کاربرد ترمودینامیک در سیستم های بیولوژیکی – به زبان ساده

یکی از کاربردهای مهم و هیجان‌انگیز علم ترمودینامیک، در سیستم های بیولوژیکی (Biological Systems) است. سیستم های بیولوژیکی محل وقوع پدیده‌های تبدیل و انتقال پیچیده انرژی هستند. این سیستم‌ها در تعادل ترمودینامیکی قرار ندارند. از این رو، تحلیل آنها کار دشواریست. در کنار این پیچیدگی‌ها، سیستم‌های بیولوژیکی را می‌توان متشکل از چهار عنصر مختلف به حساب آورد: هیدروژن، اکسیژن، کربن و نیتروژن. در بدن انسان، هیدروژن $$\large 63$$ درصد، اکسیژن $$\large 25.5$$ درصد، کربن $$\large 9.5$$ درصد و نیتروژن هم $$\large 1.4$$ درصد از کل اتم‌ها را شامل می‌شوند. باقی‌مانده‌ اتم‌ها که در حدود $$\large 0.6$$ درصد است، بیست عنصر مختلف را در برمی‌گیرند که وجودشان برای بدن حیاتی است. از نظر جرمی نیز، در حدود $$\large 72$$ درصد از کل بدن را آب تشکیل می‌دهد.

تعریف متابولیسم در سیستم های بیولوژیکی

بلوک‌های ساختمانی هر ارگانیزم زنده، سلول نامیده می‌شود. سلول‌ها در نقش کارخانه‌های مینیاتوری، وظایفی را به عهده دارند که برای زنده ماندن هر ارگانیزم ضروری است. سیستم های بیولوژیکی می‌توانند به سادگی یک سلول باشند. بدن انسان از حدود یک‌صد تریلیون سلول تشکیل شده که قطر متوسط این سلول‌ها در حدود $$\large 0.01$$ میلی‌متر است. غشای سلول، از یک دیواره شبه‌نفوذپذیر (Semipermeable) تشکیل شده که به برخی مواد اجازه ورود می‌دهد و از عبور برخی مواد دیگر جلوگیری می‌کند.

فیلم آموزش ترمودینامیک پیشرفته – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در سیستم های بیولوژیکی در هر ثانیه، درون هر سلول هزاران واکنش شیمیایی در حال وقوع است. در حین هر واکنش شیمیایی، برخی مولکول‌ها تجزیه شده و انرژی آزاد می‌شود. در ادامه این روند، برخی مولکول‌های جدید هم تشکیل می‌شوند. تمام واکنش‌های شیمیایی در حالی رخ می‌دهند که دمای بدن انسان، در $$\large 37$$ درجه سلسیوس ثابت مانده است. این حجم از فعالیت‌های شیمیایی درون سلول‌ها، که برای انجام وظایف اصلی بدن رخ می‌دهد، متابولیسم (Metabolism) نامیده می‌شود. به عبارت ساده، متابولیسم را می‌توان به عنوان سوختن مواد غذایی مانند کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها در سیستم های بیولوژیکی تعریف کرد.

نرخ متابولیسم در حالت استراحت، نرخ متابولیک پایه (Basal Metabolic Rate) نامیده می‌شود. نرخ متابولیک پایه که به اختصار، BMR نیز خوانده می‌شود، عبارت است از نرخ متابولیسم لازم برای انجام کارهای ضروری بدن، هنگامی که سطح فعالیت خارجی برابر صفر است. تنفس و خون‌رسانی جزء کارهای ضروری محسوب می‌شوند. از طرف دیگر، نرخ متابولیک را می‌توان به عنوان نرخ مصرف انرژی بدن توصیف کرد. در یک مرد متوسط، نرخ متابولیک پایه برابر $$\large 84 \: W$$ است. مردی با $$\large 30$$ سال سن و $$\large 70 \: kg$$ وزن که مساحت بدنش برابر $$\large 1.8 \: m ^ 2$$ باشد را به عنوان مرد متوسط تعریف می‌کنیم. در واقع، بدن چنین فردی، با نرخ $$\large 84 \: W$$ انرژی را به محیط منتشر می‌کند. به عبارت دیگر، تبدیل انرژی شیمیایی موجود در مواد غذایی (یا چربی بدن) به انرژی گرمایی با نرخ $$\large 84 \: W$$ در حال انجام است.

