Â

WIAT

N

AUKI

Paêdziernik 2000 89

Zasady liczenia kalorii

Jaka jest wartoÊç energetyczna naszej diety?

Philip i Phylis Morrisonowie opisujà, jak przez 10 lat

zmagano si´ z tym pytaniem

Zadziwienia

DUSAN PETRICIC

Z

a oknem podmuch wiatru
niesie po cichej uliczce skra-
wek papieru. Wzd∏u˝ kraw´˝-
nika sp∏ywa cieniutka stru˝-

ka wody. Te ruchy majà swoje oczy-
wiste przyczyny – wiatr i grawitacj´.
Natomiast mieszkajàcy w okolicy i ˝eru-
jàcy nocà szop pracz czy przeje˝d˝ajàcy
drogà samochód to co innego. Porusza-
jàce je si∏y pochodzà od wewnàtrz: od-
powiednio zsynchronizowane skurcze
mi´Êni unoszà i opuszczajà ∏apy zwie-
rz´cia; seria wybuchów wprawia w ruch
ko∏a pojazdu. Wszystko, co porusza si´
o w∏asnych si∏ach, musi pobieraç ener-
gi´ – szop czerpie jà z pokarmu, samo-
chód z benzyny.

IloÊç energii, jakà przyjmujemy ka˝de-

go dnia wraz z po˝ywieniem, to poj´cie,
z którym stykamy si´ teraz codziennie.
W wielu krajach prawo nakazuje, by ka˝-
dy produkt spo˝ywczy na sklepowej pó∏-
ce by∏ zaopatrzony w informacj´ o jego
wartoÊci energetycznej – okreÊlonej w jed-
nostkach ciep∏a, b´dàcego ∏atwà do mie-
rzenia formà energii. (Woda butelkowa-
na wypada z tej energetycznej konkuren-
cji: 0 kalorii na porcj´.) Kilokaloria to iloÊç
ciep∏a potrzebna do ogrzania kilograma
wody o jeden stopieƒ Celsjusza. (Na wie-
lu etykietach jednostka ta nazywana jest
kalorià, ale w rzeczywistoÊci chodzi o ki-
lokalori´.) Wydatkowana przez nas ener-
gia nie jest nam jednak dostarczana w po-
staci ciep∏a ani te˝ nie jest w zasadzie
spo˝ytkowana jako ciep∏o (cz´Êciowo w
procesach termoregulacji – przyp. red.).

W po∏owie XIX wieku fizycy i fizjo-

lodzy zacz´li badaç bilans energetycz-
ny ˝ywych organizmów. W stanie rów-
nowagi ka˝da wydatkowana energia
musi mieç pe∏ne pokrycie w energii
przyjmowanej. Chemicy udowodnili, ˝e
trawione przez nas pokarmy reagujà
w toku wielostopniowego procesu z
czerpanym z powietrza tlenem, tworzàc
produkty biochemicznego „spalania”,
zachodzàcego bez obecnoÊci p∏omienia.
Nasze cia∏a sà ciep∏e, lecz przecie˝ nie
ogniste. Przypominajà bardziej ogniwa
paliwowe ni˝ silniki cieplne – pobiera-
jà tlen, by wyzwoliç energi´ chemicznà,
przekszta∏cajàc bogate w energi´ sk∏ad-
niki diety w stabilniejsze zwiàzki, usu-

wane z organizmu w postaci produk-
tów przemiany materii. Do nich nale˝y
te˝ niewidoczny i niepalny gaz, dwu-
tlenek w´gla, wydychany z p∏uc.

Nieodzowne dope∏nienie ˝ywnoÊci

stanowi tlen z powietrza, wytwarzany
g∏ównie jako gazowy produkt w proce-
sie fotosyntezy przez roÊliny zielone,
zachowujàce dobrodusznà oboj´tnoÊç
wobec rynkowej wartoÊci tego gazu,
podtrzymujàcego zarówno p∏omieƒ ˝y-
cia, jak i iskry w kominku czy silniku
spalinowym. Nasz pokarm to przede
wszystkim w´glowodany pochodzenia
roÊlinnego – najwa˝niejsze ze zwiàzków
organicznych podtrzymujàcych ˝ycie –
zaÊ roÊliny pobierajà dwutlenek w´gla
z powietrza. SzybkoÊç reakcji – nieza-
le˝nie od tego, czy przybiera ona postaç
buchajàcego p∏omienia, czy powolnego
metabolizmu – nie wp∏ywa na iloÊç
energii uwalnianej podczas przejÊcia
z jednego wyraênie okreÊlonego stanu
chemicznego w drugi, je˝eli weêmie si´
pod uwag´ wszystkie uczestniczàce
w tym procesie produkty.

