Крушельницька Я. В. Фізіологія і психологія праці (2000)
4.2. Біохімічні процеси та енергетика трудової діяльності
Рівень затрат енергії є інтегральним показником діяльності організму людини в процесі праці. Основні затрати енергії при цьому зумовлюються роботою м’язів — чим більшу механічну роботу виконує працівник, тим більше він затрачує енергії. Затрати енергії залежать також від інформаційного змісту праці, умов виробничого середовища, емоційного стану працівника.
Джерелом енергії для всіх життєвих процесів і функцій є обмін речовин.
Обмін речовин характеризується складними біохімічними реакціями, які полягають в засвоєнні поживних речовин, що надходять із навколишнього середовища, складних перетвореннях цих речовин та виділенні в навколишнє середовище відпрацьованих продуктів.
Процес засвоєння організмом речовин, створення з них нових та відновлення порушених клітин і тканин називається асиміляцією. Процес розпаду складних органічних речовин на прості сполуки називається дисиміляцією. У процесі дисиміляції виділяється енергія, яка використовується для підтримання життєдіяльності органів і систем організму та на виконання роботи. Процеси асиміляції і дисиміляції перебувають у відносній рівновазі. Співвідношення між кількістю енергії, яка надходить до організму з їжею, і витраченою енергією називається енергетичним балансом. Посилення діяльності призводить до посилення процесів дисиміляції. Щоб зберігалась рівновага між надходженням і витрачанням речовин та енергії, необхідно збільшити надходження поживних речовин для посилення процесів асиміляції.
Обмін речовин і обмін енергії — єдиний процес. Кожна органічна сполука, що входить до складу живого організму, має певний запас потенційної енергії. Речовини з великою енергією біологічного окислення називаються макроергічними. Серед останніх особливо велику роль в енергетичному обміні відіграє аденозинтрисфосфорна кислота (АТФ). Вона утворюється з інших макроергічних сполук і нагромаджується в клітинах організму. Найбільша кількість АТФ в скелетних м’язах (0,2—0,5%).
Запас енергії в їжі виражається її калорійністю, тобто здатністю вивільняти при окисленні ту чи іншу кількість енергії.
Для окислення різних поживних речовин потрібна різна кількість кисню. При окисленні 1 г вуглеводів вивільняється 5,05 ккал енергії, 1 г білка — 4,85 ккал, 1 г жирів — 9,3 ккал. Проте якщо на окислення 1 г вуглеводів потрібно 830 мл кисню, 1 г білка — 970 мл, то на 1 г жирів — 2030 мл кисню. Кількість енергії, яка вивільняється при використанні 1 л кисню, називається калоричним еквівалентом. Він становить від 4,7 до 5,05 ккал.
Для визначення калоричного еквіваленту кисню вираховують дихальний коефіцієнт, тобто відношення об’єму видихнутої вуглекислоти до об’єму поглинутого кисню. При окисленні вуглеводів дихальний коефіцієнт дорівнює одиниці, жирів — 0,7. Перемноживши величину спожитого у процесі праці (у мл) кисню на калоричний еквівалент, можна обчислити затрати енергії. Калоричний еквівалент у цих розрахунках беруть на рівні 5 ккал.
Збудження, яке виникає в м’язових волокнах, викликає хімічні процеси, наслідком яких є їх скорочення. Первинною ланкою в ланцюгу хімічних реакцій є розпад АТФ на аденозиндифосфорну і фосфорну кислоти. При цьому з кожної грам-молекули АТФ вивільняється 10000 кал:
АТФ → АДФ + Н3РО4 + 10000 кал.
Енергія, що вивільняється внаслідок цієї реакції, використовується для виконання механічної роботи і частково переходить у теплову. Зруйновані молекули АТФ мають відновлюватися, щоб м’яз міг знову скорочуватися.
Ресинтез (відновлення) АТФ полягає в приєднанні до АДФ, що утворилася при розпаді АТФ, молекули фосфорної кислоти. Ця реакція вимагає енергії. У м’язах є речовини, що містять енергію (вуглеводи, жири, білки). Проте ця енергія може вивільнятися лише при їх розпаді.
Ресинтез АТФ відбувається двома шляхами:
● анаеробним (за рахунок розпаду речовин без участі кисню);
● аеробним (за рахунок розпаду речовин при їх окисленні).
