Л.Н. СКЛЯРЕВСКАЯ,
учитель биологии,
С.А. МИШЕЧКИНА,
учитель химии, биологии
СОШ № 2, г. Усть-Джегута,
Карачаево-Черкесская Республика

Энергетический обмен и рациональное питание

(интегрированный урок по биологии и химии)

Цели урока: раскрытие единства живой и неживой природы на примере всеобщности закона сохранения энергии; ознакомление с проблемами питания в современном мире, энергетикой питания и основными принципами рационального питания.

Оборудование: таблицы «Законы сохранения в микромире», «Закон сохранения и превращения в биологических и химических реакциях», «Превращение энергии», «Оценка затрат энергии организмом по задержке дыхания», «Примерные нормы затрат энергии у людей разных профессий», «Примерные нормы суточной потребности людей в питательных веществах», «Раскладка для полдника», «Можно ли накормить человечество?», «Синтетическая пища»; плакаты с высказываниями: «Нужно есть для того, чтобы жить, а не жить для того, чтобы есть» (Сократ), «Никто не должен переступить меру ни в пище, ни в питии» (Пифагор); эпиграф к уроку – «Человек есть то, что он ест»
(В.В. Вересаев).

Вопросы, рассматриваемые на уроке

1. Единство живой и неживой природы.
2. Превращение энергии в организме.
3. Энергозатраты организма в состоянии покоя и при выполнении работы.
4. Расход энергии у людей разных профессий.
5. Определение норм питания в зависимости от энергетических затрат (лабораторная работа).
6. Основы рационального питания.
7. Проблемы питания в современном мире.

ХОД УРОКА

Учитель биологии. Изучение темы нашего урока связано с понятием единства живой и неживой природы. В чем оно проявляется?

Ученик. Единство живой и неживой природы проявляется в том, что органические вещества состоят из тех же химических элементов, что и неорганические соединения. Бактерии и растения синтезируют органические вещества из неорганических, а животные и человек используют эти вещества в процессе жизнедеятельности. Конечные продукты распада и окисления снова усваиваются растениями и бактериями. Кроме того, в живой и неживой природе действуют одни и те же физические и химические законы.

Учитель биологии. Таким образом, организм человека получает необходимые ему вещества из окружающей среды и выделяет в нее продукты жизнедеятельности. Как называется этот процесс?

Ученик. Этот процесс – обмен веществ.

Учитель биологии. Как протекает этот процесс?

Ученик. Этот процесс протекает непрерывно.

Учитель химии. Непрерывный обмен веществ и энергии организма с окружающей средой является наиболее постоянным и существенным признаком жизни. Именно об этом писал Ф.Энгельс в своей книге «Диалектика природы»: «…жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой…». Определение жизни, данное Энгельсом, не потеряло своей актуальности и в наши дни. В нем раскрывается материальная сущность жизни, единство живой и неживой природы.
В наших организмах непрерывно идет обмен веществ, в основе которого лежат сложные химические реакции. Все, на что способен человек, будь то простое движение или сложная работа мозга и других органов – это результат химических реакций, постоянных перегруппировок, соединений и разъединений атомов.
Любая химическая реакция идет с поглощением или выделением энергии в форме теплоты. Как по этому признаку классифицируют реакции?

Ученик. Эндотермические реакции идут с поглощением теплоты, а экзотермические – с ее выделением.

Учитель химии. Одним из важных компонентов пищи являются богатые энергией соединения – углеводы, в частности глюкоза. Учитывая, что формула глюкозы С6Н12О6, а реакция ее окисления экзотермическая, составьте уравнение реакции ее полного окисления.

Ученик. Реакция окисления глюкозы имеет вид:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ­-> 6CO₂ + 6H₂O + Q.