با بالا رفتن سطح فعالیت، نرخ متابولیک هم افزایش می‌یابد. هنگامی که بدن در حال فعالیت شدید باشد، ممکن است این مقدار به ده برابر نرخ متابولیک پایه هم برسد. در هنگام فعالیت سنگین، ممکن است در حدود %$$\large 40$$ از گرما محسوس باشد. حال آنکه در حین فعالیت سبک، این عدد به %$$\large 70$$ هم می‌رسد. مابقی انرژی از طریق تعریق و به صورت گرمای ثانویه، از بدن دفع می‌شود.

نرخ متابولیک پایه، تابعی از جنسیت، اندازه بدن و شرایط سلامت عمومی است و با افزایش سن، کاهش می‌یابد. همین عامل موجب می‌شود بیشتر افراد در آستانه سی سالگی، با مشکل اضافه وزن مواجه شوند. در حالی که حجم غذای آنها تغییر نکرده است. مغز و کبد، مراکز اصلی فعالیت متابولیک هستند. این دو عضو به تنهایی مسئول $$\large 50$$ درصد از نرخ متابولیک پایه در یک فرد بالغ هستند. جالب است بدانید وزن مغز و کبد در مقایسه با کل بدن، فقط $$\large 4$$ درصد است. در کودکان، $$\large 50$$ درصد از نرخ متابولیک پایه به تنهایی در مغز رخ می‌دهد.

واکنش‌های بیولوژیکی در سلول‌ها، لزوماً در دما، فشار و حجم ثابت رخ می‌دهد. هنگامی که مقداری انرژی شیمیایی به گرما تبدیل می‌شود، دمای این سیستم های بیولوژیکی در آستانه افزایش قرار می‌گیرد. ولی این انرژی بلافاصله به سیستم گردش خون منتقل می‌شود. بدین صورت، انرژی به قسمت‌های بیرونی‌تر و در نهایت به محیط منتقل می‌شود.

سلول‌های ماهیچه عملکردی مشابه یک موتور اتومبیل دارند. این سلول‌ها، انرژی شیمیایی را به انرژی مکانیکی (کار) تبدیل می‌کنند. راندمان این سلول‌ها در حدود $$\large 20$$ درصد است. هنگامی که کار خالص انجام شده توسط بدن صفر باشد، تمام کار به گرما تبدیل می‌شود. در این حالت، تمام انرژی شیمیایی مواد غذایی که در حین متابولیسم بدن آزاد شده بود، در نهایت به محیط انتقال می‌یابد. تلویزیونی که با نرخ $$\large 300 \: W$$ الکتریسیته مصرف می‌کند، گرمایی برابر با نرخ $$\large 300 \: W$$ را به طور یکنواخت در محیط آزاد می‌کند. به عبارت دیگر، یک تلویزیون $$\large 300 \: W$$ و یک بخاری برقی $$\large 300 \: W$$ که در یک اتاق قرار دارند، هر دو به یک میزان، گرما تولید می‌کنند. چنین پدیده‌ای پیامد قانون پایستگی انرژی است. هنگامی که انرژی کل سیستم در حین یک فرآیند ثابت می‌ماند، مجموع انرژی‌های ورودی به سیستم باید با مجموع انرژی‌های خروجی از آن برابر باشد.

