفر الطاقة للجسم، ولكنها تشارك فيها أهم العملياتتبادل الطاقة في الجسم.

تختلف قيمة الطاقة للأطعمة المختلفة بشكل كبير. يحقق الأشخاص الأصحاء التوازن من خلال استهلاك مجموعة واسعة من الأطعمة. ومن الواضح أن أكثر صورة نشطةكلما عاش الإنسان حياة، كلما زادت حاجته إلى الطعام، أو كلما كان استهلاكه للطاقة أكبر.

أهم مصدر للطاقة للإنسان هو الكربوهيدرات.

متوازن يزود الجسم أنواع مختلفةالكربوهيدرات، ولكن معظميجب أن تأتي الطاقة من النشا. في السنوات الأخيرةلقد تم إيلاء الكثير من الاهتمام لدراسة العلاقة بين مكونات التغذية البشرية و أمراض مختلفة. يتفق الباحثون على أن الناس بحاجة إلى تقليل تناولهم للأطعمة الدهنية لصالح الكربوهيدرات.

كيف نحصل على الطاقة من الغذاء؟

بعد ابتلاع الطعام، يبقى في المعدة لبعض الوقت. وهناك، تحت تأثير العصارات الهضمية، تبدأ عملية الهضم. وتستمر هذه العملية في الأمعاء الدقيقةونتيجة لذلك، تنقسم مكونات الطعام إلى وحدات أصغر، ويصبح من الممكن امتصاصها عبر جدران الأمعاء إلى الدم. يمكن للجسم بعد ذلك استخدام العناصر الغذائية لإنتاج الطاقة، والتي يتم إنتاجها وتخزينها على شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

جزيء ATP يتكون من الأدينوزين وثلاث مجموعات فوسفات متصلة على التوالي. "تتركز" احتياطيات الطاقة في الروابط الكيميائية بين مجموعات الفوسفات. لإطلاق هذه الطاقة الكامنة، يجب فصل مجموعة فوسفات واحدة، أي: يتحلل ATP إلى ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) ليطلق الطاقة.

أدينوسين ثلاثي الفوسفات (اختصار ATP، الإنجليزية ATP) هو نيوكليوتيد يلعب بشكل حصري دور مهمفي تبادل الطاقة والمواد في الكائنات الحية؛ بادئ ذي بدء، يُعرف المركب بأنه مصدر عالمي للطاقة للجميع العمليات البيوكيميائية، تحدث في الأنظمة الحية. ATP هو الناقل الرئيسي للطاقة في الخلية.

تحتوي كل خلية على كمية محدودة جدًا من ATP، والتي يتم استهلاكها عادةً في غضون ثوانٍ. يتطلب اختزال ADP إلى ATP طاقة يتم الحصول عليها أثناء أكسدة الكربوهيدرات والبروتينات والأحماض الدهنية في الخلايا.

احتياطيات الطاقة في الجسم.

بعد أن يتم امتصاص العناصر الغذائية في الجسم، يتم تخزين بعضها كوقود احتياطي على شكل جليكوجين أو دهون.

ينتمي الجليكوجين أيضًا إلى فئة الكربوهيدرات. احتياطياته في الجسم محدودة ويتم تخزينها في الكبد و الأنسجة العضلية. أثناء النشاط البدني، يتحلل الجليكوجين إلى جلوكوز، ويعمل جنبًا إلى جنب مع الدهون والجلوكوز المنتشر في الدم، على توفير الطاقة للعضلات العاملة. تعتمد نسب العناصر الغذائية المستهلكة على نوع ومدة التمرين البدني.

يتكون الجليكوجين من جزيئات الجلوكوز المرتبطة بسلاسل طويلة. إذا كانت احتياطيات الجليكوجين في الجسم طبيعية، فسيتم تحويل الكربوهيدرات الزائدة التي تدخل الجسم إلى دهون.

لا يستخدم الجسم البروتين والأحماض الأمينية عادةً كمصادر للطاقة. ومع ذلك، مع نقص التغذية المقترن بزيادة إنفاق الطاقة، يمكن أيضًا استخدام الأحماض الأمينية الموجودة في الأنسجة العضلية للحصول على الطاقة. يمكن أن يكون البروتين الذي يتم توفيره مع الطعام بمثابة مصدر للطاقة ويتحول إلى دهون إذا تم تلبية الاحتياجات الكاملة له كمواد بناء.

كيف يتم إنفاق طاقة الإنسان أثناء ممارسة الرياضة؟

بداية التدريب

في بداية التدريب، أو عندما يزداد استهلاك الطاقة بشكل حاد (الركض السريع)، يكون الطلب على الطاقة أكبر من المعدل الذي يتم فيه تصنيع ATP من خلال أكسدة الكربوهيدرات. أولا، يتم "حرق" الكربوهيدرات لاهوائيا (دون مشاركة الأكسجين)، ويرافق هذه العملية إطلاق حمض اللاكتيك (اللاكتات). ونتيجة لذلك، يتم إطلاق كمية معينة من ATP - أقل مما كانت عليه أثناء التفاعل الهوائي (بمشاركة الأكسجين)، ولكن بشكل أسرع.

مصدر آخر "سريع" للطاقة يستخدم لتخليق ATP هو فوسفات الكرياتين. توجد كميات صغيرة من هذه المادة في الأنسجة العضلية. يؤدي انهيار فوسفات الكرياتين إلى إطلاق الطاقة اللازمة لتقليل ADP إلى ATP. تتم هذه العملية بسرعة كبيرة، واحتياطيات فوسفات الكرياتين في الجسم تكفي فقط لمدة 10-15 ثانية من العمل "المتفجّر"، أي. فوسفات الكرياتين هو نوع من العازلة التي تغطي نقص ATP على المدى القصير.

فترة التدريب الأولي

في هذا الوقت، يبدأ التمثيل الغذائي الهوائي للكربوهيدرات في الجسم، ويتوقف استخدام فوسفات الكرياتين وتكوين اللاكتات (حمض اللاكتيك). يتم تعبئة احتياطيات الأحماض الدهنية وإتاحتها كمصدر للطاقة للعضلات العاملة، بينما يزداد مستوى تخفيض ADP إلى ATP بسبب أكسدة الدهون.

فترة التدريب الرئيسية

بين الخامسة والخمس عشرة دقيقة بعد بدء التدريب في الجسم زيادة الحاجةفي ATP استقر. خلال تمرين طويل ومتساوي الشدة نسبيًا، يتم دعم تخليق ATP عن طريق أكسدة الكربوهيدرات (الجليكوجين والجلوكوز) والأحماض الدهنية. تتم استعادة احتياطيات فوسفات الكرياتين تدريجياً في هذا الوقت.

الكرياتين هو حمض أميني يتم تصنيعه في الكبد من الأرجينين والجليسين. الكرياتين هو الذي يسمح للرياضيين بتحمل أعلى الأحمال بسهولة أكبر. بفضل مفعوله، يتأخر إطلاق حمض اللاكتيك في عضلات الإنسان، مما يسبب آلامًا عديدة في العضلات.

من ناحية أخرى، الكرياتين يسمح لك بإنتاج قوي النشاط البدنيبسبب إطلاق كميات كبيرة من الطاقة في الجسم.