Ресинтез АТФ анаеробним шляхом відбувається за рахунок креатинфосфорної кислоти, яка реагуючи з АДФ, віддає їй фосфорну кислоту і відновлює АТФ. Однак запас креатинфосфорної кислоти в м’язах обмежений, тому потужнішим анаеробним механізмом ресинтезу АТФ є реакції розпаду вуглеводів (глікогену, глюкози) до молочної кислоти. Вивільнювана при цьому енергія акумулюється у фосфорних сполуках. Молочна кислота є проміжним продуктом розпаду вуглеводів, нагромадження якої зменшує працездатність м’язів.
Ресинтез АТФ аеробним шляхом відбувається за рахунок окислювального розпаду вуглеводів, жирів та інших речовин до вуглекислоти і води — кінцевих продуктів, які виводяться з організму. При цьому вивільняється велика кількість енергії, яка забезпечує ресинтез АТФ з молочної кислоти. За участю кисню п’ята частина молочної кислоти окислюється до вуглекислоти і води, а енергія, що при цьому вивільняється, використовується для ресинтезу АТФ, глікогену, фосфаткреатину з решти молочної кислоти.
Обидві фази при роботі м’язів відбуваються одночасно, що забезпечує своєчасне виведення з організму кінцевих продуктів розпаду. Це так званий «стійкий стан».
В стані спокою енергія витрачається на синтез різних речовин та на роботу органів і систем організму.
Кількість енергії, яку витрачає організм в стані повного м’язового спокою, натщесерце і при температурі 18—20° С, називається основним обміном. У дорослої людини він становить 1 ккал на 1 кг маси за 1 год. Добовий основний обмін залежить від ваги, віку, статі, стану здоров’я людини та зовнішніх факторів і становить 1400…1700 ккал.
Найбільш інтенсивним чинником, що призводить до посилення обміну речовин, є праця, зокрема динамічна фізична робота. Кількість енергії, яка затрачується на виконання професійної діяльності, характеризується як «робочі калорії» (за висловом Г. Лемана). Крім «робочих калорій», людина затрачує енергію на інші види діяльності, які виконує протягом дня. Ці два види затрат енергії становлять функціональну затрату енергії.
Отже, загальні добові затрати енергії включають функціональний та основний обмін енергії. Добові енергетичні затрати значно відрізняються у працівників різних професій.
Залежно від розміру добових енергетичних затрат виокремлюють чотири групи робіт. Згідно з цією класифікацією до легких віднесені роботи, при виконанні яких добові затрати енергії становлять 2200…2600 ккал, до робіт помірної важкості — 2800…3400 ккал, до важких робіт — 3600…4000 ккал, до дуже важких робіт — 4200…6000 ккал.
Зауважимо, що, згідно з цією класифікацією, до легких віднесені розумові та сенсорно-напружені роботи. Насправді важкість цих робіт визначається не стільки м’язовими, скільки нервовими навантаженнями. Тому поділ робіт на групи важкості за показником енергозатрат має обмежене застосування і стосується фізичної праці.
Важливе практичне значення має питання про гранично можливу величину затрат енергії при тривалій роботі. На думку Г. Лемана, при восьмигодинному робочому дні затрати енергії можуть досягати 2500 ккал за зміну. Збільшення навантажень небажане, оскільки воно призводило б до швидкого зношування організму працівника. Якщо ж такі важкі роботи мають місце, то увага організаторів виробництва має бути звернена на раціоналізацію режиму праці і відпочинку.
В цьому зв’язку значний інтерес становить класифікація робіт за їх потужністю. Виділяють п’ять типів таких робіт:
1. Виснажлива робота, при виконанні якої затрати енергії перевищують 20 ккал/хв. Такі роботи можуть виконуватися лише протягом кількох хвилин.
2. Максимальна робота з затратами енергії від 15 до 20 ккал/хв. Вона може виконуватися не довше ніж півгодини.
3. Субмаксимальна робота з затратами енергії 10…15 ккал/хв. Виконання її також обмежене.
4. Інтенсивна робота, при якій затрати енергії складають 5…10 ккал/хв. Ці роботи найбільш поширені, однак величина 10 ккал/хв прийнята як обмежуюча, і робота при таких затратах енергії неможлива протягом восьмигодинного робочого дня.
5. Легка, при якій енергетичні затрати не перевищують 5 ккал/хв.
Зазначимо, що для організму працівника шкідливі як надмірні затрати енергії у процесі праці, так і надто малі.