نقش غذا و ورزش در سیستم‌های بیولوژیکی

در این قسمت، نقش غذا و ورزش را در سیستم‌های بیولوژیکی بررسی خواهیم کرد. نیاز انرژی هر فرد با غذایی که می‌خورد، تأمین می‌شود. مواد مغذی موجود در غذا را می‌توان به سه دسته کربوهیدرات‌ها، پروتئین‌ها و چربی‌ها تقسیم کرد. کربوهیدرات‌ها موادی هستند که در مولکول‌هایشان، اتم‌های هیدروژن و اکسیژن را با نسبت ۲ به ۱ دارند. مولکو‌ل کربوهیدرات‌ها، طیف وسیعی را از مولکول‌های بسیار ساده (مانند شکر سفید) تا مولکول‌های پیچیده و بزرگ (مثل نشاسته) شامل می‌شوند. نان و شکر، منابع سرشار از کربوهیدرات هستند.

فیلم آموزش فیزیولوژی Physiology – تکمیلی در فرادرس

کلیک کنید

پروتئین‌ها، مولکول‌های بسیار بزرگی هستند که از کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن تشکیل شده‌اند. این مولکول‌ها برای ساخت و ترمیم بافت‌های بدن، نقش مهمی ایفا می‌کنند. پروتئین‌ها از بلوک‌های ساختمانی کوچکتری به نام آمینواسید‌ها ساخته شده‌اند. پروتئین‌های کامل مانند گوشت، شیر و تخم مرغ، حاوی آمینو اسیدهای ضروری برای ساخت بافت‌های بدن هستند. منابع گیاهی حاوی پروتئین از قبیل میوه‌ها، سبزیجات و غلات، معمولاً یک یا چند آمینو اسید را در ساختار خود ندارند و از این رو به آنها پروتئین‌های ناقص گفته می‌شود. چربی‌ها مولکول‌های نسبتاً کوچکی هستند که از کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده‌اند. روغن‌های گیاهی و چربی‌های حیوانی، اصلی‌ترین منابع سرشار از چربی هستند. بیشتر غذاهایی که می‌خوریم، حاوی هر سه نوع ماده مغذی هستند؛ اما مقدار هر یک از آنها متفاوت است. در یک رژیم غذایی معمولی، $$\large 45$$ درصد کربوهیدرات، $$\large 40$$ درصد چربی و $$\large 15$$ درصد پروتئین وجود دارد. از نظر پزشکی، توصیه می‌شود که مقدار چربی کمتر از $$\large 30$$ درصد باشد.

مقدار انرژی موجود در غذا را می‌توان با سوزاندن قسمت کوچکی از آن غذا محاسبه کرد. این فرآیند درون مخزنی به نام بمب اندازه‌گیری کالری (Bomb Calorimeter) انجام می‌شود. دیواره این مخزن صلب بوده و به خوبی عایق‌بندی شده است. شماتیک بمب اندازه‌گیری کالری را در شکل زیر مشاهده می‌کنید. این سیستم برای شبیه‌سازی واکنش‌های انجام شده در سیستم های بیولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

درون بمب اندازه‌گیری کالری، یک محفظه احتراق تعبیه شده که اطراف آن با آب پر شده است. در حضور اکسیژن، غذا در داخل محفظه احتراق مشتعل شده و می‌سوزد. مقدار انرژی غذا براساس اصل پایستگی انرژی اندازه‌گیری می‌شود. برای اندازه‌گیری دمای آب، از یک عدد دماسنج استفاده شده است. با سوختن غذا، کربن و هیدروژن موجود در آن به ترتیب به $$\large CO_2$$ و $$\large H_2O$$ تبدیل می‌شوند. همین واکنش شیمیایی درون سیستم های بیولوژیکی از قبیل بدن انسان نیز رخ می‌دهد. در نتیجه می‌توان مقدار انرژی آزاد شده را به دست آورد.