مع زيادة الحمل (على سبيل المثال، عند الركض صعودًا)، يزداد استهلاك ATP، وإذا كانت هذه الزيادة كبيرة، يتحول الجسم مرة أخرى إلى الأكسدة اللاهوائية للكربوهيدرات مع تكوين اللاكتات واستخدام فوسفات الكرياتين. إذا لم يكن لدى الجسم الوقت الكافي لاستعادة مستويات ATP، فيمكن أن تبدأ حالة من التعب بسرعة.

ما هي مصادر الطاقة المستخدمة أثناء التدريب؟

تعتبر الكربوهيدرات أهم وأندر مصادر الطاقة للعضلات العاملة. فهي ضرورية لأي نوع من النشاط البدني. في جسم الإنسان، يتم تخزين الكربوهيدرات بكميات صغيرة على شكل الجليكوجين في الكبد والعضلات. أثناء التمرين، يتم استهلاك الجليكوجين، ويستخدم مع الأحماض الدهنية والجلوكوز المنتشر في الدم كمصدر للطاقة العضلية. وتعتمد نسبة مصادر الطاقة المختلفة المستخدمة على نوع التمرين ومدته.

على الرغم من أن الدهون تحتوي على المزيد من الطاقة، إلا أن استخدامها يحدث بشكل أبطأ، ويتم دعم تخليق ATP من خلال أكسدة الأحماض الدهنية باستخدام الكربوهيدرات وفوسفات الكرياتين.

عندما يتم استنفاد احتياطيات الكربوهيدرات، يصبح الجسم غير قادر على تحملها أحمال عالية. وبالتالي فإن الكربوهيدرات هي مصدر للطاقة يحد من مستوى الحمل أثناء التدريب.

العوامل التي تحد من احتياطيات الجسم من الطاقة أثناء ممارسة الرياضة

1. مصادر الطاقة المستخدمة في مختلف أنواع النشاط البدني

– شدة منخفضة (الركض)

المستوى المطلوب لاستعادة ATP من ADP منخفض نسبيًا، ويتم تحقيقه عن طريق أكسدة الدهون والجلوكوز والجليكوجين. عندما يتم استنفاد احتياطيات الجليكوجين، يزداد دور الدهون كمصدر للطاقة. نظرا لأن الأحماض الدهنية تتأكسد ببطء شديد لتجديد الطاقة المستهلكة، فإن القدرة على مواصلة مثل هذا التمرين لفترة طويلة تعتمد على كمية الجليكوجين في الجسم.

– شدة متوسطة ( الجري السريع )

متى النشاط البدنييصل إلى الحد الأقصى لاستمرار عمليات الأكسدة الهوائية، فتنشأ الحاجة التعافي السريعاحتياطيات ATP. تصبح الكربوهيدرات الوقود الرئيسي للجسم. ومع ذلك، لا يمكن الحفاظ على المستوى المطلوب من ATP فقط عن طريق أكسدة الكربوهيدرات، لذلك تحدث أكسدة الدهون وتكوين اللاكتات بالتوازي.

- الحد الأقصى للكثافة (العدو السريع)

يتم دعم تخليق ATP بشكل أساسي عن طريق استخدام فوسفات الكرياتين وتكوين اللاكتات، حيث لا يمكن الحفاظ على استقلاب الكربوهيدرات وأكسدة الدهون عند هذا المعدل المرتفع.

2. مدة التدريب

يعتمد نوع مصدر الطاقة على مدة التمرين. أولاً، يتم إطلاق الطاقة من خلال استخدام فوسفات الكرياتين. ثم يتحول الجسم إلى الاستخدام السائد للجليكوجين، والذي يوفر الطاقة لحوالي 50-60٪ من تخليق ATP.

يتلقى الجسم بقية الطاقة اللازمة لتخليق ATP من خلال أكسدة الأحماض الدهنية الحرة والجلوكوز. عندما يتم استنفاد مخزون الجليكوجين، تصبح الدهون المصدر الرئيسي للطاقة، بينما يبدأ استخدام الجلوكوز بشكل أكبر من الكربوهيدرات.

3. نوع التمرين

في تلك الألعاب الرياضية التي تتناوب فيها فترات الأحمال المنخفضة نسبيًا زيادات حادةالنشاط (كرة القدم، الهوكي، كرة السلة)، هناك تناوب في استخدام فوسفات الكرياتين (أثناء الأحمال القصوى) والجليكوجين كمصدرين رئيسيين للطاقة لتخليق ATP. خلال مرحلة "الهدوء"، يتم استعادة احتياطيات فوسفات الكرياتين في الجسم.

4. لياقة الجسم

كلما زاد تدريب الشخص، زادت قدرة الجسم على التمثيل الغذائي التأكسدي (يتحول كمية أقل من الجليكوجين إلى اللاكتوز) ويتم استخدام احتياطيات الطاقة بشكل اقتصادي أكثر. أي أن الشخص المتدرب يؤدي أي تمرين باستهلاك طاقة أقل من الشخص غير المدرب.

5. النظام الغذائي

كلما ارتفع مستوى الجليكوجين في الجسم قبل بدء التدريب، سيبدأ التعب لاحقًا. لزيادة مخزون الجليكوجين، عليك زيادة تناولك للطعام، غنية بالكربوهيدرات. خبراء في هذا المجال التغذية الرياضيةوينصح بالالتزام بالأنظمة الغذائية التي تصل نسبة تناولها إلى 70%. قيمة الطاقةسيكون الكربوهيدرات.

- أرز
– المعكرونة ( معكرونة)
- خبز
- الحبوب
- الخضروات الجذرية

- أدخل في خطة الوجبة الخاصة بك المزيد من الكربوهيدراتللحفاظ على احتياطيات الطاقة في الجسم.
– قبل 1-4 ساعات من التدريب، تناول 75-100 جرام من الكربوهيدرات؛
- قبل التدريب مباشرة، اشرب 200-500 مل من المشروب المتخصص مشروب رياضي(متساوي التوتر) لزيادة احتياطيات السوائل والكربوهيدرات.
- إذا أمكن، شرب 100-150 مل من الماء متساوي التوتر كل 15-20 دقيقة أثناء التدريب للتعويض عن استهلاك السوائل والكربوهيدرات؛
- خلال النصف ساعة الأولى من التدريب، عندما تصل قدرة العضلات على التعافي إلى الحد الأقصى، تناول 50-100 كربوهيدرات؛
– بعد التدريب، من الضروري الاستمرار في تناول الكربوهيدرات لاستعادة احتياطيات الجليكوجين بسرعة.

التمثيل الغذائي والطاقة عمليتان مترابطة، ويرتبط فصلهما فقط براحة الدراسة. لا توجد أي من هذه العمليات بشكل منفصل. أثناء أكسدة الطاقة الروابط الكيميائية، الموجودة في العناصر الغذائية، يتم إطلاقها واستخدامها من قبل الجسم. بسبب انتقال نوع واحد من الطاقة إلى نوع آخر، يتم دعم جميع الوظائف الحيوية للجسم. جنبا إلى جنب مع هذا، فإن الكمية الإجمالية للطاقة لا تتغير. تسمى العلاقة بين كمية الطاقة التي يوفرها الغذاء وكمية الطاقة المستهلكة توازن الطاقة.

