SYSTEM ALIMENTACYJNY CZŁOWIEKA

Człowiek stanowi niezwykle czułą stację nadawczo-odbiorczą. W żywym organiźmie występuje ciągły przepływ strumienia energii: pobór, wykorzystanie i wydzielanie. Człowiek jako układ samodzielny jest w stanie tworzyć, magazynować i wydatkować energię. Rolę tą pełni system alimentacyjny.

Źródłem energii dla żywego organizmu są pokarmy. Z nich człowiek musi otrzymywać w odpowiednich ilościach i proporcjach niezbędne składniki, które ogólnie można podzielić na:

• białka (syntetyzowane we wszystkich komórkach ustroju zwłaszcza w wątrobie, trzustce, jelitach),
• tłuszcze (spalane w wątrobie, a odkładane w tkance tłuszczowej: zwłaszcza pod skórą i w okolicach brzucha),
• węglowodany, czyli cukry (spalane w mięśniach),
• składniki mineralne,
• witaminy,
• tlen (układ oddechowy i krwionośny).

Składniki pokarmowe pełnią następujące funkcje:

• budulca: białka, sole mineralne (fosfor i wapń),
• energetyczne: białka, węglowodany proste i złożone,
• regulujące: sole mineralne, witaminy rozpuszczalne w wodzie (B,P,C) i w tłuszczach (A,D,E,K).

Piąta część wagi ciała człowieka to białka. Biorą one udział w utrzymaniu równowagi wodnej organizmu. Ich syntetyzowanie (rozkład na przyswajalne i przenikające przez błonę komórkową) jest potrzebne do tworzenia antyciał zwalczających infekcje bakteryjne. Białko jest podstawowym budulcem komórek (cytoplazmy), enzymów, hormonów i hemoglobiny. Człowiek potrzebuje przeciętnie 0,5 g białka /kg swej wagi. W strainach (stanach zagrożenia), przy wykonywaniu ciężkiej pracy fizycznej, w stanach chorobowych i niewłaściwym mikroklimacie, zapotrzebowanie organizmu na białko wzrasta. Promienie Rentgena i nadfioletowe powodują zmiany właściwości fizycznych białka.

Organizm człowieka składa się z pierwiastków jakie występują w wodzie, powietrzu i ziemi. Około 70% wagi jego ciała stanowi woda. Pierwiastki, które występują w większych ilościach nazywane są makroelementami. Są to: węgiel, wodór, sód, potas, wapń i chlor. Pierwiastki występujące w ilościach śladowych zaliczane są do mikroelementów i są to m.in. miedź, cynk, ind, złoto, srebro, mangan, selen, wolfram i magnez. Oba typy zwane są bio pierwiastkami. Mimo, że w organiźmie człowieka stanowią zaledwie 4% jego ciężaru ciała, to rola ich jest ogromna. Zarówno ich niedobór jak i nadmiar powoduje zachwianie równowagi energetycznej organizmu. Szczególnie ważny jest magnez ( 0,004%). Reguluje on ~ 300 procesów metabolicznych w komórce. Jego niedobór powodują m.in. stany emocjonalne, alkohol, zbyt duże ilości czarnej kawy. Ostatnio przeprowadzone badania mieszkańców różnych miast przez naukowców AM w Krakowie i WAT wykazały, że niedobór magnezu występuje prawie u wszystkich badanych i waha się w granicach aż 50%.. Niedobór ten występuje nie tylko u ludzi. Okazuję się, że brakuje go również w glebie, w produktach roślinnych i zwierzęcych. Drugim co do ważności jest wapń (Ca). Służy ono do regeneracji: substancji kostnych, zębów, paznokci, efektów pracy mięśni; ułatwia krzepnięcie krwi, obniża poziom cholesterolu oraz reguluje wiele innych funkcji organizmu. Na jego obecność ma wpływ nie tylko ilość dostarczana, ale również jego stopień przyswajalności. Z kolei miedź (Cu) i cynk (Zn) biorą aktywny udział w procesie wytwarzania hemoglobiny. Cynk poza tym jest odpowiedzialny za prawidłową przemianę białkową i węglowodorową, zwłaszcza w rozwoju całego organizmu (okres wzrostu). Decydującą rolę w przewodnictwie nerwowym odgrywa potas (K) wraz z sodem (Na). Wpływają one także na aktywność mięśni, na regulację równowagi kwasowo-zasadowej i wodnej tkanek, utrzymanie właściwego ciśnienia osmotycznego w płynach ustrojowych itp. Z kolei za równowagę psychiczną człowieka odpowiada lit (Li). Wspomaga on magnez w reakcjach biochemicznych organizmu. Do wytwarzania ciał odpornościowych zmusza organizm obecność selenu (Se). Podobną rolę odgrywa jod (J), zwłaszcza poprzez oddziaływanie na funkcje tarczycy, która oprócz działania immunologicznego, pozwala na odbudowę niezbędnej do życia energii. W metabolizmie tkankowym, ważną rolę odgrywa wiązanie siarkowe. Siarka niezbędna jest do tworzenia połączeń organicznych. Najważniejszym pierwiastkiem energetycznym systemu nerwowego i płciowego jest fosfor (F). Metabolizm fosforu ma związek z hormonem wzrostu. Działa synergiczne z Ca. Podstawowym pierwiastkiem służącym do transportu i kumulowania molekularnego tlenu jest żelazo (Fe). Zapotrzebowanie organizmu na nie zmienia się wraz z wiekiem. Do prawidłowego przyswajania Fe potrzebna jest Cu.