Дуже важкі роботи, пов’язані з тривалими великими затратами енергії, можуть бути шкідливими для здоров’я працівника, особливо коли не забезпечується повне відновлення працездатності в неробочий час. Наслідком їх може бути виснаження в організмі запасів речовин, які містять енергію. Надмірне зменшення м’язових зусиль, дефіцит рухової активності у процесі праці призводять до професійної гіпокінезії, що вимагає впровадження заходів із раціоналізації режимів праці і відпочинку. Фізіологами доведено, що рівень середньозмінних затрат енергії на м’язову роботу не може бути меншим за 0,5 ккал/хв. При цьому необхідні різні компенсаторні заходи для підтримання здоров’я працівників.
Найефективнішим як щодо результатів праці, так і стану здоров’я є середній, помірний рівень потужності роботи, який отримав назву енергетичного оптимуму. Межі цього оптимуму різні у різних працівників відповідно до їх працездатності. Відхилення від оптимальних енергозатрат як в більший, так і менший бік можливі при виконанні різних робіт. Так, наприклад, складні і точні роботи доцільніше виконувати з затратами енергії, меншими від оптимальних.
Разом з тим для нормального функціонування організму кількість енергії, яка затрачується безпосередньо на м’язову роботу, має становити в середньому за добу не менш як 1200…1300 ккал. Оптимальне фізичне навантаження сприяє підвищенню опірності організму до несприятливих факторів.
Порівняння затрат енергії працівника з обсягом виконаної роботи показує, що такі витрати перевищують абсолютну величину механічної роботи. Це пов’язано з тим, що частина енергії працівника затрачується на статичні напруження, частина — на подолання інерції рухових ланок, частина — на протидію негативним впливам факторів виробничого середовища (мікроклімат виробничих приміщень, шум, забрудненість повітря і т. ін.). Так, вплив температури повітря виявляється в тому, що при охолодженні організму обмін речовин посилюється на 10—20% і більше, помірне зігрівання може зменшити обмін речовин на 3—5%. За умов високих температур обмін речовин може збільшуватися на кілька десятків процентів [22].
Відношення кількості механічної роботи до величини затрат енергії називається енергетичним коефіцієнтом корисної дії. Розрізняють валовий і чистий коефіцієнти корисної дії. Валовий коефіцієнт враховує всі затрати енергії, включаючи основний обмін, а чистий коефіцієнт враховує затрати енергії за винятком основного обміну. Значення енергетичного коефіцієнта корисної дії залежить від багатьох факторів, зокрема від способу виконання роботи, робочої пози, тренованості, здоров’я, рівня втоми працівника і т. п.
Оптимізація енергозатрат має здійснюватися насамперед за рахунок покращання умов праці, раціоналізації трудових процесів і робочої пози, як факторів, що вимагають від працівника додаткової енергії, не пов’язаної з безпосереднім виконанням завдання.
Джерелом енергії для всіх життєвих процесів і функцій є обмін речовин.
Обмін речовин характеризується складними біохімічними реакціями, які полягають в засвоєнні поживних речовин, що надходять із навколишнього середовища, складних перетвореннях цих речовин та виділенні в навколишнє середовище відпрацьованих продуктів.
Процес засвоєння організмом речовин, створення з них нових та відновлення порушених клітин і тканин називається асиміляцією. Процес розпаду складних органічних речовин на прості сполуки називається дисиміляцією. У процесі дисиміляції виділяється енергія, яка використовується для підтримання життєдіяльності органів і систем організму та на виконання роботи. Процеси асиміляції і дисиміляції перебувають у відносній рівновазі. Співвідношення між кількістю енергії, яка надходить до організму з їжею, і витраченою енергією називається енергетичним балансом. Посилення діяльності призводить до посилення процесів дисиміляції. Щоб зберігалась рівновага між надходженням і витрачанням речовин та енергії, необхідно збільшити надходження поживних речовин для посилення процесів асиміляції.
Обмін речовин і обмін енергії — єдиний процес. Кожна органічна сполука, що входить до складу живого організму, має певний запас потенційної енергії. Речовини з великою енергією біологічного окислення називаються макроергічними. Серед останніх особливо велику роль в енергетичному обміні відіграє аденозинтрисфосфорна кислота (АТФ). Вона утворюється з інших макроергічних сполук і нагромаджується в клітинах організму. Найбільша кількість АТФ в скелетних м’язах (0,2—0,5%).
Запас енергії в їжі виражається її калорійністю, тобто здатністю вивільняти при окисленні ту чи іншу кількість енергії.