ويمكن توضيح ذلك باستخدام مثال نشاط القلب. القلب يقوم بعمل عظيم. وفي كل ساعة يضخ نحو 300 لتر من الدم إلى الشريان الأبهر. يتم إنجاز هذا العمل بسبب تقلص عضلة القلب، حيث تحدث عمليات الأكسدة المكثفة. بفضل الطاقة المنطلقة، يتم ضمان الانكماش الميكانيكي للعضلات، وفي نهاية المطاف تتحول كل الطاقة إلى حرارة، والتي تتبدد في الجسم وتنطلق في الفضاء المحيط. تحدث عمليات مماثلة في كل عضو جسم الإنسان. وفي كل حالة، تتحول الطاقة الكيميائية والكهربائية والميكانيكية وغيرها من أنواع الطاقة في نهاية المطاف إلى حرارة وتتبدد في البيئة. مقدار الطاقة المستهلكة في التنفيذ العمل البدني، يتم تعريفه على أنه المعامل الإجراء المطلوب(كفاءة). متوسط ​​قيمتها 20-25% لدى الرياضيين كفاءة أعلى. لقد ثبت أن 1 جرام من البروتين يطلق 4.1 سعرة حرارية أثناء الأكسدة، 1 جرام من الدهون - 9.3، كربوهيدرات الهواء - 4.1 سعرة حرارية. بمعرفة محتوى البروتينات والدهون والكربوهيدرات في المنتجات الغذائية (الجدول 1)، من الممكن تحديد محتواها من السعرات الحرارية أو سعر الطاقة.

نشاط عضلي، نشط وضع المحرك, ممارسة الرياضة البدنيةوترتبط الرياضة بإنفاق الطاقة المرتفع. في بعض الحالات، يمكن أن يكون حوالي 5000، وهو المبلغ، وفي أيام التدريب المكثف والحجمي للرياضيين، حتى أكثر من ذلك. ويجب أن تؤخذ هذه الزيادة في استهلاك الطاقة بعين الاعتبار عند إعداد النظام الغذائي. في الوقت الذي يوجد فيه الكثير من البروتين في الطعام، يتم تمديد عملية الهضم بشكل كبير (من ساعتين إلى أربع ساعات). يُنصح بتناول ما يصل إلى 70 جرامًا من البروتين في المرة الواحدة، حيث يبدأ البروتين الزائد بالتحول إلى دهون. ويتجنب ممثلو بعض الألعاب الرياضية (مثل لاعبي الجمباز وكمال الأجسام وما إلى ذلك) التراكم الدهون الزائدةويفضل الحصول على الطاقة منها الغذاء النباتي(على سبيل المثال، ترتبط أطعمة الفاكهة بتكوين الكربوهيدرات السريعة).

يمكن استبدال العناصر الغذائية مع مراعاة قيمتها الحرارية. في الواقع، مع نقطة الطاقةمن حيث المنظور، 1 جرام من الكربوهيدرات يعادل (متساوي الديناميكية) 1 جرام من البروتين، حيث أن لديهم نفس معامل السعرات الحرارية (4.1 كيلو كالوري)، و1 جرام من البروتين أو الكربوهيدرات يعادل 0.44 جرام من الدهون (معامل السعرات الحرارية 0.44 جرام من الدهون). الدهون 9.3 سعرة حرارية). ويترتب على ذلك أن الشخص الذي يبلغ استهلاكه اليومي من الطاقة 3000 سعرة حرارية يمكنه تلبية احتياجات الجسم من الطاقة بشكل كامل من خلال استهلاك 732 جرامًا من الكربوهيدرات يوميًا. ولكن ليس فقط المحتوى من السعرات الحرارية غير المتخصصة في الطعام هو المسؤول عن الجسم. إذا كان الشخص يستهلك فقط الدهون أو البروتينات أو الكربوهيدرات لفترة طويلة بما فيه الكفاية، تظهر تحولات عميقة في عملية التمثيل الغذائي في جسمه. في الوقت نفسه، يتم تعطيل العمليات البلاستيكية في بروتوبلازم الخلايا، ويلاحظ التحول في توازن النيتروجين، ويتم تشكيل المنتجات السامة وتراكمها.

الجدول 1. تركيب المنتجات الغذائية الأكثر خطورة (نسبة المادة الخام)

لحم البقر متوسط ​​الدهن

صفار بيض الدجاج

بياض بيض الدجاج

للقيام بأنشطة الحياة الطبيعية، يجب أن يحصل الجسم على الكمية المثالية من البروتينات الكاملة والدهون والكربوهيدرات، الأملاح المعدنيةوالفيتامينات الموجودة في الأطعمة المختلفة. يتم تحديد مستوى جودة المنتجات الغذائية حسب قيمتها الفسيولوجية. الأطعمة الأكثر صحية هي الحليب والزبدة والجبن والبيض واللحوم والأسماك والحبوب والفواكه والخضروات والسكر.

الناس المهن المختلفةينفقون كميات متفاوتة من الطاقة أثناء أنشطتهم. على سبيل المثال، ينفق الشخص المنخرط في العمل الفكري أقل من 3000 سعرة حرارية ضخمة يوميًا. رجل يقوم برفع الأثقال العمل البدني، ينفق طاقة أكثر مرتين يوميًا (الجدول 2).

استهلاك الطاقة (كيلو كالوري/يوم) للأفراد فئات مختلفةتَعَب

عقلية ميكانيكية جسدية ثقيلة

أثبتت دراسات لا حصر لها أن الرجل في منتصف العمر الذي ينخرط في عمل عقلي وجسدي لمدة 8-10 ساعات يحتاج إلى استهلاك 118 جرامًا من البروتين و56 جرامًا من الدهون و500 جرامًا من الكربوهيدرات يوميًا. من حيث الحساب، يصل هذا إلى حوالي 3000 سعرة حرارية. بالنسبة للأطفال وكبار السن والأشخاص الذين يقومون بعمل بدني شاق، فإن معايير التغذية الشخصية والعلمية مطلوبة. نظام عذائيتم تجميعها مع مراعاة جنس وعمر الشخص وطبيعة نشاطه. النظام الغذائي له أهمية كبيرة. اعتمادا على العمر ونوع العمل وغيرها من المعالم، يتم إنشاء 3-6 وجبات يوميا مع نسبة معينة من الطعام لأي وجبة.

لذلك، من أجل الحفظ توازن الطاقة‎المحافظة على وزن الجسم الطبيعي، وضمان الأداء العالي والوقاية أنواع مختلفة الظواهر المرضيةفي الجسم، فمن الضروري متى التغذية الجيدةتوسيع استهلاك الطاقة عن طريق الزيادة النشاط الحركيالذي يحفز بشكل كبير عمليات التمثيل الغذائي.

إن أهم ثابت فسيولوجي للجسم هو الحد الأقصى من الطاقة التي ينفقها الشخص في حالة من الهدوء التام. ويسمى هذا الثابت التبادل الأساسي. الجهاز العصبييعمل القلب وعضلات الجهاز التنفسي والكلى والكبد والأعضاء الأخرى بشكل مستمر ويستهلك قدرًا معينًا من الطاقة. يشكل مجموع نفقات الطاقة هذه قيمة التمثيل الغذائي الأساسي.