Powyżej została przedstawiona niepełna lista bio pierwiastków oraz niektóre ich funkcje. Nie jest to jednak przedmiotem niniejszych rozważań. Celem było przybliżenie zagadnienia i wskazanie na wagę jaką odgrywa prawidłowe odżywianie w procesach metabolicznych. Na metabolizm ma wpływ pole elektro-magnetyczne magnesu. Działanie obu biegunów jest zróżnicowane. Promieniowanie bieguna N (-) ma działanie pobudzające procesy metaboliczne (wzrost leukocytów), a S (+) - zmniejsza odporność, hamuje metabolizm, opóźnia rozwój żywych organizmów. Zapotrzebowanie kaloryczne organizmu oblicza się na podstawie przemiany materii, która zachodzi w sposób ciągły, nieustający. Wielkość przemiany materii wyrażona jest w kaloriach (cal) lub dżulach (J) i zależy od: wagi, wzrostu, płci, klimatu, ilości spożytego posiłku, rodzaju, charakteru i wielkości wysiłku fizycznego i psychicznego człowieka.

Pośrednia przemiana materii (metabolizm) polega na przyswajaniu jednych i eliminowaniu z ustroju innych substancji chemicznych oraz na wytwarzaniu i zużyciu energii zarówno podczas odpoczynku jak i wysiłku. Stąd wyróżnia się przemianę materii:

• podstawową tzw. spoczynkową (P.P.M.),
• wysiłkową (W.P.M.).

P.P.M.- jest to najmniejsza ilość energii zużywana przez człowieka w stanie spoczynku (możliwie przy całkowitym odprężeniu mięśniowym, w porze rannej, 12 godzin od ostatniego posiłku, w temperaturze otoczenia 20 C).

Zależy ona od: powierzchni ciała, płci, wieku, warunków klimatycznych i czynników wewnętrznych np.: działanie hormonów. Do obliczenia P.P.M. (E ), w kJ /dobę mogą służyć następujące wzory empiryczne. M,K

E_M = 230 + (58 x m) + (21 x h) - (28 x w)

E_K = 268 + (40 x m) + ( 8 x h) - (20 x w)

gdzie:

• M - mężczyźni;
• m - masa ciała (waga) w kg,
• K - kobiety;
• h - wzrost w cm;
• w -wiek w latach.

U osób dorosłych wartość P.P.M. kształtuje się w zakresie 1400¸1700 kcal /dobę i maleje wraz z wiekiem. Podczas pracy umysłowej nie stwierdzono przyrostu energii P.P.M.

W.P.M.- związana jest z każdą czynnością ustroju (zwłaszcza dot. pracy mięśni). Występuje wówczas przyrost energii (W.E.), której wartość zmienia się w zależności od stopnia ciężkości pracy. W odniesieniu do 8 godz. dnia pracy, stopień ciężkości pracy i wartość W.E kształtują się następująco:

... TABELA 11.1.