Учитель химии. Энергия, запасенная в химических связях глюкозы, выделяется при ее окислении в форме теплоты. Большое количество энергии заключено и в химических связях белков и жиров. Эта энергия используется в процессах жизнедеятельности организма. Давайте посчитаем, чему равен тепловой эффект реакции, если при окислении 631 г глюкозы до углекислого газа и воды выделилось 10069,944 кДж тепла.

Ученик (решает задачу у доски).

Дано:

Q₁ = 10069,944 кДж
m (С₆Н₁₂О₆) = 631 г.
________________
Q₂ = ?

Решение:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ­-> 6CO₂ + 6H₂O + Q₂
180 г                                     х кДж
631 г                                     10069,944 кДж

М(С₆Н₁₂О₆) = 180 гЧмоль–1
х (Q₂) = 180 x 10069,44 : 631 = 2872
Составим термохимическое уравнение:
С₆Н₁₂О₆ +  6О₂ ­-> 6CO₂ + 6H₂O – 2870 кДжЧмоль^–1.
Поскольку реакция экзотермическая, т.е. теплота выделяется в ходе реакции, то тепловой эффект отрицателен.

Учитель химии. Выделившуюся энергию можно выразить в килокалориях. Рассчитайте тепловой эффект этой реакции, если 1 ккал = 4,19 кДж.

Ученик. 1 ккал = 4,19 кДж,
х ккал = 2872 кДж.
Отсюда х = 1 ккал ґ 2872 кДж : 4,19 кДж;
х = 685,4 ккал.
Следовательно, тепловой эффект реакции Q = – 685,4 ккалЧмоль^–1.

Учитель химии. Итак, расчеты показали, что при окислении 1 моль (180 г) глюкозы в организме высвободится 2872 кДж, или 685,4 ккал, энергии. Но в организме наряду с процессами выделения энергии идут и сложные процессы ее превращения.

Учитель биологии. Так, эта энергия может превращаться в электрическую (например, энергию нервного импульса, который обеспечивает передачу информации по нервным волокнам), механическую (сокращение мышц), энергию химических связей других соединений, необходимых для роста организма, и т.п. В конечном итоге все виды энергии переходят в тепловую.

Учитель химии. В соответствии с законом сохранения и превращения энергии все виды энергии переходят друг в друга в строго эквивалентных количествах. При химических реакциях, протекающих в организме, выделение или поглощение теплоты связано с разницей суммарных энергий связей продуктов реакции исходных веществ. При этом тепловой эффект реакции не зависит от того, через какие промежуточные стадии исходные вещества превращаются в продукты реакции (закон Гесса – следствие закона сохранения и превращения энергии).
На что же расходуется энергия, высвобождающаяся в реакциях окисления, идущих в организме?

Ученик. Часть энергии используется на поддержание постоянной температуры тела, а избыток теплоты организм передает в окружающую среду.

Учитель биологии. Верно, в среднем 54% этой энергии переходит в потенциальную и в дальнейшем используется клеткой, а 46% рассеивается в виде тепла.

Учитель химии. При всем многообразии химических реакций в организме можно выделить единый принцип, характеризующий химическую сторону всех процессов, это принцип сохранения энергии и массы – универсальный закон природы, названный Д.И. Менделеевым «законом вечности», т.к. ему подчиняется весь известный нам мир. Вспомните, о чем говорится в этом законе?

Ученик. Материя и энергия не зарождаются и не исчезают, а только видоизменяются.

Учитель химии. Кто впервые его высказал? Когда?

Ученик. В 1764 г. Михаил Васильевич Ломоносов.

Учитель химии. Этот объединенный закон впервые высказал Ломоносов в письме к Эйлеру, правда, используя слово «движение» вместо «энергия», но тогда понятия «энергия» еще не было. Лишь через 80 лет закон сохранения энергии был сформулирован (Майером, Джоулем и Гельмгольцем) в том виде, который мы используем и сейчас. Закон этот утверждает, что энергия не исчезает, а только переходит из одной формы в другую в эквивалентных количествах. Для живых организмов этот закон также справедлив, и его можно сформулировать так: «В результате окислительных химических реакций в клетках организма освобождается энергия, которая расходуется на:

– совершение механической работы;
– пополнение энергетических запасов организма;
– тепловые потери».