بي اكسيتم تحديد الشخص بموجب الشروط التالية: مع السلام الجسدي والعقلي الكامل؛ في وضعية الاستلقاء في الصباح؛ على معدة فارغة، أي. بعد 14 ساعة من انتهاء الوجبة الأخيرة؛ عند درجة حرارة مريحة (20 درجة مئوية). انتهاك أي من هذه الشروط يؤدي إلى انحراف تصاعدي في عملية التمثيل الغذائي. في ساعة واحدة، يبلغ الحد الأدنى لاستهلاك الطاقة لجسم الإنسان البالغ في المتوسط ​​1 سعرة حرارية لكل 1 كجم من وزن الجسم.

التمثيل الغذائي الأساسي هو ثابت شخصي ويعتمد على جنس الشخص وعمره ووزنه وطوله. ش شخص سليمويمكن أن يبقى عند مستوى ثابت لعدد من السنوات. في طفولةمعدل الأيض الأساسي أعلى بكثير منه لدى كبار السن. تؤدي الحالة النشطة إلى تكثيف ملحوظ لعملية التمثيل الغذائي. يسمى التمثيل الغذائي في ظل هذه الظروف تبادل العمل.إذا كان التمثيل الغذائي الأساسي لشخص بالغ هو 1700-1800 سعرة حرارية، فإن التمثيل الغذائي العامل يكون أعلى بمقدار 2-3 مرات. وبالتالي، فإن التمثيل الغذائي الأساسي هو مستوى الخلفية الأولية لاستهلاك الطاقة. يمكن أن يكون التغيير الحاد في عملية التمثيل الغذائي الأساسي مؤشرا تشخيصيا خطيرا للتعب، والإرهاق، ونقص التعافي، أو المرض.

مصادر الطاقة لجسم الإنسان هي البروتينات، والدهون، والكربوهيدرات، والتي تشكل 90% من الوزن الجاف لجميع المواد الغذائية وتمدها بـ 100% من الطاقة. توفر العناصر الغذائية الثلاثة الطاقة (مقاسة بالسعرات الحرارية)، لكن كمية الطاقة لكل جرام تختلف:

• 4 سعرة حرارية لكل غرام من الكربوهيدرات أو البروتينات؛
• 9 سعرة حرارية لكل جرام من الدهون.

يحتوي جرام من الدهون على طاقة للجسم مرتين أكثر من جرام من الكربوهيدرات والبروتينات.

وتختلف هذه العناصر الغذائية أيضًا في مدى سرعة توفير الطاقة. يتم توفير الكربوهيدرات بسرعة أكبر والدهون بشكل أبطأ.

يتم هضم البروتينات والدهون والكربوهيدرات في الأمعاء، حيث يتم تقسيمها إلى وحدات أساسية:

• الكربوهيدرات في السكر
• البروتينات في الأحماض الأمينية
• الدهون في الأحماض الدهنية والجلسرين.

يستخدم الجسم هذه الوحدات الأساسية لتكوين المواد الضرورية لأداء وظائف الحياة الأساسية (بما في ذلك الكربوهيدرات والبروتينات والدهون الأخرى).

أنواع الكربوهيدرات

اعتمادًا على حجمها، يمكن أن تكون جزيئات الكربوهيدرات بسيطة أو معقدة.

• بسيطالكربوهيدرات: أنواع مختلفةالسكريات مثل الجلوكوز والسكروز (سكر المائدة) هي كربوهيدرات بسيطة. هذه جزيئات صغيرة، لذلك يمتصها الجسم بسرعة وهي كذلك مصدر سريعطاقة. أنها تزيد بسرعة مستويات الجلوكوز في الدم (السكر في الدم). الفواكه ومنتجات الألبان والعسل و شراب القيقبيحتوي عدد كبير الكربوهيدرات البسيطةوالتي توفر الطعم الحلو في معظم أنواع الحلوى والكعك.
• معقدالكربوهيدرات: تتكون هذه الكربوهيدرات من سلاسل طويلة من الكربوهيدرات البسيطة. نظرًا لأن الكربوهيدرات المعقدة عبارة عن جزيئات كبيرة، فيجب تقسيمها إلى جزيئات بسيطة قبل أن يتم امتصاصها. وبالتالي، فهي تميل إلى توفير الطاقة للجسم بشكل أبطأ من تلك العادية، ولكنها لا تزال أسرع من البروتين أو الدهون. وذلك لأنه يتم هضمها بشكل أبطأ من الكربوهيدرات البسيطة، ومن غير المرجح أن تتحول إلى دهون. كما أنها ترفع نسبة السكر في الدم بمعدل أبطأ وبمستويات أقل من المستويات العادية، ولكن لفترة أطول من الزمن. تشمل الكربوهيدرات المعقدة النشويات والبروتينات الموجودة في منتجات القمح (الخبز والمعكرونة)، والحبوب الأخرى (الجاودار والذرة)، والفاصوليا والخضروات الجذرية (البطاطس).

الكربوهيدرات يمكن أن تكون:

• المكرر
• غير مكرر

المكرر- معالجتها , تتم إزالة الألياف والنخالة، وكذلك العديد من الفيتامينات والمعادن التي تحتوي عليها. وبالتالي، يعالج التمثيل الغذائي هذه الكربوهيدرات بسرعة ويوفر القليل من التغذية على الرغم من أنها تحتوي على نفس الكمية من السعرات الحرارية تقريبًا. غالبًا ما يتم تعزيز الأطعمة المكررة، مما يعني إضافة الفيتامينات والمعادن بشكل صناعي لتعزيزها القيمة الغذائية. النظام الغذائي مع محتوى عاليتميل الكربوهيدرات البسيطة أو المكررة إلى زيادة خطر الإصابة بالسمنة والسكري.

غير مكررالكربوهيدرات من المنتجات النباتية. أنها تحتوي على الكربوهيدرات في شكل النشا والألياف. هذه هي الأطعمة مثل البطاطس والحبوب الكاملة والخضروات والفواكه.

إذا استهلك الأشخاص كمية من الكربوهيدرات أكثر مما يحتاجون، يقوم الجسم بتخزين بعض هذه الكربوهيدرات في الخلايا (مثل الجليكوجين) ويحول الباقي إلى دهون. الجليكوجين هو كربوهيدرات معقدة يمكن تحويلها إلى طاقة ويتم تخزينها في الكبد والعضلات. تستخدم العضلات طاقة الجليكوجين خلال فترات التمرين المكثف. كمية الكربوهيدرات المخزنة على شكل الجليكوجين يمكن أن توفر السعرات الحرارية لهذا اليوم. تقوم العديد من أنسجة الجسم الأخرى بتخزين الكربوهيدرات المعقدة التي لا يمكن استخدامها كمصدر للطاقة للجسم.

مؤشر نسبة السكر في الدم من الكربوهيدرات

يقيس مؤشر نسبة السكر في الدم للكربوهيدرات مدى سرعة استهلاكها في رفع مستويات السكر في الدم. تتراوح القيم من 1 (أبطأ امتصاص) إلى 100 (أسرع، مؤشر الجلوكوز النقي). ومع ذلك، فإن مدى سرعة ارتفاع المستويات فعليًا يعتمد على الأطعمة التي يتم تناولها.

يكون المؤشر الجلايسيمي أقل بشكل عام الكربوهيدرات المعقدةمن الكربوهيدرات البسيطة، ولكن هناك استثناءات. على سبيل المثال، الفركتوز (السكر الموجود في الفواكه) له تأثير ضئيل على مستويات السكر في الدم.

