第一节　能量代谢新陈代谢是机体生命活动的基本特征，新陈代谢包括物质代谢与相传伴的能量代谢，简称代谢。
糖、脂肪、蛋白质三种营养物质，经消化转变成为可吸收的小分子营养物质而被吸收入血。在细胞中，这些营养物质经过同化作用（合成代谢），构筑机体的组成成分或更新衰老的组织；同时经过异化作用（分解代谢）分解为代谢产物。合成代谢和分解代谢是物质代谢过程中互相联系的、不可分割的两个侧面。
在分解代谢过程中，营养物质蕴藏的化学能便释放出来。这些化学能经过转化，便成了机体各种生命活动的能源，所以说分解是代谢的放能反应。而在合成代谢过程中，需要供给能量，因此是吸能反应。可见，在物质代谢过程中，物质的变化与能量的代谢是紧密联系着的。生物体内物质代谢过程中所伴随的能量释放、转移和利用等，称为能量代谢（energy metabolism）。
机体所需的能量来源于食物中的糖、脂肪和蛋白质。这些能源物质分子结构中的碳氢键蕴藏着化学能，在氧化过程中碳氢键断裂，生成CO2和 H2O，同时释放出蕴藏的能。这些能量的50%以上迅速转化为热能，用于维持体温，并向体外散发。其余不足50%则以高能磷酸键的形式贮存于体内，供机体利用。体内最主要的高能磷酸键化学物是三磷酸腺苷（ATP）。此外，还可有高能硫酯键等。机体利用ATP去合成各种细胞组成分子、各种生物活性物质和其他一些物质；细胞利用ATP去进行各种离子和其它一些物质的主动转运，维持细胞两侧离子浓度差所形成的势能；肌肉还可利用ATP所载荷的自由能进行收缩和舒张，完成多种机械功。总的看来，除骨骼肌运动时所完成的机械功（外功）以外，其余的能量最后都转变为热能。例如心肌收缩所产生的势能（动脉血压）与动能（血液流速），均于血液在血管内流动过程中，因克服血流内、外所产生的阻力而转化为热能。在人体内，热能是最“低级”形式的能，热能不能转化为其它形式的能，不能用来作功。
本节主要叙述整个机体的能量代谢测定的原理与方法，基础代谢以及机体在某些状态下的代谢等问题，不涉及能量代谢的各个方面。
通用的法定计量的热量单位为焦耳（Joules.J）。过去热量单位是卡或千卡，1卡=4.187焦耳，1千卡=4.187千焦耳（kJ）。1焦耳/s为1瓦特。
一、能量代谢测定的原理和方法
热力学第一定律指出：能量由一种形式转化为另一种形式的过程中，既不能增加，也不减少。这是所有形式的能量（动能、热能、电能入化学能）互相转化的一般规律，也就是能量守恒定律。机体的能量代谢也遵循这一规律，即在整个能量转化过程中，机体所利用的蕴藏于食物中的化学能与最终转化成的热能和所作的外功，按能量来折算是完全相等的。因此，测定在一定时间内机体所消耗的食物，或者测定机体所产生的热量与所做的外功，都可测算出整个机体的能量代谢率（单位时间内所消耗的能量）。
测定整个机体单位时间内发散的总热量，通常有两类方法：直接测热法和间接测热法。
（一）直接测热法
直接测热法（direct calormetry）是测定整个机体在单位时间内向外界环境发散的总热量。此总热量就是能量代谢率。如果在测定时间内做一定的外功，应将外功（机械功）折算为热量一并计入。图7-1是本世纪初Arwater-Benedict所设计的呼吸热量计的结构模式图。它是由隔热密封的房间，其中设一个铜制的受试者居室。用调节温度的装置控制隔热壁与居室之间空气的温度，使之与居室内的温度相等，以防居室内的热量因传导而丧失。这样，受试者机体所散发的大部分热量便被居室内管道中流动的水所吸收。根据流过管道的水量和温度差，将水的比热考虑在内，就可测出水所吸收的热量。当然，受试者发散的热量有一部分包含在不感蒸发（参看第二节）量中，这在计算时也要加进去。受试者呼吸的空气由进出居室的气泵管道系统来供给。此系统中装有硫酸和钠石灰，用业吸收水蒸气和CO2。管道系统中空气中的O2则由氧气筒定时补给。
直接测热法的设备复杂，操作繁锁，使用不便，因而极少应用。一般都采用间接测热法。
图7-1 直接测热装置示意图
（二）间接测热法
在一般化学反应中，反应物的量与产物量之间呈一定的比例关系，这就是定比定律。例如，氧化1mol葡萄糖，需要6mol氧，同时产生6molCO2和6molH2O,并释放一定量的能。下列反应式表明了这种关系：
C6H12O6+602→6CO2+6H20+△H
同一种化学反应，不论经过什么样的中间步骤，也不论反应条件差异多大，这种定比关系仍然不变。例如，在人本内氧化1mol葡萄糖，同在体外氧化燃烧1mol葡萄糖一样，都要消耗6molCO2和6molH20，而且产生的热量也相等。一般化学反应的这种基本规律也见于人体内营养物质氧化供能的反应（蛋白质的情况下有些出入，参看下文），所以它成了能量代谢间接测热法的重要依据。
间接测热法（indirectcalorimetry）的基本原理就是利用这种定比关系，查出一定时间内整个人体中氧化分解的糖、脂肪、蛋白质各有多少，然后据此计算出该段时间内整个机体所释放出来的热量。因此，必须解决两个问题：一是每种营养物质氧化分解时产生的能量有多少（即食物的热价）；二要分清三种营养物质各氧化了多少。