Pierwsze eksperymentalne badania

bilansu energetycznego u zwierzàt prze-
prowadzili dwaj badacze wyszkoleni
w laboratorium pewnego znanego mo-
nachijskiego fizjologa. M∏ody Max Rub-
ner mierzy∏ w 1894 roku iloÊç ciep∏a wy-
dzielanego przez psy. Ciep∏o to rów-
nowa˝y∏o zmierzone wczeÊniej ciep∏o
spalania ich pokarmu po kilkuprocen-
towej korekcie w gór´ uwzgl´dniajàcej
iloÊç energii zawartej w moczu i kale.
Wykonywanà sporadycznie przez psy
prac´ mechanicznà pomini´to w obli-
czeniach. Drugim ze wspomnianych ba-
daczy by∏ doÊwiadczony amerykaƒski
chemik Wilbur Olin Atwater. W 1892
roku powróci∏ on do Stanów, gdzie
opracowa∏, przygotowa∏ i przeprowa-
dzi∏ ambitny dziesi´cioletni program
badaƒ doÊwiadczalnych, majàcy daç od-
powiedê na pytanie, czy ludzki meta-
bolizm jest ÊciÊle zwiàzany z zasadà za-
chowania energii.

Atwater wraz z zespo∏em pracowali

w odseparowanym od Êwiata podzie-
miu gmachu Wydzia∏u Nauk Âcis∏ych
Wesleyan University w Middletown
w Connecticut. Do roku 1905 stworzy-

li iloÊciowe podstawy, na których opie-
ra si´ tak dziÊ popularne liczenie kalo-
rii i oznaczanie energetycznej wartoÊci
produktów spo˝ywczych. Uzyskane
wówczas wyniki sà do dziÊ wykorzy-
stywane na ca∏ym Êwiecie. Niezale˝nie
od tego, czy ktoÊ liczy przyswajane ka-
lorie, czy nie, zawsze zachowuje si´
zgodnie z prawami Atwatera – mie-
szczàcymi si´, rzecz jasna, w zasadzie
zachowania energii.

Atwater i jego kolega z Wydzia∏u Fi-

zyki, E. B. Rosa, skonstruowali w 1894
roku pierwszy godny uwagi kalorymetr
„ludzki”. Zachowa∏a si´ jego fotografia:
widaç na niej szczelnie zamkni´te po-
mieszczenie o podstawie nieco wi´kszej
ni˝ metr na dwa, z nisko umieszczonym
sufitem. Jego wyposa˝enie stanowi∏y:
sk∏adana prycza przy Êcianie, sk∏adane
krzes∏o, telefon, okno o potrójnych szy-
bach, s∏u˝àce równie˝ jako w∏az, oraz
rower do çwiczeƒ, pozwalajàcy uczest-
nikowi eksperymentu wykonywaç pra-
c´, przetwarzanà w wydzielane przez
jego organizm ciep∏o. Pomieszczenie
mia∏o podwójne Êciany z blachy, a trzy
drewniane Êcianki otaczajàce z zewnàtrz
t´ metalowà skrzynk´ pozwala∏y kon-
trolowaç obieg powietrza wokó∏. We-
wn´trzne Êciany, wykonane z miedzi,
by∏y oplecione uk∏adem rurek z wodà
ch∏odzàcà i elektrycznych spirali
grzejnych. Du˝y termometr
oporowy mierzy∏ tempera-
tur´ powietrza w pokoju

Ciàg dalszy na stronie 91

Â

WIAT

N

AUKI

Paêdziernik 2000 91

z dok∏adnoÊcià do setnej cz´Êci stopnia,
a drugi taki termometr zosta∏ tak przy-
mocowany, by zapewnia∏ dobry kon-
takt cieplny z miedzianà Êcianà. Ca∏a
sztuka polega∏a na tym, by utrzymywaç
takie same temperatury powietrza w po-
mieszczeniu oraz Êcianie oddzielajàcej
od otoczenia êród∏o ciep∏a, czyli uczest-
nika eksperymentu, co praktycznie eli-
minowa∏o niekontrolowane przep∏ywy
ciep∏a. Woda pompowana przez uk∏ad
ch∏odzenia by∏a na wyjÊciu cieplejsza
ni˝ na wejÊciu – ró˝nica temperatur sta-
nowi∏a miar´ wydatku energetycznego
badanej osoby.