Клетка и в целом организм – это открытые системы, т.е. они способны осуществлять обмен энергией и веществом с окружающей средой.

Учитель биологии. Так как жизнедеятельность организмов всегда связана с обменом веществ и превращением энергии то естественно возникает вопрос: каковы же энергозатраты организма? Об этом расскажет врач.

Врач (учащийся). Мною было проведено исследование по определению энергозатрат организма по задержке дыхания до нагрузки и после. Испытуемые в положении сидя задерживали дыхание на максимальный срок, составивший 65, 55 и 75 с. Затем им было предложено сделать 10 приседаний и сразу после этого снова задержать дыхание на максимальный срок. Теперь он составил 26, 20 и 23 с. Сравнив данные в первом и втором случаях, можно сделать вывод, что при физической нагрузке в результате распада органических веществ и их окисления в крови накапливается больше углекислого газа, чем в состоянии покоя, вследствие чего во втором случае удается задержать дыхание на меньший промежуток времени. Таким образом, при физической нагрузке расход энергии возрастает.

Определение энергозатрат организма по задержке дыхания

Учитель химии. Давайте определим расход энергии, а также объем кислорода, содержащегося в объеме воздуха, который человек вдыхает за 1 ч, если совершает 16 вдохов в 1 мин. Массовая доля кислорода во вдыхаемом воздухе составляет 21%, в выдыхаемом – 16%, количество энергии при поглощении 1 л кислорода равно 20,42 кДж, дыхательный объем легких человека составляет 500 см3.

Дано:

V (дыхательный) = 500 см³
% (О₂)₁ = 21% = 0,21
% (О₂)₂ = 16% = 0,16
t = 1 ч = 60 с
Е (1 л О₂) = 20,42 кДж
__________________
V (O₂) – ?
Е (расход.) – ?

Решение:

1) V (возд.) = (500 см³ x 16 : 1 мин) x 60 мин = 480 x 103 см³ = 480 л
2) V (О₂) = 480 л x (0,21– 0,16) = 24 л (за 1 ч получает человек)
3) 1 л (О₂) – 20,42 кДж
24 л (О₂) – х кДж
x = 24 л x 20,42 кДж = 490,08 кДж
1 л = 490,08 кДж (расход энергии)
4) 1 ккал – 4,19 кДж
х ккал – 490,08 кДж
х = 1 ккал x 490,08 кДж : 4,19 кДж = 116,96 ккал

Ответ: при дыхании человека в течение 1 часа поглощается 24 л О₂, а энергозатраты равны 116,96 ккал.

Учитель биологии. Вы сейчас решали задачу, думали. На это также была потрачена энергия.

Учитель химии. Рассчитаем удельное энергопотребление мозга. Энергопотребление обычного человека составляет в среднем 3000 ккал в сутки. Предположим, что масса тела без мозга равна 60 кг, а масса мозга 1,5 кг, причем мозг в сутки потребляет около 20% всей энергии.

Ученик-консультант.

Е (человека) – 3000 ккал
m₁ (мозга) – 1,5 кг
m₂ (тела без мозга) – 60 кг
Е (мозга) = 20% от Е (человека) = 0,2ЧЕ (человека)
_______________________
Е₁ (потребляет мозг в сутки) – ?
Е₂ (потребляет 1 кг массы мозга) – ?
Е₃ (потребляет тело) – ?
Е₄ (потребляет 1 кг массы тела) – ?

Решение:

Е₁ = 3000 Ч 0,2 = 600 (ккал) (потребляет мозг в сутки)
Е₂ = 600 : 1,5 = 400 (ккал) (потребляет 1 кг массы мозга)
Е₃ = 3000 – 600 = 2400 (ккал)
Е₄ = 2400 : 60 = 40 (ккал),
n = E₂/E₄ = 400 ккал : 40 ккал = 10.
Е₂ > Е₄ в 10 раз.