Stopień ciężkości pracy określony w zależności od wartości wydatku energetycznego (WE) poniesionego przez organizmu podczas wysiłku

Przemiana materii zachodząca w żywym organiźmie obejmuje dwa przeciwstawne procesy metaboliczne:

• anaboliczne (asymilacyjne),
• kataboliczne (desymilacyjne).

Procesy anaboliczne polegają na pobieraniu z krwi substancji pokarmowych i tworzeniu z nich części własnej plazmy czyli tkanki żywej (tworzenie i gromadzenie energii).

Procesy kataboliczne polegają natomiast na rozszczepianiu dużych cząstek na mniejsze, które mogą ulegać hydrolizie i utlenianiu (wydatkowanie energii).

W procesie alimentacyjnym człowieka biorą udział jego układy wewnętrzne:

trawienny, wydalniczy, krwionośny, limfatyczny, oddechowy, mięśniowy i kostny.

...

Układ trawienny

Rolą jego jest przetwarzanie pobranego pokarmu przed jego wchłonięciem i wykorzystaniem. Poszczególne człony tego układu pełnią odrębną, ściśle określoną funkcję, w następującej kolejności:

• w jamie ustnej następuje rozdrobnienie i rozmiękczenie pokarmu śliną, czyli częściowe przetworzenie chemiczne,
• w żołądku pokarm zostaje wymieszany z sokami żołądkowymi oraz ulega dalszemu przetworzeniu chemicznemu,
• wątroba i trzustka rozkłada białka na aminokwasy, czyniąc białko bar-dziej przyswajalnym,
• jelita powodują przesuwanie treści pokarmowej,
• kosmyki jelitowe wchłaniają pokarm tak przetworzony,
• krwioobieg rozprowadza te produkty po całym organiźmie do elementarnych komórek, gdzie następuje przemiana materii.

...

Układ wydalniczy

Rolą jego jest wydalanie szkodliwych produktów przemiany materii, re-gulowanie poziomu H₂O, CO₂, soli mineralnych. Biorą w nim udział:

• układ krwionośny, który odprowadza:

• CO₂, przy czym kierunek odprowadzenia (płuca-tkanki) zależny jest od stężenia CO₂,
• wytworzony w mięśniach na skutek wysiłku kwas mlekowy do wątroby,

• układ oddechowy, który odprowadza zużyte powietrze, czyli CO₂i H₂O.
• nerki - odprowadzają mocznik NaHCO₂, H₂O, sole mineralne,
• wątroba, gdzie przy pomocy tlenu syntezuje kwas mlekowy na glukozę,
• część końcowa tego układu usuwa na zewnątrz nieprzyswajalne części pożywienia,
• skóra - wydala: pot, mocznik, amoniak, sole mineralne, wodę.

Utrata H₀ dla organizmu stanowi bardzo duże zagrożenie. Już 10% utrata 2stanowi duże ryzyko, a 20-22% oznacza śmierć.

...

Układ krwionośny

Elementami składowymi tego układu są:

• serce, stanowiące z mechanicznego punktu widzenia pompę ssąco-tłoczącą,
• naczynia krwionośne stanowiące drogę transmisyjną, rozprowadzające krew do każdej komórki organizmu.

Serce wykonuje nieustającą pracę. Polega ona na stałym, rytmicznym i naprzemiennym kurczeniu się i rozkurczaniu obu przedsionków i obu komór (0,3 sek. pracy i 0,2 sek. pauzy). By przetransportować całą ilość krwi ( 1/20 - 1/13 masy ciała), musi serce wykonać 28 skurczy. Liczba skurczów serca na minutę nosi nazwę tętna. Dla odpoczywającego człowieka wartość ta kształtuje się w granicach 60-70 uderzeń /min. Wzrasta wraz z wysiłkiem. Ilość krwi wytaczanej z komory serca w czasie pojedynczego skurczu nazywa się objętością wyrzutową serca. Ilość krwi przepływająca przez komorę w ciągu 1 minuty nazywa się objętością minutową (ok.4¸5 litrów). W czasie wykonywania intensywnej pracy fizycznej objętość minutowa wzrasta nawet do 35 litrów. Krew krąży w naczyniach krwionośnych. Te, które dostarczają krew (ciemną) do serca nazywane są żyłami. Tętnicami natomiast krew (jasna)jest odprowadzana. W 55% krew stanowi osocze, resztę - substancje morfotyczne (krwinki czerwone - erytrocyty, białe - leukocyty i płytki krwi - trombocyty). Przepływająca w organiźmie krew spełnia następujące funkcje:

• utrzymuje środowisko wewnętrzne ustroju na stałym poziomie,
• do każdego miejsca ciała dostarcza: substancje odżywcze, tlen, hormony, i przeciwciała,
• odprowadza stamtąd zbędne produkty przemiany materii (CO2, mocznik),
• utrzymuje stały, substancjalny kontakt pomiędzy wszystkimi częściami ciała,
• wyrównuje: różnice temperatur różnych okolic ciała, ciśnienie osmotyczne i stężenie jonów wodorowych (pH) we wszystkich tkankach,
• rozprowadza po całym organiźmie wszelkie substancje chemiczne dostające się do krwioobiegu,

W organiźmie człowieka można wyróżnić dwa rodzaje obiegu krwi:

• mały (od P komory do L przedsionka), tzw. płucny (w pęcherzykach płucnych następuje proces utleniania krwi),
• duży (od L komory do P przedsionka), który rozprowadza różne substancje po wszystkich komórkach czy też tkankach ustroju.

Obraz zmian czynnościowych układu krążenia podczas pracy mięśniowej zależy od: rodzaju i intensywności wysiłku, pozycji ciała, użytych mięśni, czynników materialnych środowiska pracy. Objętość wyrzutowa serca jest o około 2 l /min większa dla pozycji stojącej niż leżącej. Podczas wysiłku zmienia się rozmieszczenie krwi w organiźmie (z wyjątkiem mózgowego). W pracujących mięśniach i skórze wzrasta, a zmniejsza się w obszarach naczyniowych układu trawienia. Podczas wysiłku ciśnienie skurczowe krwi wzrasta proporcjonalnie do jego intensywności, natomiast rozkurczowe nie zmienia się raczej. Większa jest reakcja układu krążenia gdy pracują mniejsze grupy mięśniowe niż większe. Przyczyną jest obciążenie statyczne.

...

Rys. 11.1. Schemat przepływu krwi przez poszczególne narządy, w stanie spoczynku

...

Układ limfatyczny

Jest on układem otwartym. Systemem bardzo cienkich naczyń przenika przez całe ciało. Istniejące w nich zastawki uniemożliwiają cofanie się płynu. Lokalne mięśnie powodują powolny przepływ limfy. Występujące w naczyniach limfatycznych węzły chłonne wytwarzają limfocyty i działają jak filtry, chroniąc je przed infekcjami. Limfa jest cieczą bezbarwną (15 l). Bierze udział w transporcie pokarmu, odpadów i rozkładu tłuszczy.

...

Układ oddechowy

Oddychanie jest to proces wymiany gazów związanych z produkcją energii w organiźmie: pobieranie 0₂ i usuwanie C0₂. W skład układu oddechowego wchodzi kilka narządów, pełniących ściśle określone funkcje:

• nos i jama nosowa - oczyszczanie powietrza,
• gardło - transport powietrza do krtani,
• tchawica - transport powietrza do oskrzeli,
• oskrzela - rozprowadzenie powietrza do oskrzelików,
• pęcherzyki płucne - wymiana gazowa.

U człowieka można wyróżnić dwa rodzaje oddychania:

• płucne, gdzie następuje wymiana gazów między otoczeniem a krwią w pęcherzykach płucnych, zwane zewnętrznym,
• tkankowe, gdzie wymiana gazów zachodzi pomiędzy krwią a tkankami, zwane wewnętrznym.

Wymiana gazów (CO₂ i O₂) odbywa się także i przez skórę, ale tylko w 1 %.