Для окислення різних поживних речовин потрібна різна кількість кисню. При окисленні 1 г вуглеводів вивільняється 5,05 ккал енергії, 1 г білка — 4,85 ккал, 1 г жирів — 9,3 ккал. Проте якщо на окислення 1 г вуглеводів потрібно 830 мл кисню, 1 г білка — 970 мл, то на 1 г жирів — 2030 мл кисню. Кількість енергії, яка вивільняється при використанні 1 л кисню, називається калоричним еквівалентом. Він становить від 4,7 до 5,05 ккал.
Для визначення калоричного еквіваленту кисню вираховують дихальний коефіцієнт, тобто відношення об’єму видихнутої вуглекислоти до об’єму поглинутого кисню. При окисленні вуглеводів дихальний коефіцієнт дорівнює одиниці, жирів — 0,7. Перемноживши величину спожитого у процесі праці (у мл) кисню на калоричний еквівалент, можна обчислити затрати енергії. Калоричний еквівалент у цих розрахунках беруть на рівні 5 ккал.
Збудження, яке виникає в м’язових волокнах, викликає хімічні процеси, наслідком яких є їх скорочення. Первинною ланкою в ланцюгу хімічних реакцій є розпад АТФ на аденозиндифосфорну і фосфорну кислоти. При цьому з кожної грам-молекули АТФ вивільняється 10000 кал:
АТФ → АДФ + Н3РО4 + 10000 кал.
Ресинтез (відновлення) АТФ полягає в приєднанні до АДФ, що утворилася при розпаді АТФ, молекули фосфорної кислоти. Ця реакція вимагає енергії. У м’язах є речовини, що містять енергію (вуглеводи, жири, білки). Проте ця енергія може вивільнятися лише при їх розпаді.
Ресинтез АТФ відбувається двома шляхами:
● анаеробним (за рахунок розпаду речовин без участі кисню);
● аеробним (за рахунок розпаду речовин при їх окисленні).
Ресинтез АТФ анаеробним шляхом відбувається за рахунок креатинфосфорної кислоти, яка реагуючи з АДФ, віддає їй фосфорну кислоту і відновлює АТФ. Однак запас креатинфосфорної кислоти в м’язах обмежений, тому потужнішим анаеробним механізмом ресинтезу АТФ є реакції розпаду вуглеводів (глікогену, глюкози) до молочної кислоти. Вивільнювана при цьому енергія акумулюється у фосфорних сполуках. Молочна кислота є проміжним продуктом розпаду вуглеводів, нагромадження якої зменшує працездатність м’язів.
Ресинтез АТФ аеробним шляхом відбувається за рахунок окислювального розпаду вуглеводів, жирів та інших речовин до вуглекислоти і води — кінцевих продуктів, які виводяться з організму. При цьому вивільняється велика кількість енергії, яка забезпечує ресинтез АТФ з молочної кислоти. За участю кисню п’ята частина молочної кислоти окислюється до вуглекислоти і води, а енергія, що при цьому вивільняється, використовується для ресинтезу АТФ, глікогену, фосфаткреатину з решти молочної кислоти.
Обидві фази при роботі м’язів відбуваються одночасно, що забезпечує своєчасне виведення з організму кінцевих продуктів розпаду. Це так званий «стійкий стан».
В стані спокою енергія витрачається на синтез різних речовин та на роботу органів і систем організму.
Кількість енергії, яку витрачає організм в стані повного м’язового спокою, натщесерце і при температурі 18—20° С, називається основним обміном. У дорослої людини він становить 1 ккал на 1 кг маси за 1 год. Добовий основний обмін залежить від ваги, віку, статі, стану здоров’я людини та зовнішніх факторів і становить 1400…1700 ккал.
Найбільш інтенсивним чинником, що призводить до посилення обміну речовин, є праця, зокрема динамічна фізична робота. Кількість енергії, яка затрачується на виконання професійної діяльності, характеризується як «робочі калорії» (за висловом Г. Лемана). Крім «робочих калорій», людина затрачує енергію на інші види діяльності, які виконує протягом дня. Ці два види затрат енергії становлять функціональну затрату енергії.
Отже, загальні добові затрати енергії включають функціональний та основний обмін енергії. Добові енергетичні затрати значно відрізняються у працівників різних професій.
Залежно від розміру добових енергетичних затрат виокремлюють чотири групи робіт. Згідно з цією класифікацією до легких віднесені роботи, при виконанні яких добові затрати енергії становлять 2200…2600 ккал, до робіт помірної важкості — 2800…3400 ккал, до важких робіт — 3600…4000 ккал, до дуже важких робіт — 4200…6000 ккал.