با انجام این آزمایش روی نمونه‌های خشک (بدون آب)، مقدار متوسط انرژی در هریک از سه گروه ماده غذایی پایه به دست می‌آید. براساس نتایج این آزمایش، انرژی متوسط کربوهیدرات‌ها و پروتئین‌ها به ترتیب برابر $$\large 18.0 \: MJ/kg$$ و $$\large 22.2 \: MJ/kg$$ است. در حالی که چربی‌ها به اندازه $$\large 39.8 \: MJ/kg$$ انرژی آزاد می‌کنند. اما باید به این نکته توجه داشت که این مواد غذایی به طور کامل از طریق متابولیسم، تبدیل به انرژی نمی‌شوند. در نتیجه باید نسبتی به عنوان درصد انرژی قابل متابولیسم (Metabolizable Energy Content) تعریف کنیم. این عدد در کربوهیدرات، پروتئین و چربی‌ به ترتیب برابر $$\large 95.5$$، $$\large 77.5$$ و $$\large 97.7$$ درصد است. به عبارت دیگر، تقریباً تمام چربی‌هایی که در وعده‌های غذایی مصرف می‌کنیم، وارد چرخه متابولیسم می‌شود ولی در مقابل، حدود یک چهارم از پروتئین غذا، بدون آن که بسوزد، از بدن دفع می‌شود. در شکل زیر، درصد این سه ماده غذایی را در نوعی شیرینی مشاهده می‌کنید.

مقدار انرژی موجود در غذاهایی که به طور روزانه مصرف می‌شود، در مقایسه با اعداد بالا، بسیار کوچک‌تر است. زیرا بخش زیادی از غذاهای روزانه از آب تشکیل شده است. آب، مقدار غذا را افزایش می‌دهد ولی قابل سوختن و وارد شدن به چرخه متابولیسم بدن نیست. در نتیجه، مقدار انرژی آزاد شده ناشی از آن هم صفر خواهد بود. بیشترین حجم ساختمان سبزی‌ها، میوه‌ها و گوشت‌ها از آب تشکیل شده است. در نتیجه، مقدار انرژی متوسطی که می‌تواند وارد چرخه متابولیسم شود، برای کربوهیدرات، پروتئین و چربی به ترتیب برابر $$\large 4.2$$، $$\large 8.4$$ و $$\large 33.1$$ مگاژول بر کیلوگرم است.‌ همان‌طور که می‌بینید، یک کیلوگرم چربی حدوداً ۸ برابر یک کیلوگرم کربوهیدرات، حاوی انرژی قابل متابولیسم است. در نتیجه کسی که چربی موجود در غذایش بیشتر بوده، انرژی بیشتری وارد بدنش شده است.

مقدار انرژی موجود در غذاها که قابلیت ورود به چرخه متابولیسم را داشته باشد، با کالری (Calorie) بیان می‌شود. توجه کنید که معادل انگلیسی این مقدار کالری باید با حرف C بزرگ نوشته شود. به رابطه زیر توجه کنید.

$$\large 1 \: Cal \: (Calorie) \: = \: 1000 \: calories \: = \: 1 \: kcal \: = \: 4.1868 \: kJ$$

به دلیل اینکه در نوشتن کالری (معادل آن در زبان انگلیسی) اشتباه رخ ندهد، هنگامی که موضوع مورد بحث، غذا و ورزش باشد، هر کالری (calorie) به معنای یک کیلوکالری (kilocalorie) به کار می‌رود؛ صرف نظر از اینکه با حرف c کوچک یا حرف C بزرگ نوشته شده باشد.

کالری روزانه‌ای که مورد نیاز انسان است، به عنوان تابعی از جنسیت، سن، سلامت بدنی، فعالیت روزانه، وزن و ساختار بدن تغییر می‌کند. کالری مورد نیاز یک مرد متوسط در حدود $$\large 2400$$ تا $$\large 2700$$ کالری در روز است. در حالی که یک زن متوسط، روزانه به میزان $$\large 1800$$ تا $$\large 2200$$ کالری نیاز دارد. این مقادیر در مورد کودکان و افراد میان‌سال هم عوض می‌شود. مقدار متوسط کالری روزانه مورد نیاز معمولاً برابر با $$\large 2000$$ فرض می‌شود. کالری‌های اضافه‌ای که بدن مصرف می‌کند، معمولاً به صورت چربی ذخیره می‌شود. هنگامی که کالری ورودی کمتر از کالری مورد نیاز باشد، بدن از این کالری‌های ذخیره شده استفاده خواهد کرد.