على مؤشر نسبة السكر في الدمتكنولوجيا تجهيز الأغذية وتأثير التكوين:

• المعالجة: تميل الأطعمة المصنعة أو المفرومة أو المطحونة جيدًا إلى الحصول على مؤشر نسبة السكر في الدم مرتفع
• نوع النشا: يتم امتصاص أنواع النشا المختلفة بشكل مختلف. يتم هضم نشا البطاطس ويتم امتصاصه بسرعة نسبيًا في الدم. يتم هضم الشعير وامتصاصه بشكل أبطأ بكثير.
• محتوى الألياف: المزيد من الأليافالطعام، كلما كان هضمه أكثر صعوبة. ونتيجة لذلك، يتم امتصاص السكر في الدم بشكل أبطأ
• نضج الثمار: الثمار الناضجة، المزيد من السكرفيه وارتفاع مؤشر نسبة السكر في الدم
• محتوى الدهون أو الأحماض: يحتوي الطعام على كمية أكبر من الدهون أو الأحماض، ويتم هضمه ببطء ويتم امتصاص السكريات الموجودة به ببطء في الدم
• الطبخ: يمكن أن تؤثر طريقة تحضير الطعام على سرعة امتصاصه في مجرى الدم. بشكل عام، يؤدي طهي الطعام أو طحنه إلى رفع المؤشر الجلايسيمي الخاص به لأنه أسهل في الهضم والامتصاص بعد عملية الطهي.
• عوامل أخرى : تختلف العمليات الغذائية في الجسم من شخص لآخر من حيث سرعة تحويل الكربوهيدرات إلى سكر وامتصاصها. من المهم مدى جودة مضغ الطعام وسرعة ابتلاعه.

المؤشر الجلايسيمي لبعض الأطعمة

منتجات	مُجَمَّع	فِهرِس
فول	بذور الفول	33
	عدس أحمر	27
	فول الصويا	14
خبز	خبز الجاودار	49
	أبيض	69
	كل الدقيق	72
الحبوب	كل النخالة	54
	رقائق الذرة	83
	دقيق الشوفان	53
	لاهث على الأرز	90
	قمح مطحون	70
ألبان	حليب، آيس كريم و زبادي	34 – 38
الفواكه	تفاحة	38
	موز	61
	الماندرين	43
	عصير البرتقال	49
	الفراولة	32
حبوب ذرة	الشعير	22
	الأرز البني	66
	أرز أبيض	72
المعكرونة	-	38
البطاطس	هريس فوري (عن طريق الخلاط)	86
	هريس	72
	هريسة حلوة	50
وجبات خفيفة	رقائق الذرة	72
	بسكويت الشوفان	57
	رقائق البطاطس	56
سكر	الفركتوز	22
	الجلوكوز	100
	عسل	91
	السكر المكرر	64

مؤشر نسبة السكر في الدم معلمة مهمةلأن الكربوهيدرات تزيد من نسبة السكر في الدم، إذا كانت سريعة (مع ارتفاع مؤشر نسبة السكر في الدم) فإن مستويات الأنسولين ترتفع. زيادة الأنسولين يمكن أن تؤدي إلى مستوى منخفضنسبة السكر في الدم (نقص السكر في الدم) والجوع، الذي يميل إلى استهلاك سعرات حرارية إضافية وزيادة الوزن.

الكربوهيدرات ذات المؤشر الجلايسيمي المنخفض لا تزيد مستويات الأنسولين كثيرًا. ونتيجة لذلك، يشعر الناس بالشبع لفترة أطول بعد تناول الطعام. كما أن استهلاك الكربوهيدرات ذات المؤشر الجلايسيمي المنخفض يؤدي أيضًا إلى المزيد مستوى صحيوالكوليسترول، ويقلل من خطر الإصابة بالسمنة والسكري لدى المصابين بالسكري، من خطر حدوث مضاعفات بسبب مرض السكري.

على الرغم من الارتباط بين الأطعمة ذات المؤشر الجلايسيمي المنخفض وتحسين الصحة، فإن استخدام المؤشر لاختيار الأطعمة لا يؤدي تلقائيًا إلى تناول طعام صحي.

على سبيل المثال، ارتفاع مؤشر نسبة السكر في الدم في رقائق البطاطس وبعض الحلوى ليس خيارا الأكل الصحيولكن بعض المنتجات الغذائيةمع مؤشر نسبة السكر في الدم عالية تحتوي على الفيتامينات والمعادن القيمة.

ولذلك، يجب استخدام المؤشر الجلايسيمي فقط كدليل عام لاختيار الطعام.

الحمل نسبة السكر في الدم من الأطعمة

يُظهر مؤشر نسبة السكر في الدم مدى سرعة امتصاص الكربوهيدرات الموجودة في الطعام إلى الدم. ولا يشمل كمية الكربوهيدرات الموجودة في الطعام، وهو أمر مهم.

الحمل الجلايسيمي، وهو مصطلح جديد نسبيًا، يشمل مؤشر نسبة السكر في الدم وكمية الكربوهيدرات في الطعام.

قد تحتوي الأطعمة مثل الجزر والموز والبطيخ أو خبز القمح الكامل على مؤشر نسبة السكر في الدم مرتفع، ولكنها تحتوي على عدد قليل نسبيا من الكربوهيدرات، وبالتالي تحتوي على نسبة منخفضة من نسبة السكر في الدم من الأطعمة. مثل هذه الأطعمة لها تأثير ضئيل على مستويات السكر في الدم.

البروتينات في الأطعمة

تتكون البروتينات من هياكل تسمى الأحماض الأمينية وتشكل هياكل معقدة. وبما أن البروتينات جزيئات معقدة، حيث يستغرق الجسم وقتًا أطول لامتصاصها. ونتيجة لذلك، فهي مصدر طاقة أبطأ بكثير وأطول أمدا لجسم الإنسان من الكربوهيدرات.

هناك 20 حمض أميني. يقوم جسم الإنسان بتركيب بعض المكونات الموجودة في الجسم، لكنه لا يستطيع تصنيع 9 أحماض أمينية - تسمى الأحماض الأمينية الأساسية. ينبغي أن تستهلك في النظام الغذائي. يحتاج كل شخص إلى 8 من هذه الأحماض الأمينية: آيزوليوسين، ليوسين، ليسين، ميثيونين، فينيل ألانين، ثريونين، تريبتوفان وفالين. يحتاج الأطفال أيضًا إلى الحمض الأميني التاسع، الهستيدين.

نسبة البروتين التي يمكن للجسم استخدامها لتخليقها الأحماض الأمينية الأساسيةيختلف. يمكن للجسم أن يستخدم 100% من البروتين الموجود في البيض ونسبة عالية من بروتينات الحليب واللحوم، ولكن يمكن أن يستخدم أقل بقليل من نصف البروتين الموجود في معظم الخضروات والحبوب.

يحتاج جسم أي حيوان ثديي إلى البروتين للحفاظ على الأنسجة واستبدالها أثناء النمو. لا يستخدم البروتين بشكل عام كمصدر للطاقة لجسم الإنسان. ومع ذلك، إذا لم يحصل الجسم على ما يكفي من السعرات الحرارية من العناصر الغذائية الأخرى أو من الدهون المخزنة في الجسم، فسيتم استخدام البروتين للحصول على الطاقة. لو المزيد من البروتينأكثر من اللازم، يقوم الجسم بتحويل البروتين وتخزين مكوناته على شكل دهون.