Зауважимо, що, згідно з цією класифікацією, до легких віднесені розумові та сенсорно-напружені роботи. Насправді важкість цих робіт визначається не стільки м’язовими, скільки нервовими навантаженнями. Тому поділ робіт на групи важкості за показником енергозатрат має обмежене застосування і стосується фізичної праці.
Важливе практичне значення має питання про гранично можливу величину затрат енергії при тривалій роботі. На думку Г. Лемана, при восьмигодинному робочому дні затрати енергії можуть досягати 2500 ккал за зміну. Збільшення навантажень небажане, оскільки воно призводило б до швидкого зношування організму працівника. Якщо ж такі важкі роботи мають місце, то увага організаторів виробництва має бути звернена на раціоналізацію режиму праці і відпочинку.
1. Виснажлива робота, при виконанні якої затрати енергії перевищують 20 ккал/хв. Такі роботи можуть виконуватися лише протягом кількох хвилин.
2. Максимальна робота з затратами енергії від 15 до 20 ккал/хв. Вона може виконуватися не довше ніж півгодини.
3. Субмаксимальна робота з затратами енергії 10…15 ккал/хв. Виконання її також обмежене.
4. Інтенсивна робота, при якій затрати енергії складають 5…10 ккал/хв. Ці роботи найбільш поширені, однак величина 10 ккал/хв прийнята як обмежуюча, і робота при таких затратах енергії неможлива протягом восьмигодинного робочого дня.
5. Легка, при якій енергетичні затрати не перевищують 5 ккал/хв.
Зазначимо, що для організму працівника шкідливі як надмірні затрати енергії у процесі праці, так і надто малі.
Дуже важкі роботи, пов’язані з тривалими великими затратами енергії, можуть бути шкідливими для здоров’я працівника, особливо коли не забезпечується повне відновлення працездатності в неробочий час. Наслідком їх може бути виснаження в організмі запасів речовин, які містять енергію. Надмірне зменшення м’язових зусиль, дефіцит рухової активності у процесі праці призводять до професійної гіпокінезії, що вимагає впровадження заходів із раціоналізації режимів праці і відпочинку. Фізіологами доведено, що рівень середньозмінних затрат енергії на м’язову роботу не може бути меншим за 0,5 ккал/хв. При цьому необхідні різні компенсаторні заходи для підтримання здоров’я працівників.
Найефективнішим як щодо результатів праці, так і стану здоров’я є середній, помірний рівень потужності роботи, який отримав назву енергетичного оптимуму. Межі цього оптимуму різні у різних працівників відповідно до їх працездатності. Відхилення від оптимальних енергозатрат як в більший, так і менший бік можливі при виконанні різних робіт. Так, наприклад, складні і точні роботи доцільніше виконувати з затратами енергії, меншими від оптимальних.
Разом з тим для нормального функціонування організму кількість енергії, яка затрачується безпосередньо на м’язову роботу, має становити в середньому за добу не менш як 1200…1300 ккал. Оптимальне фізичне навантаження сприяє підвищенню опірності організму до несприятливих факторів.
Порівняння затрат енергії працівника з обсягом виконаної роботи показує, що такі витрати перевищують абсолютну величину механічної роботи. Це пов’язано з тим, що частина енергії працівника затрачується на статичні напруження, частина — на подолання інерції рухових ланок, частина — на протидію негативним впливам факторів виробничого середовища (мікроклімат виробничих приміщень, шум, забрудненість повітря і т. ін.). Так, вплив температури повітря виявляється в тому, що при охолодженні організму обмін речовин посилюється на 10—20% і більше, помірне зігрівання може зменшити обмін речовин на 3—5%. За умов високих температур обмін речовин може збільшуватися на кілька десятків процентів [22].
Відношення кількості механічної роботи до величини затрат енергії називається енергетичним коефіцієнтом корисної дії. Розрізняють валовий і чистий коефіцієнти корисної дії. Валовий коефіцієнт враховує всі затрати енергії, включаючи основний обмін, а чистий коефіцієнт враховує затрати енергії за винятком основного обміну. Значення енергетичного коефіцієнта корисної дії залежить від багатьох факторів, зокрема від способу виконання роботи, робочої пози, тренованості, здоров’я, рівня втоми працівника і т. п.
Оптимізація енергозатрат має здійснюватися насамперед за рахунок покращання умов праці, раціоналізації трудових процесів і робочої пози, як факторів, що вимагають від працівника додаткової енергії, не пов’язаної з безпосереднім виконанням завдання.