همانند تمام چربی‌های طبیعی، چربی ذخیره شدن در بدن انسان نیز حاوی $$\large 33.1 \: MJ / kg$$ انرژی قابل متابولیسم است. بنابراین، یک فرد گرسنه که هیچ غذایی نخورده است، برای تأمین $$\large 2200$$ کالری ($$\large 9211 \: kJ$$) مورد نیاز روزانه‌اش، باید $$\large \frac {9211} {33100} \: = \: 0.28 \: kg$$ از چربی‌های بدنش را بسوزاند. پس این مسأله که برخی افراد بتوانند بدون خوردن غذا، بیش از صد روز زنده بمانند، از نظر عملکرد سیستم های بیولوژیکی خیلی هم موضوع عجیبی نیست. البته باید به این نکته توجه کرد که هیچ‌گاه برای رها شدن از چربی‌های اضافه، هیچ پزشکی رژیم گرسنگی را پیشنهاد نمی‌کند. زیرا در این حالت، بدن در کنار چربی‌ها، شروع به تغذیه از بافت‌های ماهیچه خودی هم می‌کند. انجام منظم حرکات ورزشی در کنار دریافت مقدار مناسب کالری، به عنوان رژیم سالم شناخته می‌شود. مقدار انرژی قابل متابولیسم در غذاهای مختلف، به همراه انرژی مصرف شده در حین فعالیت‌های مختلف در جدول‌های زیر، قابل مشاهده است.

(جدول ۱)

(جدول ۲)

مقادیر انرژی مصرفی در جدول دوم، برای فرد بالغی با وزن $$\large 68 \: kg$$ محاسبه شده است. انرژی مصرف شده توسط افراد بالغ با وزن کمتر یا بیشتر را می‌‌توان به راحتی و با استفاده از تناسب به دست آورد. به عنوان مثال، با توجه به جدول بالا، مصرف انرژی در حین دوچرخه‌سواری، توسط فرد بالغی به وزن $$\large 100 \: kg$$ برابر با $$\large (100 \: kg) \: \frac {639 \: Cal/h} {68 \: kg} \: = \: 940 \: Cal / h$$ به دست می‌آید.

تحلیل ترمودینامیکی سیستم های بیولوژیکی مانند بدن انسان، بسیار پیچیده‌تر از این اعداد و ارقام است و موارد زیادی مانند انتقال انرژی و انتقال جرم (در هنگام تنفس و تعریق) باید در نظر گرفته شود. در نتیجه، بدن انسان، یک سیستم باز به حساب می‌آید. ولی از آنجایی که تعیین کمیت انتقال انرژی‌هایی که به همراه ورود و خروج جرم اتفاق می‌افتد، دشوار است، این سیستم های بیولوژیکی را به صورت یک سیستم بسته مدل می‌کنند. به عنوان مثال، خوردن غذا به صورت انتقال انرژی به داخل بدن مدل‌سازی می‌شود.

رژیم غذایی در سیستم های بیولوژیکی

مبنای بیشتر رژیم‌های غذایی، شمارش تعداد کالری است؛ که در واقع، بیان دیگری از قانون پایستگی انرژی به شمار می‌رود. مطابق این قانون، اگر تعداد کالری‌هایی که یک فرد دریافت می‌کند، از تعداد کالری‌هایی که بدنش می‌سوزاند، کمتر باشد، آن فرد اضافه وزن پیدا خواهد کرد. در حالت برعکس، از وزن این فرد کاسته می‌شود. با این حال، افرادی هم وجود دارند که در هر زمان و به هر میزانی کالری دریافت می‌کنند؛ بدون اینکه به اضافه وزن دچار شوند. وجود این افراد نشان می‌دهد که شمارش تعداد کالری‌ها به تنهایی کافی نیست. رژیم غذایی در عملکرد سیستم های بیولوژیکی تأثیر فراوانی دارد.