يحتوي الجسم الحي على كميات كبيرة من البروتين. البروتين هو لبنة البناء الرئيسية في الجسم وهو المكون الرئيسي لمعظم الخلايا. على سبيل المثال، العضلات النسيج الضاموالجلد كله مصنوع من البروتين.

يجب على البالغين تناول حوالي 60 جرامًا من البروتين يوميًا (1.5 جرام لكل كيلوجرام من وزن الجسم أو 10-15% من الوزن). العدد الإجماليسعرات حرارية).

يحتاج البالغون الذين يحاولون تطوير العضلات إلى المزيد. يحتاج الأطفال أيضًا إلى المزيد من البروتين أثناء نموهم.

الدهون

الدهون هي جزيئات معقدة تتكون من الأحماض الدهنية والجلسرين. يحتاج الجسم إلى الدهون للنمو وكمصدر للطاقة للجسم. تُستخدم الدهون أيضًا لتخليق الهرمونات والمواد الأخرى الضرورية لوظيفة الأعضاء (مثل البروستاجلاندين).

الدهون مصدر بطيءالطاقة، ولكن النوع الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة من المواد الغذائية. ويزود كل جرام من الدهون الجسم بحوالي 9 سعرات حرارية، أي أكثر من ضعف الكمية التي يوفرها البروتين أو الكربوهيدرات. الدهون هي شكل فعال من أشكال الطاقة ويقوم الجسم بتخزين الطاقة الزائدة على شكل دهون. يقوم الجسم بتخزين الدهون الزائدة فيه تجويف البطن(الدهون الثربية) وتحت الجلد ( الدهون تحت الجلد) للاستخدام عند الحاجة إلى المزيد من الطاقة. ويمكن للجسم أيضًا إزالة الدهون الزائدة منه الأوعية الدمويةومن الأعضاء التي يمكن أن تمنع تدفق الدم ومن الأعضاء التالفة، مما يسبب مشاكل خطيرة في كثير من الأحيان.

الأحماض الدهنية

عندما يحتاج الجسم إلى الأحماض الدهنية، يمكنه تصنيع (تصنيع) بعضها. بعض الأحماض، التي تسمى الأحماض الدهنية الأساسية، لا يمكن تصنيعها ويجب استهلاكها في النظام الغذائي.

تشكل الأحماض الدهنية الأساسية حوالي 7% من الدهون المستهلكة في النظام الغذائي العادي وحوالي 3% من إجمالي السعرات الحرارية (حوالي 8 جرام). وتشمل هذه اللينوليك و حمض اللينولينيكوالتي تتواجد في بعض الزيوت النباتية. حمض الإيكوسابنتاينويك وحمض الدوكوساهيكسانويك، وهما من الأحماض الدهنية الضرورية لنمو الدماغ ويمكن تصنيعهما من حمض اللينوليك. ومع ذلك، فهي موجودة أيضًا في بعض منتجات الأسماك البحرية، والتي تعد مصدرًا أكثر فعالية.

أين تتواجد الدهون؟

نوع الدهون	مصدر
أحادية غير مشبعة	افوكادو، زيت زيتون زبدة الفول السوداني
غير المشبعة	بذور اللفت والذرة وفول الصويا وعباد الشمس والعديد من السوائل الأخرى الزيوت النباتية
مشبعة	اللحوم، وخاصة لحم البقر منتجات الألبان كاملة الدسم، مثل الحليب كامل الدسم، سمنةوالجبن زيت جوز الهند وزيت النخيل الزيوت النباتية المهدرجة صناعيا
أحماض أوميغا 3 الدهنية	بذور الكتان تراوت البحيرة وبعض أسماك أعماق البحار مثل الماكريل والسلمون والرنجة والتونة الخضروات الورقية الخضراء الجوز
أحماض أوميغا 6 الدهنية	الزيوت النباتية (بما في ذلك زيوت عباد الشمس والعصفر والذرة وبذور القطن وفول الصويا) زيت السمك صفار البيض
الدهون المتحولة	الأطعمة المخبوزة تجاريًا مثل البسكويت والمقرمشات والدونات البطاطس المقلية والأطعمة المقلية الأخرى السمن رقائق البطاطس

اللينوليك و حمض الأراكيدونيكتتكون من أحماض أوميغا 6 الدهنية.

حمض اللينولينيك وحمض إيكوسابنتاينويك وحمض دوكوساهيكسانويك هي أحماض أوميجا 3 الدهنية.

اتباع نظام غذائي غني بأحماض أوميجا 3 الدهنية قد يقلل من خطر الإصابة بتصلب الشرايين (بما في ذلك مرض الشريان التاجي). يحتوي تراوت البحيرة وبعض أسماك أعماق البحار على كميات عالية من أحماض أوميجا 3 الدهنية.

من الضروري استهلاك ما يكفي من أحماض أوميغا 6 الدهنية

أنواع الدهون

هناك أنواع مختلفة من الدهون

• أحادية غير مشبعة
• غير المشبعة
• ثري

يستخدم الدهون المشبعةيزيد من مستويات الكوليسترول وخطر الإصابة بتصلب الشرايين. عادة ما تحتوي المنتجات المشتقة من الحيوانات على الدهون المشبعةوالتي تكون صلبة بشكل عام في درجة حرارة الغرفة. تحتوي الدهون المشتقة من النباتات عادة على أحماض دهنية أحادية أو متعددة غير مشبعة، والتي عادة ما تكون سائلة في درجة حرارة الغرفة. الاستثناءات هي النخيل و زيت جوز الهند. أنها تحتوي على دهون مشبعة أكثر من الزيوت النباتية الأخرى.

الدهون المتحولة (الأحماض الدهنية المتحولة) هي فئة أخرى من الدهون. وهي صناعية وتتشكل بإضافة ذرات الهيدروجين (الهدرجة) إلى الأحماض الدهنية الأحادية غير المشبعة أو المتعددة غير المشبعة. يمكن أن تكون الدهون مهدرجة كليًا أو جزئيًا (مشبعة بذرات الماء). المصدر الغذائي الرئيسي للدهون المتحولة هو الزيوت النباتية المهدرجة جزئيًا في الأطعمة المعدة تجاريًا. يمكن أن يؤثر استهلاك الدهون المتحولة سلبًا على مستويات الكوليسترول في الجسم وقد يساهم في خطر الإصابة بتصلب الشرايين.

الدهون في النظام الغذائي

• يجب أن تقتصر الدهون على أقل من 30% من إجمالي السعرات الحرارية اليومية (أو أقل من 90 جرامًا يوميًا)
• يجب أن تقتصر الدهون المشبعة على 10%.

عندما يتم تقليل تناول الدهون إلى 10% أو أقل من إجمالي السعرات الحرارية اليومية، تنخفض مستويات الكوليسترول بشكل كبير.

تمثل الكربوهيدرات والبروتينات والدهون المصادر الرئيسية للطاقة للإنسان الضرورية للحياة ونوعيتها مهمللصحة.

المصدر الأساسي للطاقة للكائنات الحية هو الطاقة ضوء الشمس. تستخدم الكائنات الضوئية - النباتات والكائنات الحية الدقيقة التي تقوم بالتمثيل الضوئي - الطاقة الضوئية بشكل مباشر لتصنيع المواد العضوية المعقدة (الدهون والبروتينات والكربوهيدرات وما إلى ذلك)، والتي تعد مصادر ثانوية للطاقة. تستخدم الكائنات غيرية التغذية، والتي تشمل الحيوانات، الطاقة الكيميائية المنبعثة أثناء أكسدة المواد العضوية التي يتم تصنيعها بواسطة النباتات.