Instrumentami pomiarowymi tamtej

epoki by∏y galwanometry zwierciad∏o-
we – czu∏e analogowe mierniki pràdu sta-
∏ego – których odczyty cierpliwie reje-
strowano r´cznie. Kalorymetr obs∏ugiwa-
∏y na zmian´ dwa oÊmioosobowe zespo-
∏y, odnotowujàc temperatur´, kontrolu-
jàc przep∏yw wody i powietrza, wa˝àc
po˝ywienie i wod´, odzyskujàc pocho-
dzàcà z organizmu badanej osoby par´
wodnà poprzez jej sch∏adzanie i wyko-
nujàc wszelkie obliczenia uzyskiwanych
danych. System zosta∏ skalibrowany z za-
stosowaniem lampy spalajàcej czysty al-
kohol metodà wa˝enia zu˝ywanego pa-
liwa. Wykonano wiele pomiarów funk-
cjonowania uk∏adu trawiennego, aby
okreÊliç iloÊç ciep∏a zawartego w wa˝o-
nych starannie odchodach. Ró˝nicujàc
diet´, gromadzono dane o efektywnoÊci
energetycznej procesu trawienia rozma-
itych sk∏adników od˝ywczych. Dieta

standardowa obejmowa∏a gotowanà,
oczyszczonà z t∏uszczu wo∏owin´ z pusz-
ki, chleb z mas∏em oraz mleko i... pier-
niczki! PrzemyÊlana w najdrobniejszych
szczegó∏ach organizacja eksperymentu
i dok∏adnoÊç, z jakà zosta∏ przeprowa-
dzony, pozwalajà daç wiar´ twierdzeniu
zawartemu w koƒcowym sprawozdaniu
z badaƒ, ˝e ma∏y b∏àd – ró˝nica mi´dzy
dostarczonà energià a zmierzonà iloÊcià
pracy i ciep∏a – rzeczywiÊcie wynosi oko-
∏o 0.2%. Uzyskane wyniki zosta∏y wkrót-
ce opublikowane.

Dzisiejsi dietetycy pos∏ugujà si´ poj´-

ciem wartoÊci energetycznej netto, wyra-
˝onej w kilokaloriach na gram bia∏ka,
t∏uszczu czy w´glowodanów. WartoÊci
uzyskane w Middletown, uznawane od
1947 roku za mi´dzynarodowy wzorzec,
wymaga∏y korekt tylko w szczegó∏ach.
Urzàdzeniem stosowanym do bezpoÊred-
niego pomiaru wartoÊci energetycznej
po˝ywienia jest ma∏a, szczelnie zamkni´-
ta, stalowa bomba kalorymetryczna za-
nurzona w kàpieli wodnej z mieszad∏em.
Wewnàtrz spalane sà w atmosferze czy-
stego tlenu niewielkie, wysuszone prób-
ki ˝ywnoÊci. (WypróbowaliÊmy to urzà-
dzenie w charakterze „bomby pàczko-
wej”.) D∏ugie tabele wartoÊci kalorycznej
popularnych produktów sporzàdza si´
jednak g∏ównie metodà obliczania war-
toÊci energetycznej sk∏adników, zgodnie
z deklarowanà przez producenta recep-
turà. Wykorzystuje si´ do tego celu da-
ne o wartoÊci energetycznej uzyskane
jeszcze przez Atwatera. Natomiast po-
miar energii zu˝ywanej przez cz∏owieka

sta∏ si´ elementem diagnostyki medycz-
nej. Dokonuje si´ go zwykle poÊrednio –
mierzàc zu˝ycie tlenu, a nie przep∏yw cie-
p∏a. Kalorymetry „ludzkie” spotyka si´
dziÊ rzadko. W ciàgu ostatniego stulecia
odegra∏y one ograniczonà, lecz wa˝nà ro-
l´ – szczególnie przy konstrukcji skafan-
drów u˝ywanych przez Amerykanów
i Rosjan w badaniach kosmicznych.

Zachowajmy we wdzi´cznej pami´ci

studenta-sportowca, uczestnika wielu
wyÊcigów rowerowych, J. C. Ware’a. To
w∏aÊnie ów wysportowany m∏odzieniec
sp´dzi∏ najwi´cej czasu zamkni´ty w ka-
lorymetrze Atwatera. KtóregoÊ dnia
Ware wydatkowa∏ energi´ 10 tys. kcal –
ekwiwalent 12 solidnych posi∏ków – pe-
da∏ujàc w miejscu przez 16 godz. Przy
tym osiàgni´ciu blednà nawet niewiary-
godne wyczyny szosowców z Tour de
France. „Mo˝na naprawd´ byç z niego
dumnym” – napisa∏ Paul Webb w swej
fascynujàcej ksià˝ce Human Calorimeters
(Praeger, 1985). Dodajmy, ˝e uzupe∏-
nieniem opisanych dokonaƒ sà rozmaite
poradniki ˝ywieniowe publikowane
przez amerykaƒski Departament Rol-
nictwa. ZaÊ internetowe strony firm
zwiàzanych z przemys∏em chemicznym
i farmaceutycznym obfitujà dziÊ w „mi-
krokalorymetry”.