食物的热价应用弹式热量计，在体外测定了一定量的的糖、脂肪和蛋白质燃烧时所释放的热量，并同这三类物质在动物体内氧化到最终产物C02和水时所产生的热量相比较，证明了糖和脂肪在体外燃烧与在体内氧化分解所产生的热量是相等的。于是将1g食物氧化（或在体外燃烧）时所释放出来的能量称为食物的热价（thermalequivalent of food）。食物的热价分为物理热价和生物热价。前者指食物在体外燃烧时释放的热量，后者系食物经过生物氧化所产生的热量。糖（或脂肪）的物理热价和生物热价是相等的，而蛋白质的生物热价则小于它的物理热价。因为蛋白质在体内不能被彻底氧化分解，它有一部分主要以尿素的形式从尿中排泄的缘故。三种营养物质在物理热价和生物热价见表演7-1。
呼吸商　机体依靠呼吸功能从外界摄取氧，以供各种营养物质氧化分解的需要，同时也将代谢终生物CO2呼出体外，一定时间内机体的CO2产量与耗氧量的比值称为呼吸商（respiratory quotient, RQ）。各种营养物质在细胞内氧化供能属于细胞呼吸过程，因而双将各种营养物质氧化时的CO2产量与耗氧量的比值称为某物质的呼吸商。严格说来，应该以CO2和O2的克分子（mol）比值来表示呼吸商。但是，因为在同一温度和气压条件下，容积相等的不同气体，其分子数都是相等的，所以通常都用容积数（ml或L）来计算CO2与O2的比值，即：
糖、脂肪和蛋白质氧化时，它们的CO2产量与耗氧量各不相同，三者的呼吸商也不一样。
因为各种营养物质无论在体内或体外氧化，它们的耗氧量与CO2产量都取决于各该物质的化学组成，所以，在理论上任何一种营养物质的呼吸商都可以根据它的氧化成终产物（CO2和H20）化学反应式计算出来的。
糖的一般分子式为（CH20）n，氧化时消耗的02和产生的C02分子数相等，呼吸商应该等于1。如上述葡萄糖氧化的反应式所示，C02产量与耗氧量均为6mol故：
脂肪氧化时需要消耗更多的氧。在脂肪本身的分子结构中，氧的含量远较碳和氢少。因此，另外提供的氧不仅要用氧化脂肪分子中的碳，还要用来氧化其中的氢。所以脂肪的呼吸商将小于1。现以甘油三酸酯（triolein）为例：
RQ＝57molC02/80mol02＝0.71
蛋白质的呼吸商较难测算，因为蛋白质在体内不能完全氧化，而且它氧化分解途径的细节，有些还不够清楚，所以只能通过蛋白质分子中的碳和氢被氧化时势需氧量和C02产量，间接算出蛋白质的呼吸商，其计算值为0.80。
在人的日常生活中，营养物质不是单纯的，而是糖、脂肪和蛋白质混合而成的（混合膳食）。所以，呼吸商常变动于0.71-1.00之间。人体在特定时间内的呼吸产要看哪种营养物质是当时的主要能量来源而定。若能源主要是糖类，则呼吸商接近于1.00；若主要是脂肪，则呼吸商接近于0.71。在长期病理性饥饿情况下，能源主要来自机体本身的蛋白质和脂肪，则呼吸商接近于0.80。一般情况下，摄取混合食物时，呼吸商常在0.85左右。
现将糖、脂肪和蛋白质三者的热价、氧热窬及呼吸商等数据列于表7-1，以供理解和测算能量代谢率之用。
表7-1 三种营养物质氧化时的几种数据
营养物质产热量（kJ/g）耗氧量CO2产量氧热价呼吸商物理热价（用弹式热量计测得）生物热价（体内生物氧化什）营养学热价*(L/g)(L/g)(kJ/J)(RQ)糖171716.70.830.83211.00蛋白质23.51816.70.950.7618.80.80脂肪39.839.837.72.031.4319.70.71
*营养学通常采用概数来计算食物的热价
影响呼吸商的其它因素：
机体的组织、细胞 不仅能同时氧化分解各种营养物质，而且也使一种营养物质转变为另一种营养物质。糖的转化为脂肪时，呼吸商可能变大，甚至超过1.00。这是由于当一部分糖转化为脂肪时，原来糖分子中的氧即有剩余，这些氧可能参加机体代谢过程中氧化反应，相应地减少了从外界摄取的氧量，因而呼吸商变大。反过来，如果脂肪转化为糖，呼吸商也可能低于0.71。这是由于脂肪分子中含氧比例小，当转化为糖时，需要更多的氧进入分子结构，因而机体摄取并消耗外界氧的量增多，结果呼吸商变小。另外，还有其它一些代谢反应也能影响呼吸商。例如，肌肉剧烈运动时，由于氧供不应求，糖酵解增多，将有大量乳酸进入血液。乳酸和碳酸盐作用的结果，会有大量由肺肺排出，此时呼吸商将变大。又如，肺过度通气、酸中毒等情况下，机体中与生物氧化无关的CO2大量排出，也可现呼吸大于1.00的情况。相反，肺通气不足、碱中毒等情况下，呼吸商将降低。
前已述，应该测出在一定时间内机体中糖、脂肪和蛋白质三者氧化分解的比例。为此。首先必须查清氧化了多少蛋白质，并且将氧化这些蛋白质所消耗的氧量和所产生的CO2从机体在该时间内的总耗氧量和总CO2产量中减去，算出糖和脂肪氧化（非蛋白质代谢）的CO2产量和耗氧量的比值，即非蛋白呼吸商（non-proteinrespiratory quotient,NPRQ），然后才有可能进一步查清糖和脂肪各氧化了多少克。