فیلم آموزش فیزیولوژی ورزشی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

تحقیقات انجام شده روی مواد غذایی، چند نظریه را در مورد رژیم غذایی پیشنهاد می‌کند. یکی از این نظریه‌ها بیان می‌کند که برخی از افراد، بدن‌هایی دارند که غذا را به صورت بهینه مصرف می‌کند (Food Efficient). این افراد نسبت به بقیه، برای انجام فعالیت‌های مشابه، نیاز به کالری کمتری دارند. مشابه این موضوع را می‌توان در اتومبیل‌هایی با راندمان بالا جستجو کرد که برای طی کردن یک مسیر مشخص، سوخت کمتری مصرف می‌کنند. تغییر رژیم غذایی از تعداد $$\large 2000$$ کالری به $$\large 800$$ کالری در روز (بدون اضافه شدن فعالیت ورزشی) نرخ متابولیک پایه را تا حدود $$\large 20$$ درصد کاهش می‌دهد.

پس از قطع این رژیم غذایی، نرخ متابولیک بلافاصله به مقدار اولیه خود باز خواهد گشت. ولی ادامه دادن چنین رژیمی بدون ورزش، به مدت طولانی، قادر است بخش قابل ملاحظه‌ای از بافت ماهیچه را به همراه چربی از بین ببرد. با کم شدن بافت ماهیچه‌ای، بدن کالری کمتری می‌سوزاند و حتی پس از قطع رژیم گرسنگی، نرخ متابولیک پایه، کمتر از حالت عادی باقی می‌ماند. پیامد چنینی رژیمی، اضافه شدن مجدد وزن خواهد بود. اما در افرادی که در حین رژیم غذایی، به فعالیت‌های ورزشی هم می‌پردازند، نرخ متابولیک پایه تقریباً ثابت خواهد ماند.

فعالیت ورزشی منظم، بخشی ضروری در هر نوع رژیم غذایی است. با این کار، بافت‌های ماهیچه تشکیل می‌شوند که فرآیند سوزاندن کالری‌ها را سرعت می‌بخشند. جالب است بدانید پس از گذشت چند ساعت از تمرینات هوازی (Aerobic) سوختن کالری‌ها همچنان ادامه دارد و نرخ متابولیک به اندازه قابل توجهی افزایش می‌یابد. محققان در نظریه دیگری عقیده دارند افرادی که در دوره کودکی و نوجوانی، سلول‌های چربی بیشتری دارند، احتمال اضافه‌تر شدن وزن در آنها بیشتر است.

برخی افراد عقیده دارند اضافه وزن فقط به ژنتیک برمی‌گردد. وقتی $$\large 80$$ درصد از فرزندان افراد چاق، به اضافه وزن دچار می‌شوند، احتمالاً وراثت نقش مهمی در چگونگی ذخیره چربی در بدن ایفا می‌کند. محققانی از دانشگاه‌های واشنگتن (University of Washington) و راک‌فلر (Rockefeller University) موفق به شناسایی ژنی به نام $$\large RIIbeta$$ شده‌اند. به نظر می‌رسد این ژن، کنترل نرخ متابولیسم را به عهده داشته باشد. بدن سعی می‌کند سطح چربی را در سطح مشخصی ثابت نگه دارد. این سطح مشخص، نقطه تنظیم نامیده می‌شود و برای هر فرد نسبت به افراد دیگر متفاوت است. به شکل زیر توجه کنید.