يمكن تقسيم عمليات الطاقة الحيوية إلى عمليات إنتاج الطاقة وتراكمها والعمليات التي يتم فيها تنفيذ العمل المفيد باستخدام الطاقة المخزنة (الشكل 1.1). التمثيل الضوئي هو عملية الطاقة الحيوية الرئيسية على الأرض. هذا نظام معقد متعدد المراحل من العمليات الفيزيائية الضوئية والكيميائية الضوئية والكيميائية الحيوية المظلمة حيث يتم تحويل طاقة ضوء الشمس إلى أشكال كيميائية أو كهروكيميائية للطاقة. في الحالة الأولى، هذه هي الطاقة الموجودة في الجزيئات العضوية المعقدة، وفي الثانية، هي طاقة تدرج البروتون على الأغشية، والتي تتحول أيضًا إلى شكل كيميائي. في الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي، تمتص جزيئات الكلوروفيل كميات من ضوء الشمس وتنقل إلكتروناتها إلى حالة مثارة مع زيادة الطاقة. ويرجع ذلك على وجه التحديد إلى طاقة الإلكترونات المثارة في جزيئات الكلوروفيل، حيث يقوم نظام التمثيل الضوئي للصور الضوئية من الجزيئات البسيطة ثاني أكسيد الكربونوالماء يصنع الجلوكوز وغيره الجزيئات العضوية(الأحماض الأمينية، والأحماض الدهنية، والنيوكليوتيدات، وما إلى ذلك)، والتي منها الكربوهيدرات والبروتينات والدهون و الأحماض النووية. ناتج هذه التفاعلات هو أيضًا الأكسجين الجزيئي.

معادلة مختصرة للتفاعلات الرئيسية لعملية البناء الضوئي:

6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 (الجلوكوز) + 6 O 2،

أين حن -طاقة الفوتون.

إن الدور العالمي لعملية التمثيل الضوئي عظيم بشكل استثنائي. تبلغ قوة الإشعاع الشمسي حوالي 10 26 واط. من هذا، يصل حوالي 21017 واط إلى سطح الأرض، ومن هذه القيمة، يتم استخدام حوالي 41013 واط بواسطة كائنات التمثيل الضوئي لتخليق المواد العضوية (Samoilov، 2004). هذه الطاقة تدعم الحياة على الأرض. بسبب ذلك، يتم تصنيع حوالي 7510 10 طن من الكتلة الحيوية سنويًا (محسوبة على الكربون). وفي الوقت نفسه، يتم تثبيت حوالي 41010 طن من الكربون بواسطة العوالق النباتية في المحيط و351010 طن بواسطة النباتات والكائنات الحية الدقيقة التي تقوم بالتمثيل الضوئي على الأرض.

تستهلك البشرية منتجات التمثيل الضوئي على شكل طعام، حيث تتناول المواد العضوية التي تنتجها النباتات بشكل أساسي أو تنتجها بشكل ثانوي الحيوانات التي تأكل النباتات، وعلى شكل وقود، يستخدم 90% منها كمنتجات التمثيل الضوئي المخزنة سابقاً - النفط والفحم. (يتم توفير بقية الطاقة عن طريق محطات الطاقة النووية والكهرومائية).

يتم استخلاص الطاقة المتراكمة بواسطة الكائنات الضوئية واستخدامها لاحقًا في عمليات التغذية والتنفس. عند المرور السبيل الهضمييتم سحق الطعام وتدمير الخلايا وتكسير البوليمرات الحيوية (البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات) إلى مونومرات منخفضة الوزن الجزيئي (الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات والأحماض الدهنية والسكريات)، والتي يتم امتصاصها في الدم في الأمعاء ونقلها. في جميع أنحاء الجسم. منها، تستخرج الخلايا ذرات الهيدروجين التي تحمل إلكترونات عالية الطاقة، والتي يمكن تخزين طاقتها جزئيًا على شكل جزيئات أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). ATP هو مصدر طاقة عالمي، يستخدم مثل البطارية، أينما ومتى يكون من الضروري القيام بالأداء عمل مفيد.

ملخص عن البيئة

المصدر الرئيسي للطاقة الذي يحدد التوازن الحراري والنظام الحراري للمحيط الحيوي للأرض هو الطاقة المشعة للشمس.

تنير الشمس الأرض وتدفئها، وتوفر الطاقة التي تستخدمها النباتات الخضراء لتصنيع المركبات التي تدعم حياتها وتستهلكها جميع الكائنات الحية الأخرى تقريبًا كغذاء. بالإضافة إلى ذلك، تدعم الطاقة الشمسية تداول العناصر الأساسية المواد الكيميائيةوهو القوة الدافعةالأنظمة المناخية والأرصاد الجوية التي تعيد توزيع الحرارة والرطوبة على سطح الأرض.

تنبعث طاقة الشمس إلى الفضاء على شكل طيف من الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء وأشكال أخرى من الطاقة الإشعاعية أو الكهرومغناطيسية.

يصل سطح الأرض بشكل رئيسي إلى مسافة قريبة الأشعة فوق البنفسجية, الضوء المرئيوالقريب الأشعة تحت الحمراء. حوالي 34% من طاقة إشعاع الشمس التي تصل إلى سطح الأرض تنعكس فورًا إلى الفضاء عن طريق السحب والغبار والمواد الأخرى الموجودة في الغلاف الجوي، وكذلك عن طريق سطح الأرض نفسه. وتذهب الأغلبية الساحقة من الـ 66% المتبقية إلى تسخين الجو والأرض والتبخر ودورة المياه، ويتم تحويلها إلى طاقة رياح. ولا تلتقط النباتات الخضراء سوى جزء صغير من هذه الطاقة (0.5%) وتستخدمه في عملية التمثيل الضوئي لتكوين المركبات العضويةضرورية للحفاظ على حياة الكائنات الحية.

الحصة الرئيسية من الضارة الإشعاع المؤينشمس. يتم امتصاص الأشعة فوق البنفسجية بشكل خاص بواسطة جزيئات الأوزون (O3) في الغلاف الجوي العلوي (الستراتوسفير) وبخار الماء في الغلاف الجوي السفلي. وبدون هذا التأثير التدريعي، فإن معظم الأشكال الحديثةالحياة على الأرض لا يمكن أن توجد.

وبالتالي، فإن كل أشكال الحياة على الأرض موجودة بسبب الطاقة الشمسية غير الملوثة والأبدية تقريبًا، والتي تكون كميتها ثابتة ووفيرة نسبيًا.

تستخدم النباتات 0.5% فقط من ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض. وحتى لو اعتمد الناس على الطاقة الشمسية فقط، فإنهم سوف يستخدمونها بشكل أقل. وبالتالي، فإن الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض كافية تمامًا لتلبية أي احتياجات يمكن تصورها للبشرية. وبما أن كل الطاقة الشمسية تتحول في النهاية إلى حرارة، فإن زيادة استخدامها لتلبية الاحتياجات الاقتصادية لا ينبغي أن يؤثر على ديناميكيات المحيط الحيوي. الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة تمامًا، ومتوفرة بكميات لا تنضب وبسعر ثابت (مجاني). ولا يتأثر استلامها بالحصار السياسي والصعوبات الاقتصادية. وفي الوقت نفسه، فهي مبعثرة للغاية: لكي تخدم الإنسانية، يجب أن تتركز، وهذه العقبة يمكن التغلب عليها تمامًا.