尿氮测定 尿中的氮物质主要是蛋白质的分解产物。因此可以通过尿氮来估算体内被氧化的蛋白质的数量。蛋白质的平均重量组成是：C50%，O223%，N16%，S1%。蛋白质中16%的N是完全随尿排出的。所以，1g 尿氮相当于氧分解6.25g蛋白质，测得的尿氮重量（g）乘以6.25，便相当于体内氧分解的蛋白质量。
非蛋白呼吸商 它是估算非蛋白代谢中糖和脂肪氧化的相对数量的依据。研究工作者早已按从0.707到1.00范围内的非蛋白呼吸产，算出糖和脂肪两者氧化的各自百分比以及氧热价（表7-2）。
表7-2 非蛋白呼吸商和氧热价
非蛋白呼吸商氧　化　的　%氧热价(kJ/L)糖脂肪0.7070.00100.019.620.711.1098.919.640.724.7595.219.690.738.4091.619.740.7412.088.019.790.7515.684.419.840.7619.280.819.890.7722.877.219.950.7826.373.719.990.7929.070.120.050.8033.466.620.100.8136.963.120.150.8240.359.720.200.8343.856.220.260.8447,252.820.310.8550.749.320.360.8654.145.920.410.8757.542.520.460.8860.839.220.510.8964.235.820.560.9067.532.520.610.9170.829.220.670.9274.125.920.710.9377.422.620.770.9480.719.320.820.9584.016.020.870.9687.212.820.930.9790.49.5820.980.9893.66.3721.030.9996.83.1821.081.00100.00.021.13
间接测热法计算原则 实验测得的机体24小时内的耗氧量和CO2产量以及尿氮量，根据表7-1和7-2中相应的一些数据计算。首先，由尿氮量算出被氧分解的蛋白质量。由被氧化的蛋白质量从表7-1中算出其产热量、耗氧量和CO2产量；其次从总耗氧量和总CO2产量中减去蛋白质耗氧量和CO2产量，计算出非蛋白呼吸商。根据非蛋白呼吸商查表7-2的相应的非蛋白呼吸商的氧热价，计算出非蛋白代谢的产热量；最后，24小时产热量为蛋白质代谢的产热量与非蛋白代谢的产热量之和。此外，从非蛋白呼吸还可推算出参加代谢的糖和脂肪的比例。
间接测热法的计算方法举例
首先测定受试者一定时间内的耗氧量和CO2产量，假定受试者24小时的耗氧量为400L，CO2产量为340L（已换算成标准状态的气体容积）。另经测定尿氮排出量为12g。根据这些数据和查表7-1、7-2，计算24小时产热量，其步骤如下：（1）蛋白质氧化量=12×6.25=7g
产热量=18×75=1350kJ
耗氧量=0.95×75=71.25L
CO2产量=0.76×75=57L
（2）非蛋白呼吸商
非蛋白代谢耗氧量=400-71.25=328.75L
非蛋白代谢CO2产量=340-57=283L
非蛋白呼吸商=283/328.75=0.86
(3)根据非蛋白呼吸商的氧热价计算非蛋白代谢的热量
查表7-2,非蛋白呼吸商为0.86时,氧热价为20.41。所以，非蛋白代谢产热量=328.75×20.41=6709.8kj 。
（4）计算24小时产热量
24小时产热量==8059.8kJ
（蛋白质代（非蛋白代谢产热量）谢产热量）
计算的最后数值8059.8kJ就是该受试者24小时内的能量代谢率
耗氧量与CO2产量的测定方法及临床应用测定耗氧量和CO2产量的方法有两种：闭合式测定法和开放式测定法。
（1）闭合式测定法：在动物实验中，将受试动物置于一个密闭的能吸热的装置中。通过气泵，不断将定量的氧气送入装置。动物不断地摄取氧，可根据装置中氧量的减少计算出该动物在单位时间内的耗氧量。动物呼出的CO2则由装在气体回路中的CO2吸收剂吸收。然后根据实验前后CO2吸收剂的重量差，算出单位时间内的CO2产量。由耗氧量和CO2产量算出呼吸商。
临床上为了简便，通常只使用肺量计（图7-2）来测量耗氧量。该装置的气体中容器中装置氧气，受试者通过呼吸口瓣将氧气吸入呼吸器官。此时气体容器的上盖随吸气而下降，并由连于上盖的描笔记录在记录纸上。根据记录纸上的方格还可读出潮气量值。受试者的呼出气则通过吸收容器（呼出气中的CO2和水可除除掉）进入气体容器中，于是气体容器的上盖又复升高，描笔也了随之升高。由于受试者摄取了一定量的氧气，呼出气中CO2又被除掉，气体容器中的氧气量因而逐渐减少。描笔则记录出曲线逐渐下降的过程。在一定时间内（通常为6min），描笔的总下降高度，就是该时间内的耗氧量。
