Итак, мы убедились, что все организмы подчиняются законам физики и жестко ограничены универсальными принципами, которые действуют в любом масштабе, начиная с целого организма, заканчивая молекулярным и субатомным уровнем. И конечно же, человеческий организм не исключение.

Если мы с вами говорим про еду, то в этом контексте главным законом, конечно, является первый закон термодинамики или закон сохранения энергии [26]. Он гласит: «Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, но может быть преобразована из одной формы в другую». А мы уже выяснили, что для нас источником энергии является пища. И, судя по написанному выше, из ниоткуда еда возникнуть не может. Мы должны где-то ее найти, купить или отобрать и съесть. А организм уже может использовать полученную энергию по трем направлениям: запасти в виде жира, преобразовать в АТФ для последующего использования или рассеять в виде тепла [27].

А так как все потребляемые нами продукты отличаются друг от друга, возникает вопрос, как же измерить и понять, сколько энергии содержится в той или иной еде. И об этом мы поговорим с вами далее.

Может показаться, что расчеты количества энергии – это просто какие-то математические заморочки. Но так как еда содержит основные компоненты (белки, жиры, углеводы) в разных пропорциях, они имеют очень важное практическое применение. Как минимум благодаря расчетам есть возможность оценить, насколько питательны имеющиеся запасы продовольствия. А как максимум – проанализировать рационы населения (или даже отдельных лиц) и понять, соответствуют ли имеющиеся в магазинах продукты их потребностям. Поэтому оценка энергетической ценности еды имеет важное значение для социально-экономической сферы и для здравоохранения.

ПОДСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ПРОДУКТОВ ПОМОГАЕТ РЕШИТЬ ДВЕ ПРОТИВОПОЛОЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ – ЭТО НЕДОЕДАНИЕ И ОЖИРЕНИЕ. Недостаточное потребление энергии (недоедание) по-прежнему ограничивает потенциал людей, а избыточное все чаще приводит к очень высокой распространенности ожирения (с сопутствующими ему осложнениями) во всех социально-экономических слоях как в развивающихся, так и в развитых странах. На данный момент, покупая продукты, например, в супермаркете, на упаковках можно встретить такие обозначения, как калории и джоули. Что это такое и как их определяют? Давайте разбираться.

Главный источник [28], который нам в этом поможет, – документ ФАО, который называется «Пищевая энергия – методы анализа и коэффициенты пересчета». И начнем мы с такой единицы измерения, как калория. Кстати, она не является стандартизированной. «Стоп, погоди, как это не является? На упаковке с пельменями же написано», – спросите вы. Да, но дело в том, что в системе международных единиц СИ есть джоуль (Дж), а калории нет.

Напомню, что такое СИ (от французского Système International d’Unités) – современная метрическая система измерения. Она была учреждена в 1960 году XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Эта конференция является международным органом, обеспечивающим широкое распространение СИ и модифицирующим ее по мере необходимости, чтобы отражать последние достижения в области науки и технологий.

Полное официальное описание системы вместе с ее толкованием содержится в действующей редакции Брошюры СИ [29], которая издается на французском языке с 1970 года.

СИ была создана французскими учеными и впервые широко внедрена после Великой французской революции. До введения метрической системы единицы выбирались независимо друг от друга, поэтому пересчет из одной в другую был сложным. Особенно неудобно было все это использовать в международной торговле, когда одни продавцы взвешивают апельсины (например) в килограммах, а другие в каких-нибудь чашках. А сейчас, если мы откроем Брошюру СИ, мы увидим килограммы, амперы, ватты, джоули и другие единицы измерения с описанием, символами, международными обозначениями. Как говорится, «удобненько».

Несмотря на рекомендацию более 30 лет назад использовать для обозначения энергетической ценности продукта только джоули, многим ученым и неученым потребителям до сих пор трудно отказаться от использования калорий. Да нам это и не так принципиально.

Если мы будем вместо калорий считать джоули, в морковке все равно не появится больше энергии, чем в чипсах. А было бы неплохо, особенно если чипсы со вкусом сыра… ой, что-то мы отвлеклись.

Итак, энергию пищи можно выразить в джоулях и калориях. А теперь давайте поговорим о том, как же измеряют эту энергию. Ведь на продуктах, которые мы покупаем, уже указаны какие-то значения, значит, эти цифры не спускаются на скрижалях с небес, а их как-то вычисляют. Теоретическое максимальное содержание энергии в пище можно измерить с помощью бомбовой калориметрии. Почему только теоретическое? А потому что наш организм не механизированное устройство и, соответственно, пища может перевариться и усвоиться не вся. Часть энергии теряется с мочой, фекалиями. Но об этом чуть позже. Пока давайте рассмотрим, что представляют собой эти устройства для измерения энергии пищи. А для этого минуточка истории.

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.