هنگامی که فرد در آستانه اضافه وزن قرار می‌گیرد، متابولیسم سریع‌تر می‌شود و در نتیجه، کالری‌های اضافه، با سرعت بیشتری سوزانده می‌شود. از طرف دیگر، هنگامی که فرد در آستانه کاهش وزن قرار می‌گیرد، سرعت متابولیسم پایین آمده و سرعت سوختن کالری‌ها کاهش پیدا می‌کند. بنابراین، فردی که به تازگی لاغر شده، در مقایسه با فردی با قد و وزن مشابه که همیشه لاغر بوده، کالری‌های کمتری می‌سوزاند. در این حالت، حتی حرکات ورزشی هم تأثیر چندانی ندارد. اکنون برای اینکه وزن جدید حفظ شود، تعداد کالری‌های دریافتی نباید از تعداد کالری‌هایی که بدن به صورت روزانه می‌سوزاند، تجاوز کند. در افرادی که نرخ متابولیک بسیار سریعی دارند، کالری‌های اضافه به جای اینکه مانند چربی ذخیره شوند، به شکل حرارت از بدن خارج می‌شوند. در نتیجه، هنوز هم قانون پایستگی انرژی پابرجاست.

از نظر برخی افراد، پایین بودن نرخ متابولیک در سیستم های بیولوژیکی بدن ناشی از نوعی نقص ژنتیکی است. تحقیقات نشان می‌دهد، کاهش وزن برای چنین افرادی تقریباً غیرممکن است. به عبارت دیگر، شاید بتوان چاقی را یک پدیده‌ در سیستم های بیولوژیکی به حساب آورد. البته حتی این گروه افراد هم مادامی که کالری‌های دریافتی آنها از تعداد کالری‌هایی که به طور روزانه می‌سوزانند، بیشتر نشود، وزنشان اضافه نخواهد شد. این گروه برای داشتن اندام متناسب، باید به حجم غذای کم عادت کنند و این تفکر را که بتوانند مانند دیگران غذا بخورند، از ذهنشان بیرون بریزند. در بیشتر افراد، علم ژنتیک، دامنه وزن عادی را تعیین می‌کند. با توجه به عادت‌های غذایی و تمرینات ورزشی، هر فرد ممکن است وزنی بین مینیمم تا ماکسیمم این دامنه داشته باشد. حال، این موضوع که حتی بیشتر دوقلوهای همسان هم از نظر وزنی با یکدیگر تفاوت دارند، شاید معقول به نظر برسد. عامل دیگری که محققان عقیده دارند در افزایش یا کاهش وزن نقش دارد، عدم توازن هورمونی (Hormone Imbalance) است.

داشتن اضافه وزن، انسان را در معرض لیست بلند بالایی از بیماری‌ها قرار می‌دهد. فشار خون بالا، برخی از انواع سرطان، دیابت و بیماری‌های قلبی که سلامت انسان را تهدید می‌کنند، مواردی هستند که شروع آنها ممکن است با اضافه وزن اتفاق بیافتد. در سوی دیگر، افرادی هستند که اضافه وزن ندارند ولی به دلیل وسواس‌های مختلف، برای کمتر شدن وزنشان تلاش می‌کنند. از این رو، بسیاری از افراد برای سلامتی خود نگرانند و به دنبال شاخصی برای تناسب وزن خود هستند. از نظر علمی، دامنه وزن سالم برای افراد بالغ معمولاً به صورت شاخص توده بدنی (Body Mass Index)‌ یا به اختصار BMI تعریف می‌شود. اگر این شاخص در بازه مشخص شده در رابطه زیر قرار بگیرد، نشان دهنده تناسب اندام خواهد بود.

$$\large 19 \: \leq \: BMI \: = \: \frac { W \: ( kg ) } { H^2 \: ( m^2 ) } \: \leq \: 25$$