图7-2 肺量计结构模式图
（2）开放式测定法（气体分析法）：它是在机体呼吸空气的条件下测定耗氧量和CO2产量的方法，所以称为开放法。其原理是，采集受试者一定时间内的呼出气，测定呼出气量并分析呼出气中氧和CO2的容积百分比。由于吸入气就是空气，所以其中氧和CO2的容积百分比不必另测。根据吸入气和呼出气中氧和CO2的容积百分比的差数，可算出该时间内的耗氧量和CO2排出量。
气体分析方法很多，最简便而又广泛应用的方法，是将受试者在一定时间内呼出气采集于气袋中，通过气量计测定呼气量，然后用气体分析器分析呼出气的组成成分，进而计算耗氧量和CO2产量，并算出呼吸商。
现举出一个气体分析实验例。
现某健康成人安静状态下的呼出气作气体分析，结果为：O2=16.26%；CO2=4.14%。呼出气量为1分钟5.2L（通常将呼出气量换算为不含水蒸气的标准状态值；也有换算为被水蒸气饱和的1个大气压、体温状态下的值）。空气的组成是：O2=20.96%；N=79.00%；CO2=0.04%。则：
受试者从每100ml通过肺的气体中吸收的氧气为：
20.96ml-16.26ml=4.7ml(或每升气体中的47ml)
(空气) （呼出气）
因为呼出气量为5.2L，则1分钟的耗氧量为：
47ml×5.2=244.4ml
100ml呼气中的CO2为：
4.14ml-0.04ml=4.1ml(或每升气体中的41ml)
(呼出气) （空气）
1分钟CO2排出量为：
41ml×5.2=213.2ml
RQ=213.1/244=0.85
所得呼吸商为受试者在安静状态下混合膳食代谢的呼吸商。
临床上和劳动卫生常采用简略法，即用气体分析法测得一定时间内的耗氧量和CO2产量，并求出呼吸商，并且不考虑蛋白质代谢部分，就根据非蛋白呼吸商表7-2查出呼吸商的氧热价，然后将氧热价乘以耗氧量，便得出该时间内的产热量。仍以上述间接测热法计算方法列举的例子为数据（见前），按此简略法来计算，则结果如下：
呼吸商=340/400=0.85
查表7-2，呼吸商0.85时的氧热价为20.36kJ，所以24小时的产热量=20.36×400=8144kJ。
这个数值与按完整的间接法计算得出的数值8059.8kJ是很近似的，误差都在1%-2%以下。而且在非蛋白呼吸商从0.70到1.00的范围内，氧热价也过变动于19.6-21.1之间。此法在实际工作中是可用的。
另一种更简便的简略法只利用肺量计测出受试者一定时间内（通常为6min）的耗氧量。受试者一般都吃混合膳食，所以通常将非蛋白呼吸商定为0.82，氧热价为20.20kJ。因此，测出一定时间内的耗氧量后，使可依下式来计算：
产热量=20.20×耗氧量（kJ）
二、影响能量代谢的因素
影响能量代谢的因素有肌肉活动、精神活动、食物的特殊动力作用和环境温度等。
（一）肌肉活动
肌肉活动对能量代谢的影响最为显着。机体任何轻微的活动都可提高代谢率。人在运动或劳动时耗量显着增加，因为肌肉活动需要补给能量，而能量则来自大量营养物质的氧化，导致机体耗氧量的增加。机体耗氧量的增加与肌肉活动的强度呈正比关系，耗氧量最多右达安静时的10-20倍。肌肉活动的强度称为肌肉工作的强度，也就是劳动强度。劳动强度通常用单位时间内机体的产热量来表示，也就是说，可以把能量代谢率作为评估劳动强度的指标。从表7-3可以看出劳动强度或运动时的能量代谢率的增长情况。
表7-3 运动或劳动时的能量代谢率
机体的状态产 热 量平均（kJ/m2·min）躺卧2.73开会3.40擦窗子8.30洗衣9.98
■［此处缺少一些内容］■
由于随之出现的无意识的肌紧张以及刺激代谢的激素释放增多等原因，产热量可以显著增加。因此，在测定基础代谢率时，受试者必须摒除精神紧张的影响。
（三）食物的特殊动力作用
在安静状态下摄入食物后，人体释放的热量比摄入的食物本身氧化后所产生的热量要多。例如摄入能产100kJ热量的蛋白质后，人体实际产热量为130kJ，额外多产生了30kJ热量，表明进食蛋白质后，机体产热量超过了蛋白质氧化后产热量的30%。食物能使机体产生“额外”热量的现象称为食物的特殊动力作用（specific dynamic action）。糖类或脂肪的食物特殊动力作用为其产热量的4%-6%，即进食能产100kJ热量的糖类或脂肪后，机体产热量为104-106kJ。而混合食物可使产热量增加10%左右。这种额外增加的热量不能被利用来作功，只能用于维持体温。因此，为了补充体内额外的热量消耗，机体必须多进食一些食物补充这份多消耗的能量。
食物特殊动力作用的机制尚未完全了解。这种现象在进食后1h左右开始，并延续到7-8h。有人将氨基酸注入静脉内，可出现与经口给予相同的代谢率增值现象，这些事实使人们推想，食后的“额外”热量可能来源于肝处理蛋白质分解产物时“额外”消耗的能量。因此，有人认为肝在接脱氨基反应中消耗了能量可能是“额外”热量产生的原因。