Вывод. Расчет наглядно показал, что 1 кг массы мозга потребляет в 10 раз больше энергии, чем 1 кг остальных частей тела. Следовательно, мышление требует больших энергетических затрат.

Учитель биологии. Как вы думаете, одинаковы или нет энергозатраты у людей разных профессий?

Ученик. Энергозатраты будут разными.

Учитель биологии. Верно! Некоторые данные об энергозатратах людей разных профессий приведены в таблице (комментирует таблицу).

Примерные нормы затрат энергии людей разных профессий

Эта таблица позволяет определить, сколько энергии тратят в сутки люди той или иной профессии, и установить для этих групп нормы питания. Эти нормы приведены в следующей таблице (комментирует таблицу).

Примерные нормы суточной потребности людей в питательных веществах

Учитель химии. Из таблицы видно, что человеку, профессия которого не связана с физическим трудом, следует потреблять 433 г углеводов в сутки. Если предположить, что все они окислятся до конечных продуктов, то сколько же человек получит энергии?
(1 г углеводов выделяет при окислении в среднем 17,6 кДж).

Ученик (решает задачу на доске).

Дано:

m₁ (углевода) = 433 г
m₂ (углевода) = 1 г
Q₂ = 17,6 кДж
________________
Q₁ = ?

Решение:

433 г (углевода) – Q₁ кДж
1 г (углевода) – 17,6 кДж
Q₁ = 433 г x 17,6 кДж : 1 г = 7621 кДж

Ответ: Q₁ = 7621 кДж.

Учитель биологии. Кроме углеводов в определенных случаях источником энергии являются и белки, и жиры.

Учитель химии. Рассчитаем, сколько энергии выделится в организме человека при полном окислении месячной нормы 1,2 кг потребляемых жиров, если при окислении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии.

(Ученики решают задачу на местах, один из учеников – на переносной доске, чтобы не видел класс. Затем проверяем решение.)

Ученик (решает задачу на доске).

Дано:

m₁ (жира) = 1,2 кг = 1200 г
m₂ (жира) = 1 г
Q₂ = 38,9 кДж
______________________
Q₁ = ?

Решение:

1 г (жира) – 38,9 кДж
1200 г (жира) – х кДж (Q₁)
Q₁ = 1200 x 38,9 : 1 г = 46 680 кДж

Учитель химии. Что можно сказать, сравнив ответы двух последних задач? Какие вещества более ценны с точки зрения энергетики, углеводы или жиры?

Ученик. И углеводы, и жиры являются источниками энергии, но при окислении 1 г жира выделяет больше энергии, чем при окислении 1 г углеводов, т.е. жиры являются основным энергетическим депо организма, однако, углеводы легче усваиваются организмом и легче окисляются.

Учитель биологии. Чтобы организм нормально функционировал, мы должны правильно питаться. Для этого надо уметь составлять свой пищевой рацион. Зная пищевую ценность продуктов, а также нормы их расхода на одну порцию в граммах можно составить правильный рацион. Попробуйте сами рассчитать калорийность полдника, зная что на завтрак должно приходиться 25%, на обед 50%, на ужин 10% энергообеспечения. Энергозатраты подростка составляют 3500 ккал в сутки.

Ученик (решает задачу у доски).

1. Находим % энергосодержания полдника:

100% – (25% + 50% + 10%) = 15%.

2. Находим количество энергии (в ккал) для полдника:

100% – 3500 ккал
15% – х ккал
х = 15% x 3500 ккал : 100% = 525 ккал

Учитель биологии. Попробуйте, используя полученный результат и пользуясь таблицей, составить рацион полдника.

Раскладка для полдника

(Каждый самостоятельно работает в тетради. По указанию учителя часть учащихся сдает тетради для проверки. Двое учащихся предлагают свои решения.)