عند الحديث عن الطاقة يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الطاقة هي القدرة على إنتاج شغل أو تبادل حراري بين جسمين لهما درجات حرارة مختلفة. تختلف الطاقة من حيث الجودة أو القدرة على القيام بعمل مفيد. جودة الطاقة هو مقياس لفعاليته. طاقة جودة عالية يتميز بدرجة عالية من الانتظام، أو التركيز، وبالتالي القدرة العالية على إنتاج عمل مفيد. ومن أمثلة ناقلات هذه الأشكال من الطاقة الكهرباء والفحم والبنزين والطاقة الشمسية المركزة وكذلك الحرارة المرتفعة وما إلى ذلك. طاقة منخفضة الجودة يتميز بالاضطراب وانخفاض القدرة على إنتاج عمل مفيد. ومن الأمثلة على حامل هذه الطاقة الحرارة المنخفضة الحرارة في الهواء المحيط بنا، في النهر أو البحيرة أو المحيط. على سبيل المثال، الكمية الإجماليةتتجاوز الحرارة في المحيط الأطلسي بشكل كبير كمية الطاقة عالية الجودة الموجودة فيه آبار النفطالمملكة العربية السعودية. لكن الحرارة تتبدد في المحيط لدرجة أننا لا نستطيع استخدامها.

عند الحديث عن الطاقة، يجب أن نتذكر قانونين من قوانين الطبيعة التي تخضع لها الطاقة.

القانون الأول للديناميكا الحرارية (قانون حفظ الطاقة): الطاقة لا تنشأ ولا تختفي، بل تنتقل من شكل إلى آخر. يشير القانون ضمنًا إلى أنه نتيجة لتحولات الطاقة، لا يمكن أبدًا الحصول عليها أكثر مما تم إنفاقه: إن مخرجات الطاقة تكون دائمًا مساوية لمدخلاتها؛ لا يمكنك الحصول على شيء من لا شيء، عليك أن تدفع ثمن كل شيء.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية: أثناء أي تحول للطاقة، يتم فقدان جزء منها على شكل حرارة. عادةً ما تتبدد حرارة درجات الحرارة المنخفضة هذه في البيئة ولا تتمكن من القيام بعمل مفيد.

عندما يحرق البنزين طاقة كيميائية عالية الجودة في محرك السيارة، يتحول حوالي 1% إلى طاقة ميكانيكية وكهربائية، وتتبدد نسبة 99% المتبقية في البيئة كحرارة مهدرة وتضيع في النهاية في الفضاء الخارجي. في المصباح المتوهج، يتم تحويل 5% من الطاقة الكهربائية إلى إشعاع ضوئي مفيد، ويتبدد 95% منها على شكل حرارة في البيئة. وفقا للقانون الأول للديناميكا الحرارية، لا يمكن للطاقة أن تستنفذ أبدا، لأنها لا تفنى ولا تفنى. لكن وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، فإن إجمالي كمية الطاقة المركزة عالية الجودة التي يمكننا الحصول عليها من جميع المصادر تتناقص باستمرار، وتتحول إلى طاقة منخفضة الجودة. ليس فقط أننا لا نستطيع الحصول على شيء من لا شيء، بل لا يمكننا تعطيل محاذاة جودة الطاقة.

معظم سطح الأرض غير منعكس الإشعاع الشمسي، وفقا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، يتم تحويلها إلى درجة حرارة منخفضة الطاقة الحرارية(إشعاع نطاق الأشعة تحت الحمراء "البعيد") ويشع مرة أخرى إلى الفضاء الخارجي؛ تعتمد كمية الطاقة التي تعود إلى الفضاء على شكل حرارة على وجود جزيئات الماء وثاني أكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتريك والأوزون وبعض أشكال الجسيمات في الغلاف الجوي. تعمل هذه المواد كمرشح انتقائي، وتسمح لبعض الأشكال عالية الجودة من الطاقة المشعة من الشمس بالمرور عبر الغلاف الجوي إلى سطح الأرض، وفي الوقت نفسه تحتفظ وتمتص (وتعيد إشعاع) جزء من التدفق الناتج للإشعاع الحراري منخفض الجودة من الأرض.

واحد من أهم الخصائصحالة النظام الديناميكي الحراري هي إنتروبيا (تحويل – <греч.>) - نسبة كمية الحرارة المدخلة أو المستخرجة من النظام إلى درجة الحرارة الديناميكية الحرارية: dS = dQ/T . يمكن القول أن الإنتروبيا تميز كمية الطاقة في النظام غير المتاحة للقيام بالعمل، أي غير متاحة للاستخدام. يتمتع النظام بإنتروبيا منخفضة إذا قام بتبديد الطاقة المنظمة بشكل مستمر وتحويلها إلى شكل آخر أقل تنظيمًا، على سبيل المثال، تحويل الطاقة الضوئية أو الغذائية إلى طاقة حرارية. لذلك، غالبًا ما يتم تعريف الإنتروبيا على أنها مقياس لاضطراب النظام. الميزة الأكثر أهميةالكائنات الحية هي قدرتها على خلق والحفاظ على درجة عالية من النظام الداخلي، أي حالة من الإنتروبيا المنخفضة.

أي جسم ساخن، بما في ذلك الجسم الحي، سوف يطلق الحرارة حتى تتساوى درجة حرارته مع درجة الحرارة بيئة. في النهاية، يمكن تبديد طاقة أي جسم في شكل حراري، وبعد ذلك تحدث حالة من التوازن الديناميكي الحراري، وتصبح أي عمليات طاقة مستحيلة، أي أن النظام يصل إلى حالة من الإنتروبيا القصوى أو الحد الأدنى من النظام.

وحتى لا تزداد إنتروبيا الجسم نتيجة التبدد المستمر للطاقة من خلال تحولها من أشكال ذات درجة عاليةترتيب (على سبيل المثال، الطاقة الكيميائية للغذاء) إلى شكل حراري مع الحد الأدنى من الدرجةالانتظام، يجب على الكائن الحي أن يراكم باستمرار الطاقة المنظمة من الخارج، أي كما لو كان يستخرج "الانتظام" أو الإنتروبيا السلبية من الخارج.

تستخرج الكائنات الحية الإنتروبيا السلبية من الغذاء باستخدام انتظام طاقتها الكيميائية. لكي تتاح للأنظمة البيئية والمحيط الحيوي ككل الفرصة لاستخراج الإنتروبيا السلبية من البيئة، من الضروري دعم الطاقة، والذي يتم الحصول عليه في الواقع على شكل طاقة شمسية مجانية. النباتات في عملية التغذية الذاتية - يتم إنشاء عملية التمثيل الضوئي مادة عضويةمع زيادة المستوىانتظام روابطها الكيميائية، مما يؤدي إلى انخفاض الإنتروبيا. تأكل الحيوانات العاشبة النباتات، والتي بدورها تأكلها الحيوانات المفترسة، وما إلى ذلك.