（四）环境温度
人（裸体或只着薄衣）安静时的能量代谢，在20-30℃的环境中最为稳定。实验证明，当环境温度低于20℃时，代谢率开始有所增加，在10℃以下，代谢率便显着增加。环境温度低时代谢率增加，主要是由于寒冷刺激反射地引起寒战以及肌肉紧张增强所致。在20-30℃时代谢稳定，主要是由于肌肉松驰的结果。当环境温度为30-45℃时，代谢率又会逐渐增加。这可能是因为体内化学过程的反应速度有所增加的缘故，这时还有发汗功能旺盛及呼吸、循环功能增强等因素的作用。
三、基础代谢
基础代谢（basal metabolism）是指基础状态下的能量代谢。基础代谢率（basal metabolic rate,BMR）是指单位时间内的基础代谢，即在基础状态下，单位时间内的能量代谢。所谓基础状态是指人体处在清醒而又非常安静、不受肌肉活动、环境温度、食物及精神紧张等因素的影响时的状态。测定基础代谢率，要在清晨末进餐以前（即食后12-14h）进行。前一日晚餐最好是清淡菜肴，而且不要吃得太饱，这样，过了12-14h ，胃肠的消化和吸收活动已基本完毕，也排除了食物的特殊动力作用的影响。测定之前不应做剧烈的活动，而且必须静卧半小时以上。测定时平卧，全身肌肉要松驰，尽量排除肌肉活动的影响。这时还应要求受试者排除精神紧张的影响，如摒除焦虑、烦恼、恐惧等心理活动。室温要保持在20-25℃之间，以排除环境温度的影响。基本条件下的代谢率，比一般安静时的代谢率可低些（比清醒安静时低8%-10%）。基础代谢率以每小时，每平方米体表面积的产热量为单位，通常以kJ/m2·h来表示。要用每平方米体表面积而不用每公斤体重的产热量来表示，是因为基础代谢率的高低与体重并不成比例关系，而与体表面积基本上成正比。
表7-4 人体产热量和体表面积的关系
测定人数平均体重（kg）体重范围kJ/m2·24h648.740-5038604153.450-60382716464.560-7038812474.770-803868883.780-903868平均3860
若以每公斤体重的产热量进行比较，则小动物每公斤体重的产热量要比大动物高得多。若以每平方米体表面积的产热量进行比较，则不论机体的大小，各种动物每平方米每24小时的产热量很相近。在人体上测定的结果也表明了这一事实（表7-4）。因此，用每平方米体表面积标准来衡量能量代谢是比较合适的。
受试者体表面积的测定繁琐而不易进行，鉴于体表面积与身高、体重之间有一定的相关关系，因此，有人对一定的人群作过测定后，从身高、体重推算出体表面计算的经验公式。最基本的是Meeh的算式：
式中，S为体表面积，W为体重（kg），K为不同种属动物的常数。
计算人的体表面积在DuBois的身长体重算式：
S=W0.425×H0.725×K
式中，S为体表面积（m2），W为体重（kg），H为身长。K为不同人种的常数。我国人的体表面积可根据下列Stevenson算式来计算：
体表面积（m2）=0.0061×身长（cm）+0.0128×体重（kg）-0.1529
另外，体表面积还可根据图7-3直接求出。其用法是，将受试者的身高和体重在相应两条列线的两点连成一直线，引直线与中间的体表面积列线的交点就是该人的体表面积。有意义的事实是：肺活量、心输出量、主动脉和气管的横截面、肾小球滤过率等都与体表面积有一定的比例关系。]
通常采用前述简略法来测定和计算基础代谢率。下面举一实例供参考。
某受试者，男性，20岁。在基础状态下，1h的耗氧量为15L。非蛋白呼吸商定为0.82，氧热价为20.20,所以1h的产热量为：
20.20×15=303kJ
此人的体表面积为1.5m2,从而1h内每平方米体表面积拉热量，即基本代谢率为：303÷1.5=201.8kJ/m2·h
20岁男子的正常基础代谢率为157.8kJ/m2·h，所以此人超出正常值的数字为（201.8-157.8）=44.0，超出正常值的百分数为：
44．0×100/157.8%=27.8%
图7-3 体表面积测算用图
实际测定结果表明，基础代谢率随性别、年龄等不同而有生理变化。当甚情况相同时，男子的基础代谢率平均比女子的高；幼年人比成年人的高；年龄越大，代谢率越低，但是，同一个体的基础代谢率，只在测定时的条件完全符合前述的要求，则有不同时日重复测定的结果基本上无差异。这就反映了正常人的基础代谢率是相当稳定的。
关于我国正常人基础代谢率的水平，男女各年龄组的平均值如表7-5所示。
一般来说，基础代谢率的实际数值现上述正常的平均值比较，相差±10%-15%之内，无论较高或较低，都不属病态。当相差之数超过20%时，才有可能是病理变化。在各种疾病中，甲状腺功能的改变总是伴有基础代谢率异常变化。甲状腺功能低下时，基础代谢率将比正常值低20%-40%；甲状腺功能亢进时的基础代谢率将比正常值高出25%-80%（图7-4）。因此，基础代谢率的测量是临床诊断甲状腺疾病的重要辅助方法。其它如肾上腺皮质和垂体的功能低下时，基础代谢率也要降低。