Umiejscowienie wewn´trznego ognia

ludzkiego ˝ycia poÊród innych form
ognia w przyrodzie to osiàgni´cie na
miar´ Kopernikowskiego odkrycia, ˝e
nasz dom we WszechÊwiecie to tylko
jedna z obiegajàcych S∏oƒce planet.

który w czasie wojny o niepodleg∏oÊç
walczy∏ po stronie Anglii, zatem po woj-
nie musia∏ tam˝e wyemigrowaç. Za∏o-
˝y∏ tam Royal Institution, dosta∏ tytu∏ sir
Benjamina, a potem (za us∏ugi oddane
Niemcom) – hrabiego von Rumford.

Thompson, wynalazca o sk∏onnoÊciach

praktycznych, mia∏ ciekawe pomys∏y do-
tyczàce paliwa i kominków, i w ogóle
trzymania ludzi w przyzwoitej tempe-
raturze. Zosta∏ specem od ciep∏a, na te-
mat którego stoczy∏ goràcà dyskusj´
z francuskim naukowcem Claude’em-
-Louisem Bertholletem. (Thompson:
„Ciep∏o jest wynikiem ruchu”, Berthollet:
„Nie, nie jest.”) Berthollet by∏ wtedy nie
byle kim, tyle ˝e w dziedzinie chemii.
By∏ pierwszym, który zorientowa∏ si´, ja-
kà rol´ odgrywa masa w rekacjach che-
micznych, odkry∏, ˝e chlor wybiela, pra-
cowa∏ z najznakomitszymi luminarzami
(jak Lavoisier, Monge, Gay-Lussac itp.),
by∏ delegatem ds. rolnictwa, reformato-
rem edukacji, cz∏onkiem Akademii Fran-
cuskiej, profesorem i kawalerem Legii
Honorowej. Napoleonowi tak przypad∏

do gustu, ˝e zabra∏ go na podbój Egip-
tu. Wys∏a∏ go równie˝ do pokonanych
W∏och, by zorientowa∏ si´, które arcy-
dzie∏a sztuki w∏oskiej warto gwizdnàç.
W 1804 roku Berthollet kierowa∏ tak˝e
mennicà francuskà.

Jednym z mniej ciekawych urz´da-

sów pracujàcych z Bertholletem by∏ nie-
jaki Lamini•re. Niewiele uda∏o mi si´
o nim dowiedziç oprócz tego, ˝e mia∏
córk´ Ad•le, która zosta∏a pierwszà ˝o-
nà syna s´dziego Sàdu Najwy˝szego
Nowej Fundlandii, niejakiego Randol-
pha Ishama Routha, który by∏ z kolei
wysokim rangà brytyjskim oficerem in-
tendentury pod Waterloo, kiedy to
wpad∏ w k∏opoty Napoleon. Po przed-
wczesnej Êmierci Ad•le Routh poÊlubi∏
kuzynk´ s´dziego Sàdu Najwy˝szego
Kanady (ciekawe upodobanie do sà-
downictwa) i mia∏ z nià syna Edwarda.
Ten zosta∏ wyk∏adowcà w Cambridge,
dynamicznie bada∏ dynamik´ i wyglàda
na to, ˝e by∏ najlepszym nauczycielem
matematyki wszech czasów. W latach
1862–1888 dwudziestu dwu jego ucz-

niów jeden po drugim zdobywa∏o do-
rocznà najwy˝szà nagrod´ matematycz-
nà. W 1865 roku zdoby∏ jà John William
Strutt, który póêniej mia∏ zostaç lordem
Rayleighem i gwiazdà pierwszej wiel-
koÊci: radcà królewskim, cz∏onkiem
Royal Society, uczonym nagrodzonym
medalem Rumforda, kanclerzem Cam-
bridge, laureatem Nagrody Nobla za
wydzielenie argonu, etc., etc.

A w tym skromnym skojarzeniowym

felietonie znalaz∏ si´ dlatego, ˝e gdy
Rayleigh by∏ pierwszy z matematyki,
drugie miejsce zajà∏ Alfred Marshall.
Dla wielu czytelników moich tekstów
znaczy on zapewne wi´cej ni˝ sam Ray-
leigh, poniewa˝ w 1890 roku napisa∏
dzie∏o, które uznane zosta∏o za najlepszy
traktat ekonomiczny tamtych czasów,
Zasady ekonomiki. Praca ta ukszta∏towa-
∏a w znacznej mierze gospodark´ XX
wieku. Wielki Plan, jeÊli wolicie, opisu-
jàcy, jak to wszystko dzia∏a.

Ale nie tak Wielki, jak Plan, o którym

pisa∏ pradziad jego ˝ony, William Paley.

Sk

ojar

zenia

SN

SN

ZADZIWIENIA

, ciàg dalszy ze strony 89