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Producción de energía |
A partir de la primera ley de la termodinámica uno puede escribir
La ecuación (1) aplicada al cuerpo humano implica la producción interna de energía por unidad de tiempo, basada en el metabolismo, que es el término
U/
t, la pérdida o ganancia de calor por unidad de tiempo, dado por
Q/
t, y la consideración del trabajo realizado por unidad de tiempo,
W/
t. En todos los casos se trata entonces de valores de energía dividido por tiempo, o sea, potencia (en Watt).
Este capítulo se centrará en la forma que toma el término del lado izquierdo de esta ecuación en el caso de los seres humanos. Una discusión más completa, la que incluirá varios procesos de pérdida o de ganancia de calor en los animales en general, se realizará más adelante, en el capítulo Regulación de la Temperatura en los Animales de Sangre Caliente.
Es sabido que una forma de conocer el aporte energético de los alimentos es midiendo directamente cuánto calor liberan en un proceso de combustión. Ello permite asignar tasas de producción, en kJ/g, por ejemplo, a los diferentes tipos de alimentos. Así se ha determinado, por ejemplo, que el aporte energético de las grasas es de 38,9 kJ/g. Midiendo el aporte de cada tipo de alimento es posible entonces conocer cuánta energía interna ha ganado el cuerpo por metabolismo, si se conoce la cantidad y el tipo de alimentos consumidos.
Si bien el proceso anterior es, en principio, sencillo de realizar, en muchos casos se torna impráctico, sobre todo si se desea analizar el balance energético de animales. ¿Cómo saber qué tipo de alimento y en qué cantidad consumió una larva, por ejemplo? Afortunadamente la naturaleza ha provisto un modo alternativo muy sencillo de determinar el contenido energético de los alimentos consumidos. El asunto es que, si bien los distintos tipos de alimentos tienen un aporte distinto de energía, este aporte de energía es casi independiente del tipo de alimento si se expresa en consumo de oxígeno respirado. En otras palabras, si bien el aporte energético de las grasas es prácticamente el doble del de las proteínas, por ejemplo, la cantidad de energía obtenida por litro de oxígeno respirado es muy similar en ambos casos. Y lo mismo sucede con otros tipos de alimento, como muestra la siguiente tabla (tomada del Kane y Sternheim):
| Alimento | Hidratos de carbono | Proteínas | Grasas | Etanol | Promedio |
| Contenido energético por unidad de masa (kJ/g) | 17,2 | 17,6 | 38,9 | 29,7 | --- |
| Equivalente energético del oxígeno (kJ/litro) | 21,1 | 18,7 | 19,8 | 20,3 | 20,2 |
Esto implica que se puede deducir la ganancia energética de un organismo midiendo sólo la cantidad de oxígeno respirado, sin necesidad de medir qué tipos de alimentos consumió ni en qué cantidad. Simplemente se mide la cantidad de litros de oxígeno respirado, y se multiplica esa cantidad de litros por 20,2, para obtener el número de kJ que ha ganado el organismo en estudio. Las técnicas para medir la cantidad de oxígen respirado dependen del tipo de animal que esté siendo estudiado. En animales grandes simplemente se les instala una mascarilla de oxígeno. En larvas marinas, por ejemplo, se mide directamente el contenido de oxígeno disuelto en la muestra de agua. Técnicas modernas de medir la tasa de respiración incluyen el uso de isótopos e incluso la implantación de pequeños cristales piezoeléctricos (de diámetros de un par de milímetros) en los animales, de modo que las inhalaciones y exalaciones quedan grabadas electrónicamente.
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Tasas metabólicas |
Se llama tasa metabólica basal al consumo de energía mínimo de un organismo en reposo, despierto. En la práctica, es el consumo de energía mínimo para que el organismo funcione. En los varones es aproximadamente de 1,2 W/kg, y en las damas de unos 1,1 W/kg. Cualquiera actividad "extra" que realice una persona (¡además de meramente existir!) requiere energía extra, por unidad de tiempo, la que debe ser proporcionada por los alimentos, a una tasa de producción adecuada. Esa "tasa de producción adecuada" es llamada tasa metabólica.