表7-5 我国人正常的基础代谢率平均值（kJ/m2·h）
年龄　11-15　16-17　18-19　20-30　31-40　41-50　51　以上
男性　195.5　193.4　166.2　157.8　158.7　154.1　149.1
女性　172.5　181.7　154.1　146.4　142.4　142.4　138.6
当人体发热时，基础代谢率将升高。一般说来，体温每升高1℃，基础代谢率可升高13%。其它如糖尿病、红细胞增多症、白血病以及伴有呼吸困难的心脏病等，也伴有基础代谢率升高。当机体处于病理性饥饿时，基础代谢率将降低。其他如阿狄森病、肾病综合症以及垂体肥胖症也常伴有基础代谢率降低。
图7－4　甲状腺疾病患者的基础代谢与正常人基础代谢的比较
纵坐标表示受检人数；横坐标的0代表正常平均值，
-10表示比正常人平均值低10%，10表示高10%　论文发表、论文指导
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浅谈人体中的能量转化
　　摘要：本文结合能量概念和能量守恒定律，讨论了人体生命现象中的能量转化等问题。主要内容包括能量形式的多样性、能量守恒定律的重要意义、人体中的能量转化、体温和体温调节等。 中国论文网 /9/view-1001814.htm　　关键词：能量守恒定律 能量代谢 体温调节 医用物理 教学研究 　　一、能量形式的多样性 　　自然界的任何过程，包括人类的生产活动和人体的生命活动都离不开能量。弄清楚能量概念，掌握能量守恒定律，对指导人们的生活、工作和学习，都具有重要而普遍的意义。在国际单位制中，能量的单位是焦（J）；在研究微观粒子时，也常用电子伏（eV）为能量的单位，。能量通常以机械能、内能、电能、原子能和化学能等多种形式出现在不同的运动中，并通过作功或传热等方式进行转化或转移。人体生命活动中的能量主要来源于摄入食物的氧化分解。 　　机械能包括动能和势能（重力势能、弹性势能）。动能的变化通过机械功，按动能定理与势能、内能、电能等其他形式能量进行相互转化。 　　内能是由系统内部状态所决定的能。一般地说，系统是由大量分子、原子组成的，系统的内能是全部微观粒子的各种能量总和（包括系统中所有粒子的动能、势能、化学能、电离能、核能等）。由于在系统所经历的热力学过程中，物质原子和原子核的结构一般都不发生变化，即这一部分能量保持不变，可作为常量从中扣除。从微观角度来看，系统的内能一般包括因分子热运动所具有的分子的动能和因分子间相互作用而决定的分子的势能。通常，就把系统中所有分子的动能和分子的势能总和，称作系统的内能。从宏观角度来看，人们更加关注在系统的能量转化和转移的热力学过程中，系统的内能究竟发生了多大的变化。作功和传热是改变物体内能的两种方式。在能量转化和转移过程中，内能的变化、功和热量三者之间必须符合能量守恒定律。 　　电势能是指电荷因受静电力作用和在静电场中的位置不同而具有的能量。电势能的变化与电场力的功相联系。在电路中，电流作功时，电能与其他形式的能相互转化。通常情况下，电流或带电体所携带的电能，可以用导线来传输，且易于转化为其他形式的能。实际应用中，电能要由电源来提供。电源是将其他形式的能转变为电能的装置。电源提供的电能必须通过非静电力对电荷作功的方式从其他形式的能转化而来。例如，发电机把机械能转化为电能；干电池是把化学能转化为电能；太阳能电池则是把太阳能直接转化为电能。 　　化学能是物质在发生化学反应过程中所释放出的能量（如汽油、煤炭、木头，通过燃烧过程释放的能量），营养物质在人体内发生的生物化学过程也会释放出化学能。在化学反应过程中，原物质的分子发生变化，重新组合生成新的化学物质，将引起化学能的变化，并伴随着放热或吸热现象的发生。 　　原子能（也称原子核能或核结合能）是原子核内部发生运动变化时释放出的能量。如重核裂变和轻核聚变时会释放出巨大的能量，这是人类寻找新能源的主要途径。放射性核素在衰变过程中所放出的射线（主要指其中的γ射线），在医学诊断和治疗技术中具有广泛的应用，这也是原子能应用的一个重要方面。 　　1905年，爱因斯坦在狭义相对论中提出了著名的质能公式E=mc2。爱因斯坦的质能公式对指导人类最终解决新能源问题具有重要意义。质能公式（也称质能关系）在能量和质量之间建立了当量关系，能量概念因此增添了新的涵义。质能公式将原来似乎互不相干的质量守恒和能量守恒实现了统一。 　　尽管在日发生了日本大地震和海啸，并因此导致核泄漏，引起了人们的恐慌，但这决不会阻挡人类探索原子能和平利用的步伐。 　　二、能量守恒定律的重要意义 　　无论以什么方式，能量既不会创生，也不会消灭，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中，能量的总量不变。这就是能量守恒定律。 　　