КАЛОРИМЕТРИЯ

Калориметрия (лат. calor тепло + греч, metreo мерить, измерять) — измерение количества тепла, выделяемого (поглощаемого) в ходе различных физических, химических или биологических процессов. Калориметрия биологических и биохимических процессов (биокалориметрия) позволяет количественно характеризовать энергетические и тепловые эффекты отдельных биохимических реакций, деятельность клеточных органелл и клеток, тканей и органов, организма в целом (см. Обмен веществ и энергии, Термохимия).

В соответствии с законами термодинамики (см.) потенциальная энергия химических соединений, участвующих в обмене веществ, выражается их теплосодержанием, или энтальпией. В процессе многоступенчатого распада этих соединений энергия химических связей либо рассеивается в виде тепла (первичная теплота), либо переходит в различные виды работы (сокращение мышц, активный транспорт ионов, люминесценция, осмос, электрические явления и пр.) и также превращается в тепло (вторичная теплота); часть энергии используется на процессы ресинтеза биохим, соединений. Тепловой эффект хим. реакций зависит только от состояния исходного вещества и конечных продуктов (закон Гесса, 1840). В организме тепло не может переходить в другие виды энергии, в связи с чем тепло, выделяемое живым объектом, является конечным продуктом энергетических превращений, а количество его — их точной мерой.

При калориметрических исследованиях измеряются величины тепловых потоков от живого объекта в окружающую среду и рассчитывается количество выработанного тепла и теплосодержание организма; изменение теплосодержания находят на основании данных о массе, теплоемкости и изменении температуры объекта.

Единицами измерения тепла являются килокалория (ккал) или джоуль (Дж) по Международной системе единиц (СИ); 1 ккал = 4,187•10³ Дж. Удельная теплота измеряется в ккал/кг или Дж/кг; тепловой поток — в ккал/час или Вт; удельный тепловой поток — в ккал/м³•час или Вт/м² (см. также Единицы измерения).

Начало биокалориметрии животных и человека относят к исследованиям К. Лавуазье, Лапласа (P. S. Laplace, 1780), которые проводили измерения теплового и газового обмена у морских свинок в ледяном калориметре. На протяжении последующего столетия работами Сенатора (Н. Senator, 1872), Розенталя (Y. Rosenthal, 1878), Ш. Рише (1885), М. Рубнера (1890, 1894) и других исследователей методика и технику калориметрических исследований были значительно усовершенствованы. В лаборатории В. В. Пашутина (1883, 1893) были разработаны калориметры для исследования теплового обмена у животных и человека, в которых о количестве продуцированного тепла судили по повышению температуры воды во внешней (водной) оболочке калориметра. В этих установках были созданы физиологические условия для пребывания испытуемых на протяжении длительного опыта и значительно повышена точность измерений. Дальнейшее развитие методик биокалориметрии шло в направлении повышения чувствительности приборов, увеличения точности измерения потоков тепла и разработки установок и систем, позволяющих исследовать тепловой обмен животных и человека в естественных условиях его жизни и работы.

Тепловой поток (Ф) между внутренней и внешней оболочками калориметра при постоянном температурном режиме пропорционален теплопроводности среды (λ), разделяющей оболочки, и разности температур (Θ) между ними: Ф = λΘ.

Выделяют несколько основных типов калориметров: изотермические (КИ), компенсационные (КК), адиабатические (КА), градиентные (КГ), динамические (КД) и микрокалориметры (МК).

В изотермических калориметрах λ очень велика, и теплота не сохраняется внутри прибора, а быстро переходит в окружающую среду.

Вместе с тем разность температур между внешней и внутренней оболочками очень мала и измерение ее представляет значительные трудности. Тем не менее такая конструкция обеспечивает относительно нормальные (термические) условия для живого объекта в калориметрической камере, т. к. температура в ней не повышается и тем самым не вносится помех в ход исследования. К приборам такого типа следует отнести ледяной калориметр Бунзена. У. Этуотер (1904) значительно усовершенствовал этот прибор. Его установка представляла собой теплоизолированную, вентилируемую камеру, в к-рой человек мог свободно размещаться и работать. Выделенное тепло определяли по количеству воды, протекающей через систему трубок, и ее температуре до и после прохождения через калориметр. Траутмен ц Уэбб (S. Y. Troutman, P. Webb, 1972) предложили калориметр в виде костюма, облегающего тело и состоящего из пластиковых трубочек и изолирующей одежды, покрывающей всю поверхность тела, за исключением лица и стоп. Тепло, отдаваемое телом, определяли по скорости циркуляции воды в трубках и ее температуре. Однако изотермические калориметры имеют существенный дефект — трудность учета теплопотерь в окружающую среду. Этот недостаток частично устранен в компенсационных и адиабатических калориметрах.