Stanowi ona łącznik organizmu ze środowiskiem. Poza braniem udziału w oddychaniu (tzw. poza komórkowym) pełni również funkcje ochronne przed wpływem otoczenia oraz termoregulacyjne. Ilość powietrza wchodzącego do płuc równa jest ilości powietrza wychodzącego. Nosi nazwę objętości oddechowej (Obj. odd.). Pomnożona przez częstość oddechową (fodd.) /min daje obraz wentylacji minutowej płuc.

W stanie spoczynku: Obj. odd. ~ 0,5 l, a fodd.~ 14/min.

Zróżnicowanie objętości powietrza w płucach w zależności od jego przezna-czenia przedstawia poniższa tabela:

... TABELA 11.2.

Udział części składowych w całkowitej pojemności płuc

Ilość pobieranego O₂ z powietrza jest wprost proporcjonalna do intensywności wysiłku fizycznego, ale tylko do pewnego momentu, po prze-kroczeniu którego, pochłanianie tlenu stabilizuje się (zjawisko adaptacji) mimo dalszego nań zapotrzebowania. Zostaje wówczas osiągnięta maksymalna zdolność pochłaniania. Granicę tę stanowi tzw. maksymalny pobór tlenu. Ta równowaga czynnościowa zwykle występuje po 6-12 min. wysiłku. Przy przedłużaniu się wysiłku, mimo, że pochłanianie jest stałe, może rosnąć wartość tętna. Człowiek podczas wykonywania intensywnej pracy fizycznej, wymagającej większego nakładu pracy niż jego możliwości, zaciąga tzw. dług tlenowy. Jest to różnica pomiędzy zapotrzebowaniem a ilością dostarczoną, którą spłaca po zakończeniu wysiłku, gdyż organizm stale dąży do równowagi hemodynamicznej. Czas spłacania długu trwa od momentu jego wystąpienia do chwili powrotu parametrów fizjologicznych do stanu równowagi. Nosi on nazwę czasu restytucji, czyli odnowy. Zbyt duże obciążenie związane z pracą powyżej progu maksymalnego poboru 0₂ może pro-wadzić do znacznego wyczerpania organizmu, a w skrajnych przypadkach, do śmierci włącznie.

Wysiłkowy wzrost wentylacji płuc jest wynikiem zarówno głębokości oddechów (przy małych wysiłkach), jak i ich częstości (duże wysiłki). Wprost proporcjonalna zależność wentylacji płuc od intensywności, utrzymuje się jedynie do 70% obciążenia maksymalnego. Wartość ta zależna jest od stopnia wytrenowania, płci i grupy mięśniowej wykonującej pracę.

Chemiczna regulacja oddychania związana jest z ciśnieniem: dwutlenku węgla (pCO₂) i tlenu (pO₂). Czynnikiem regulującym intensywność oddychania jest stężenie jonów wodorowych oznaczone przez pH. W sytuacjach prawidłowych, stężenie to wynosi pH=7. Występuje wówczas równowaga stężeń: CO₂ i NaHCO₃. Stałą kontrolę tych stężeń w organiźmie prowadzi tzw. system buforowy. I tak np. w przyp.:

• wstrzymania oddechu, kiedy wzrasta stężenie NaHCO₂ i występuje niedobór O₂, powoduje on zablokowanie naszej woli,
• głębokiego oddechu, kiedy spada stężenie CO₂, a wzrasta O₂, również blokuje naszą wolę.
• przebywania w klimacie z niedoborem O₂, kiedy następuje wzrost NaHCO₂, przy długotrwałym stanie zachwiania wartości pH, następuje w szpiku kostnym wzmożona produkcja hemoglobiny (czerwone ciałka krwi), która jest nośnikiem O₂. Następuje to jednak z pewnym przesunięciem czasowym trwającym zwykle od 2 do 4 tygodni.

Z zachwianiem równowagi hemodynamicznej ustroju wiążą się następujące reakcje obronne organizmu:

• przy niedoborze O₂ : wyraźne zaburzenia ośrodkowego układu nerwowego: zachwianie koordynacji ruchów, drżenie mięśniowe, drgawki, wzmożony oddech, silne wydzielanie potu, wzrost temperatury ciała, utrata przytomności, spadek wydajności pracy,
• przy nadmiarze O₂: do 60% - nie jest szkodliwy, powyżej - powoduje podrażnienie dróg oddechowych, nieżyt śluzówki i kaszel,
• przy nadmiarze CO₂ : obciążenie ośrodkowego układu nerwowego i mięśni oddechowych, zawroty głowy, utrata przytomności (przy dużych stężeniach), spadek wydajności pracy.