در رابطه بالا، $$\large W$$ وزن (در واقع همان جرم است. در موضوعات مرتبط با غذا و ورزش، معمولاً به جای جرم، وزن به کار می‌رود) فرد برحسب کیلوگرم و $$\large H$$ نیز قد او در واحد متر است. با کمی تأمل، بدیهی است که اعداد کمتر از $$\large 19$$ شاخص افراد لاغر و اعداد بیشتر از $$\large 25$$ نیز افراد چاق را نشان می‌دهد. در نتیجه، شاخص BMI برابر با $$\large 25$$ حد بالای وزن سالم را نشان می‌دهد و اگر این شاخص در فردی $$\large 27$$ باشد، یعنی آن فرد $$\large 8$$ درصد اضافه وزن دارد. اگر رابطه بالا را در سیستم انگلیسی بنویسیم، رابطه جدید این شاخص به شکل $$\large BMI \: = \: 705 \: \frac { W } { H^2 }$$ تبدیل خواهد شد. در این رابطه، $$\large W$$ برحسب پوند و $$\large H$$ برحسب اینچ است. جدول زیر، دامنه وزن مناسب در افراد بالغ را برای قدهای مختلف در دو سیستم SI و انگلیسی نشان می‌دهد.

مثال ۱

سؤال: به عنوان مثالی از سیستم های بیولوژیکی مردی به وزن $$\large 90 \: kg$$ را در نظر بگیرید که در وعده غذایی ناهار، دو عدد همبرگر، یک پُرس سیب‌زمینی سرخ‌کرده و $$\large 200 \: ml$$ نوشابه را خورده است. مدت زمانی را تعیین کنید که این فرد الف) با تماشای تلویزیون، ب) با شنای سریع، بتواند کالری‌های به دست آمده در این وعده غذایی را بسوزاند.

پاسخ: از مقادیر موجود در جدول‌های شماره ۱ و ۲ می‌توانیم برای این سؤال استفاده کنیم. بدن انسان را به عنوان سیستم در نظر می‌گیریم و مانند یک سیستم بسته با آن رفتار می‌کنیم. مقدار انرژی این سیستم بسته در طول فرآیند بدون تغییر باقی خواهد ماند. براساس اصل پایستگی انرژی، انرژی ورودی به این سیستم باید با انرژی خروجی از آن برابر باشد. انرژی خالص ورودی در این مورد، مقدار انرژی قابل متابولیسم موجود در غذای خورده شده است. با کمک جدول شماره ۱، مقدار این انرژی را می‌توانیم به صورت زیر بیان کنیم.

$$\large E_{in} \: = \: 2 \: \times \: E_{hamburger} \: + \: E_{fries} \: + \: E_{cola} \\~\\ \large = \: 2 \: \times \: 275 \: + \: 250 \: + \: 87 \\~\\ \large \Rightarrow E_{in} \: = \: 887 \: Cal$$

الف) نرخ انرژی خروجی برای مردی به وزن $$\large 68 \: kg$$ که در حال تماشای تلویزیون است، برابر با $$\large 72 \: Cal / h$$ خواهد بود. در نتیجه، مقدار انرژی خروجی برای فردی به وزن $$\large 90 \: kg$$ با کمک رابطه زیر محاسبه می‌شود.

$$\large E_{out} \: = \: (90 \: kg) \: \frac {72 \: Cal/h} {68 \: kg} \: = \: 95.3 \: Cal/h$$

از این رو، مدت زمان لازم برای سوختن این مقدار کالری، برابر مقدار زیر است.

$$\large \Delta t \: = \: \frac { 887 \: Cal } { 95.3 \: Cal / h } \: = \: 9.3 \: h$$

ب) به طریق مشابه می‌توانیم مدت زمان لازم برای سوزاندن $$\large 887$$ کالری را در هنگام شنای سریع محاسبه کنیم. در این حالت، مدت زمان مورد نیاز $$\large 47$$ دقیقه است. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، نرخ متابولیک در این دو حالت، تفاوت بسیار زیادی را نشان می‌دهد.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مهندسی مکانیک و سیستم های بیولوژیکی آموزش‌های زیر نیز پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش های زیست شناسی
• ​آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی
• آموزش فیزیولوژی جانوری ۱ (Animal Physiology)
• ترمودینامیک — از صفر تا صد
• جریان تراکم‌ پذیر (Compressible Flow) — اصول و مفاهیم

^^