恩格斯认为，“人们只是在学会了摩擦取火以后，才第一次迫使某种无生命的自然力替自己服务”。热现象是人类最早观察和认识的自然现象之一，也是人们用以征服大自然和改造世界最早、最强有力的手段。 　　从18世纪末到20世纪40年代，有6个国家的10多位科学家从不同角度独立地提出了能量守恒的观点。例如，德国物理学家、医生迈尔、英国物理学家焦耳等人对此都作出了重要贡献。毫无疑问，能量概念和能量守恒定律是自然界中最重要的概念和规律。能量守恒定律的发现，是科学发展史上的一个重要的里程碑。恩格斯把它和细胞的发现及达尔文的进化论一起，称为是19世纪自然科学的具有决定意义的三大发现。自然界中的一切现象通过能量守恒定律相互联系起来。能量守恒定律的确立，标志着人们已经从各种局部规律的探索，上升到能够把握形式多样的能量转化和传递过程的共同特征。物质的不同运动形式及其相互转化是物质世界固有的特征，永远不会停息。能量守恒不仅具有数量上的意义，并且指明了物质运动的不灭性和永恒性。 　　在历史上，曾有人幻想制造出这样一种机器，它只对外作功而不消耗任何能量，人们称这种机器为“第一类永动机”。所有这样的幻想最终都必定要破灭，原因就是它违背了能量守恒定律。科学已经定论，“第一类永动机不存在”。这是科学对“永动机”的最终的宣判。但是，目前世界上仍然还有人在继续着永动机的幻想和实践，这样的人主要有两类：一类是痴迷者，不懂科学非要造永动机，当然永远造不成；另一类则是纯粹的骗子，都是为了骗钱而耍弄花招。 　　三、人体中的能量转化 　　自然界的一切过程都必须遵从能量守恒定律，人体的生命过程当然也不例外。人体生命系统是一个开放系统，它不断地与外界进行物质交换（从外界摄取食物、水和氧气，并排出废物）和能量交换（如对外作功，对外散热）。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中，经过长期进化人类把自身的体温约束在37℃左右。为了维持生命活动，人体需要保持正常的体温，需要保证各个器官正常的活动和组织的代谢。人体从外界吸纳的食物、水和氧，在体内经过复杂的生物化学过程，转变成营养物质和内能。一部分用作人体生命活动所必须的能量和保持体温，一部分用于对外作功和散热。 　　恩格斯指出，热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的源泉。太阳不断地向地球喷发光和热，这样地球上的植物才能进行光合作用，合成出各种有机物。据估算，地球上的绿色植物每天可以产生大约4亿吨的蛋白质、碳水化合物和脂肪，同时还向空气中释放近5亿吨的氧气，这是了人类和动物生存的物质来源。这就是“万物生长靠太阳”的科学根据。 　　能量代谢（也称新陈代谢），是指人体在生存过程中，不断地摄取营养物质，以建造自身的特殊结构，同时又不断地破坏自身已衰老的结构。人体内的物质代谢过程，根据其性质可分为异化和同化两个方面。异化是指在机体内，蛋白质、脂肪、糖等物质经过极其复杂的氧化分解，生成水和二氧化碳的过程（也称分解代谢）；同化是指在机体内，简单的物质分子在体内合成为蛋白质、脂肪、糖等复杂物质的过程（也称合成代谢）。由氨基酸合成蛋白质就是同化过程。同化过程是储存能量的过程，异化过程是释放能量的过程。异化过程中释放的能量通过机体的利用转化为功和热。 　　在人体内，物质代谢和能量转化是不可分割的。人体经过消化系统吸收的营养物质和储存的能量，通过氧化过程释放出来。通常把人体内的物质代谢过程中能量的释放和储存、转化和利用，以及以热量形式向外发散的过程，称为能量代谢。所谓基础代谢，是指人体处于清醒、平静，并尽可能排除肌肉活动、精神紧张及环境温度等因素影响的状态下，能量的消耗只用于维持心跳、呼吸、和维持正常体温等其他一些基本的生理活动的需要。在这种状态下人体的代谢率较低且稳定，这称为基础代谢。
　　人体无论是在静息状态下，还是在活动中，都会连续不断地将营养物质的化学能转变为人体组织所必须的各种能量，这就是分解代谢。分解代谢的能量一部分用于向体外放热，一部分用于对外作功。人体在完全休息时，内能的消耗率约为80瓦，人在作剧烈活动时能量的消耗率可达600瓦到1600瓦。这些消耗必须靠吃进食物来补偿，以保证人体的能量平衡。根据能量守恒定律，人体摄入的能量与消耗的能量应当经常保持相对的平衡。如果摄入的多而消耗的少，人的体重就会增大，时间久了就会引起肥胖。如果摄入的少而消耗的多，时间久了就会导致消瘦、体重减轻，甚至会因营养不良而有害健康。 　　环境温度过低或过高也会使代谢率增加。这是因为当环境温度过低时，人体辐射的热量多，代谢率增大以加快体内生热；当环境温度偏高时，辐射的热量较少，为保持正常的体温，人体要以出汗蒸发、加快呼吸等方式来散热，这也会使代谢率增加。 　　人体生命系统是一个开放系统，它不断地与外界进行物质交换（从外界摄取食物、水和氧气，并排出废物）和能量交换（如对外作功和散热等）。