Ученик (предлагает рацион полдника).

1. Хлеб – 126,5 г (285,9 ккал)
2. Сыр – 15 г (57 ккал)
3. Масло – 10 г (66,1 ккал)
4. Молоко – 200 г (116 ккал)

Итого: 525 ккал

Учитель биологии. Как видно из расчета, питание должно быть нормировано. Норма питания восполняет энергетические нужды организма, его рост, обеспечивает работоспособность человека и его сопротивляемость инфекционным заболеваниям. А теперь поговорим об основах рационального питания. Слово нашему консультанту.

Консультант. Ни один продукт не может полностью удовлетворить потребность организма во всех необходимых ему веществах, поэтому питаться нужно разнообразно, регулярно, но не переедать. Еще И.П. Павлов говорил: «Если чрезмерное увлечение едой есть животность, то высокомерное невнимание к еде, есть неблагоразумие...». Справедливо и утверждение Сократа: «Нужно есть для того, чтобы жить, а не жить для того, чтобы есть».
К основным принципам рационального питания можно отнести следующие.

1. Количество энергии, поступающей с пищей, должно соответствовать энергозатратам организма.
2. Пища должна удовлетворять потребности организма в количественном и качественном составе.
3. Режим питания должен быть организован так, чтобы организм:

– получал порции энергии и питательных веществ только по мере необходимости;
– успевал справляться с работой по переработке пищи и выводу отходов;
– имел возможность отдохнуть.

Следовательно, для сохранения здоровья и работоспособности человека пища должна полностью восстанавливать то количество энергии, которое он затрачивает в течение суток. Меньшее количество пищи приводит к истощению, а большее количество приводит к ожирению.

Учитель биологии. Поэтому справедливо утверждение В.В. Вересаева, ставшее эпиграфом нашего урока: «Человек есть то, что он ест».

Учитель химии. Из всего сказанного следует, что необходимо питаться рационально, и мы к этому должны стремиться. Однако обеспечение быстро растущего населения Земли продовольствием – одна из наиболее сложных глобальных задач. Ее решение связано со многими экономическими и социальными проблемами. О том, можно ли накормить человечество, нам расскажет юный химик, а вы на листах составьте, пожалуйста, тезисы по его выступлению, которые затем будут выборочно оценены.

Юный химик. Можно ли накормить человечество? Этот вопрос задавали себе химики издавна и пытались найти решение этой проблемы. Еще Бертло прогнозировал «химическую индустрию жизни». А Д.И. Менделеев писал: «Как химик, я убежден в возможности получения из сочетания элементов воздуха, воды, почвы питательных веществ. И первые заводы устроят для этой цели в виде культуры низших организмов, подобных дрожжевым».
Сегодня можно с уверенностью сказать, что прогноз Менделеева оказался точен. Сейчас получением синтетической пищи занимается биопромышленность. Можно с уверенностью сказать, что сегодня наступила эпоха искусственной пищи. Так, только академик Несмеянов и его ученики разработали более 120 разных видов искусственных мясных и рыбных блюд, например искусственную черную икру. Важная проблема нехватки усваиваемых белков в пище решается с помощью биохимической модификации растительных и бактериальных белков, в частности белков сои.

Учитель химии. Очевидно, что нет неразрешимых проблем, и от нас с вами зависит их решение.

Учитель биологии. Подведем итог нашего урока. Какие ключевые вопросы мы обсудили в течение урока?

Ученики. Мы говорили об обмене веществ, превращении и сохранении энергии, энергетическом балансе, составлении пищевых рационов, мировых проблемах питания населения и путях их решения.

Учитель химии. Вы убедились в том, что поддержание жизни организма требует затрат энергии для осуществления физиологических и биохимических реакций.

(Учащиеся записывают домашнее задание. Учитель подводит итоги деятельности учащихся на уроке и выставляет оценки.)