...

Układ mięśniowy

Własnością tkanki mięśniowej jest zdolność kurczenia się. Mechanizm skurczu mięśnia związany jest ze zmianami chemicznymi: polaryzacją i depolaryzacją jonów wapniowych i sodowych poprzedzających skurcz. Po nim następuje jego rozkurcz. Rozróżnia się 3 rodzaje skurczów:

• izotoniczny, w czasie którego mięsień ulega skróceniu bez zmiany jego napięcia,
• izometryczny, charakteryzujący się wzrostem napięcia mięśnia bez zmiany jego długości,
• auksotoniczny - jednoczesne zbliżanie przyczepów mięśnia i wzrost napięcia.

Mięsień nie rozciągnięty kurczy się z małą siłą. W miarę rozciągania mięśnia, skurcze stają się coraz silniejsze, aż do optymalnego, kiedy siła skurczu jest maksymalna. Słabe bodźce działają jedynie tylko na część komórek mięśniowych. Dopiero skurcz maksymalny jest w stanie pobudzić wszystkie.

Źródłem energii pracy mięśni jest proces spalania składników odżywczych (fosfokreatyny, glikogenu mięśniowego, glukozy z krwi i wolnych kwasów tłuszczowych) aż do końcowych postaci, tj. wody i C02. O stopniu wykorzystania składników odżywczych decyduje: ich skład, intensywność i czas trwania wysiłku, stopień wytrenowania oraz stan zdrowotny organizmu. W trakcie spoczynku, jako źródło energii, mięśnie wykorzystują prawie wyłącznie tłuszcze. Glukoza z krwi jest wykorzystywana wówczas głównie przez układ nerwowy. Podczas wysiłku wydatek energetyczny (WE) jest pokrywany w znacznej mierze przez metabolizm węglowodanów i wolnych kwasów tłuszczowych. Przy bardzo intensywnych wysiłkach, głównym źródłem energii jest glikogen mięśniowy. Zasoby węglowodanów stanowią: glikogen mięśniowy i wątrobowy, glukoza osocza krwi oraz syntetyzowana w wątrobie z mleczanu i innych kwasów. W zależności od rodzaju wykonywanej pracy mogą występować procesy spalania tlenowego i beztlenowego. W przypadku szybko narastającego wysiłku fizycznego, dostarczenie tlenu do komórek mięśniowych nie nadąża za zapotrzebowaniem. Ma miejsce wówczas spalanie beztlenowe, które w porównaniu z fazą tlenową jest znacznie ograniczone, ze względu na spadek pH, w skutek gromadzenia się w komórce mleczanów. W komórce mięśniowej energia wytworzona ze spalania glukozy jest w 20-25% wykorzystana na pracę mechaniczną związaną ze skracaniem mięśnia. Reszta zamieniana jest na energię cieplną. Całkowita energia cieplna powstająca w komórce mięśniowej jest wynikiem zarówno spoczynkowego (PPM) jak i wysiłkowego (WPM) metabolizmu wewnątrzkomórkowego.

W przypadku wyczerpania się rezerw w mięśniu, glukoza dostarczana jest (przez krwiobieg) z wątroby, gdzie kwas mlekowy jest ponownie w nią syntetyzowany. Nadmierne nagromadzenie kwasu mlekowego w mięśniu powstaje nie tylko przy niedostatku O2 podczas spalania glukozy, ale także w wyniku małego krążenia krwi, co ma miejsce podczas pracy statycznej. Nato-miast praca dynamiczna ożywia to krążenie. Produkty uboczne metabolizmu jednej grupy komórek mogą zatem być wykorzystywane jako substrakty energetyczne przez inną grupę komórek lub narząd.

... TABELA 11.3.

Granice zmian niektórych parametrów fizjologicznych człowieka pod wpływem wysiłku

... TABELA 11.4.

Dynamika zmian parametrów fizjologicznych człowieka obciążonego Pracą fizyczną zróżnicowana na skutek jego stopnia wydolności