Algunos valores de tasas metabólicas son los siguientes: Dormir, 1,1 W/kg; estar sentado, 1,5 W/kg; estar de pie, 2,6 W/kg; caminar sin apuro, 4,3 W/kg; andar en bicicleta, 7,6 W/kg; nadar, 11,0 W/kg; correr, 18,0 W/kg. Una persona entrenada puede alcanzar hasta unos 21 W/kg, pero sólo durante unos 5 s.
Como un mini-ejemplo de lo anterior, Derek (¿quién no conoce a Derek en la Facultad de Ciencias Naturales y Oceanográficas?) comentaba que una medición de su tasa basal - que le fue realizada en un gimnasio de la Universidad - resultó en 1640 Kcal/día. De acuerdo a lo visto en el capítulo de trabajo y energía, una caloría equivale a 4,186 Joules. Por lo tanto, 1640 Kcal/día = 1640 x 1000 x 4,186 (J) / 86400 (s) = 79,46 (W). Esto es totalmente coherente con lo señalado más arriba. De hecho, un varón de masa 66 kg debería tener una tasa metabólica basal de unos 66 (kg) x 1,2 (W/kg) = 79,2 (W), bastante cercano a lo que se midió para Derek. Otro aspecto interesante de la medición que le hicieron a Derek fue el método: le hicieron pasar una corriente por el cuerpo. Probablemente lo que se hizo fue medir más bien la resistencia eléctrica de Derek, y combinarla con los datos de su estatura, su masa, etc., para deducir la proporción de grasa y músculo en su cuerpo. (De hecho, Derek comentó que en su caso se encontró un 3,5% de grasa. ¡Puro músculo!). De ahí se puede pasar a la tasa metabólica basal usando tablas. Cómo se puede deducir la proporción de grasa y músculo a partir de la medición de resistencia eléctrica... eso puede ser tema del segundo curso de física (se le puede preguntar al Profesor Foppiano, en su momento).
Un hecho interesante respecto a las tasas metabólicas está relacionado al cerebro y su costo: Humanos y antropoides primates promedio tienen cerebros que son respectivamente 4,6 veces y el doble de los que se esperaría para mamíferos de su tamaño. Esto es notable, porque la tasa metabólica del cerebro es extremadamente alta: ¡11,2 W/kg! Eso es alrededor de 10 veces la tasa metabolica basal promedio de las personas (Aiello, L. C. Expensive-tissue hypothesis: the brain and digestive system in human and primate evolution. Current Anthropology 36(2): pp. 200, 1995). Esto significa que el cerebro ocupa entre un 20 y 25% de la tasa metabólica basal (Jolly, C. J., A suggested case of evolution by sexual selection in primates. Man 63: 84-5, 1963). El tamaño del cerebro se ha incrementado en un factor tres desde el Plioceno. Eso en sí mismo no es excepcional, pues lo mismo ha ocurrido en otras especies (por ejemplo, de 270 g en el Pliohippus a 870 g en los caballos modernos). Lo excepcional en la evolución de los homínidos es que el tamaño del cuerpo no creció en igual forma (Henneberg, M. Response to ...Expensive-tissue hypothesis: the brain and digestive system in human and primate evolution. Current Anthropology 36(2): pp. 213, 1995)
Para cuantificar el rendimiento de los seres humanos al utilizar la energía química de los alimentos conviene comparar lo que se obtiene (trabajo mecánico) respecto del costo (energía metabólica). En el "costo" conviene deducir la tasa metabólica basal, la que representa el "peso muerto" del organismo, es decir, el gasto inevitable. Con ellos el rendimiento e se define, en porcentaje, como