为了维持生命，人体需要保证各个器官的正常活动与组织代谢，需要保持正常体温。因此，人体必须从食物中获得能量。人体从外界吸纳的食物、水和氧，在体内经过复杂的生化过程，转化为营养物质和内能，一部分用于人体生命活动的需要，一部分用于保持体温、对外作功和散热。根据能量守恒定律，人体摄入的能量与消耗的能量应当经常保持相对的平衡。如果摄入的少而消耗的多，时间久了就会导致消瘦、体重减轻，甚至因营养不良而有害健康。如果摄入的多而消耗的少，人的体重就会增加，时间久了就会引起肥胖。 　　四、体温和体温调节 　　体温即机体的温度，通常指身体深部的温度。对人来说，维持正常体温是一件很重要的事情。人类在长期进化过程中形成了比较高级的体温调节功能。体温调节的方式有行为性体温调节和自主性体温调节两类：一是行为性体温调节：例如，人在严寒中踏步、跑动以御寒，即属此种调节。人们能根据环境温度不同而增减衣着，创设人工气候环境以祛暑御寒，则可视作更为高级而复杂的行为调节；一是自主性体温调节。例如，寒颤、发汗、血管舒缩等，以保持体温相对恒定的调节过程。 　　机体在进行新陈代谢的过程中，会不断地产生热量，同时又不断地把热量发散出去。 　　产热过程，是机体在代谢过程中释放能量。其中约有20%～25%用于作功，其余都以热能形式散发出去。产热最多的器官是内脏（尤其是肝脏）和骨骼肌。因热能来自物质代谢的化学反应，所以产热过程又称化学性体温调节。 　　散热过程，体表皮肤可通过辐射、传导、对流和蒸发等物理方式散热，所以散热过程又称物理性体温调节。辐射、传导、对流这三种方式发散的热量约占总散热量的75%，其中以辐射散热最多，占总散热量的60%，散热的速度主要取决于皮肤与环境之间的温度差。 　　蒸发也是很有效的散热方式。当环境温度与皮肤温度接近或相等时，人体主要以蒸发方式来散热。蒸发时，每克水可吸收2.42千焦的汽化热。常温下体内的水分经机体表层透出而蒸发，称为无感蒸发（其量每天约为1000毫升）。一般在环境气温升到25～30℃时，汗腺即开始分泌汗液（出汗），称为可感蒸发。环境气温等于或高于体温时，汗和水分的蒸发即成为主要的散热方式。 　　体温的稳定取决于机体产热过程和散热过程的动态平衡。如产热量大于散热量时，体温将升高；反之，则降低。由于机体的活动和环境温度的经常变动，产热过程和散热过程间的平衡也就不断地被打破，经过自主性的反馈调节又可达到新的平衡。这种动态平衡使人体体温波动于较狭小的正常范围内，保持着体温相对的稳定。 　　临床上一般采用从腋窝、口腔或从直肠内测量体温。正常人体的直肠温度平均约为37.3℃，接近于体内深部的温度；口腔温平均约为37.0℃；腋窝温平均约为36.7℃。正常生理情况下，体温可随昼夜、年龄、性别、活动情况不同而有一定的波动。一昼夜中，清晨2～4时体温最低，午后4～6时最高，变动幅度不超过1℃。这种近日节律并不因生活习惯的变动而改变，它很可能与地球的自转周期有关。婴儿的体温调节机能尚未完善，可受环境温度、活动情况或疾病的影响而发生较大的波动。新生儿的体温略高于成年人，老年人则稍低于成年人。在酷热或严寒环境中暴露数小时，体温可上升或下降1℃～2℃。 　　体温调节中枢主要在下丘脑。切除下丘脑以上的前脑的动物即“下丘脑动物”，仍能保持接近正常的体温调节功能。而切除中脑以上的全部前脑（包括下丘脑）的动物则不能保持体温的相对稳定。传统生理学认为，在下丘脑前部存在着散热中枢，而下丘脑后部则存在着产热中枢。两个中枢之间有着交互抑制的关系，从而保持了体温的相对稳定。在下丘脑前部还存在着发汗中枢。下丘脑后部内侧区存在着寒颤中枢，它对血液温度变化并不敏感，但对来自皮肤冷觉感受器的传入信息比较敏感。体温的行为调节也受下丘脑的控制，而体温调节中枢对体内外温度变化的反应，则取决于大脑对来自外周和中枢的多种温度觉信息整合的结果。体温的自主性调节主要通过反射来实现，环境温度或机体活动的改变将引起体表温度或深部血温的变动，从而刺激了外周或中枢的温度感受器。温度感受器的传入冲动经过下丘脑整合后，中枢便发出冲动（或引起垂体释放激素），使内分泌腺、内脏、骨骼肌、皮肤血管和汗腺等效应器的活动发生改变，调整了机体的产热过程和散热过程，从而可以保持体温的相对稳定。 　　人体对环境温度改变所产生的自主性体温调节是很有限的，更多的是行为性调节。环境温度过低或过高都将导致代谢率增加。这是因为当环境温度过低时，人体辐射的热量多，代谢率增大以加快体内生热；当环境温度较高时，辐射的热量较少，为保持正常的体温，人体就要以出汗蒸发、加快呼吸等方式来散热，这也会使代谢率增加。对人体来说，维持正常体温是一件很重要的事情。身材尺寸大，有利于保温，这是因为相对体表面积比较小。有人估计，3000老鼠的体重相当于一个成人的体重，而3000只老鼠吃掉的食物大约是一个人的10倍，其中的主要部分就是用于保持体温。 　　
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