Принцип работы компенсационных калориметров состоит в следующем. Имеются две совершенно одинаковые, аналогично расположенные и теплоизолированные калориметрические камеры, в одну из которых помещается исследуемый объект, а в другую (контрольную) — источник тепла, обычно физ. природы. Специальное устройство регистрирует в ходе опытов разность температур между оболочками обоих калориметров и автоматически поддерживает эти температуры на одинаковом уровне, соответственно подогревая контрольный калориметр. Т. о. как бы компенсируются любые, в т. ч. и трудноучитываемые, теплопотери в окружающую среду. Зная количество тепла, выделяющееся в контрольной камере и необходимое для уравновешивания температур, и полагая, что теплоотдача обоих калориметров одинакова, можно определить количество тепла, выделенного исследуемым объектом.

Начиная с исследований Тангля (F. Tangi, 1913) и Хари (P. Hari, 1925) компенсационные калориметры получили относительно широкое распространение, однако громоздкость и высокая стоимость этих приборов, невозможность обеспечения полной идентичности теплообмена для обеих калориметрических камер и некоторые другие причины ограничили их применение.

В микрокалориметрических установках перечисленные недостатки отсутствуют. Комбинацию изотермического и компенсационного калориметров, позволяющую исследовать тепловыделение дрожжей, культур микробов, новорожденных животных и других объектов, предложили Кальве и Прат (E. Calvet, H. Prat, 1963). Их прибор состоит из двух микрокалориметрических камер, одна из которых является рабочим калориметром, а вторая — контрольным. Тепло выводится из рабочей камеры и рассеивается в металлическом блоке, в к-ром равномерно распределено ок. 1800 термопар (рис. 1). Контрольный калориметр служит лишь для обеспечения постоянства экспериментального «нуля» при изменении температуры внешней оболочки и компенсации тепловыделения в рабочем калориметре; точность такого рода калориметров достигает 1 %.

Полная независимость теплообмена в калориметре от влияний окружающей среды достигается в адиабатических калориметрах. В соответствии с уравнением Ф = λΘ в этих аппаратах λ = 0, а следовательно, и Ф = 0. Температура внешней оболочки равна внутренней, что достигается нагреванием или охлаждением прибора с помощью специальной системы теплорегуляции.

Адиабатический метод предложен Персоном (С. С. Person, 1849) и введен в практику теплообменных исследований Ричардсом (Т. W. Richards) с сотр. (1905). Л. Н. Курбатовым с соавт. (1953) были созданы две модели адиабатического калориметра для крупных (собаки, кошки, кролики) и мелких (мыши) животных.

Установка состоит из 4 основных узлов: калориметрической камеры, термостатирующей оболочки, терморегулирующей и измерительной схем.

Расчеты прямой теплопродукции (Θ) производят по формуле:

Θ = CΔR + МCm(t2 — t1) + λV (е2 — e1), (1)

где ΔR — изменение электрического сопротивления, определяемое по мосту Уитстона; С — теплоемкость калориметра; М — вес животного; Ст — теплоемкость тела животного; t1 и t2 — начальная и конечная температуры тела; λ — теплота парообразования; V — объем калориметрической камеры; е1, е2 — начальная и конечная влажность воздуха.

Недостатком адиабатических калориметров является повышение их температуры в процессе опыта и нек-рая инертность измерения теплообмена.

Тепловая инертность приборов и зависимость теплообмена в калориметре от изменений температуры в окружающей среде были в значительной степени преодолены в градиентных калориметрах (рис. 2). Внутренняя поверхность их калориметрической камеры покрыта тонким равномерным слоем изолирующего материала. Градиент температуры внутренней и наружной поверхности слоя пропорционален скорости проведения тепла от исследуемого объекта, находящегося внутри калориметрической камеры. Переход от одного уровня теплоотдачи к другому приводит к быстрому повышению или понижению градиента. Градиент температуры и скорость его изменения зависят от толщины изолирующего слоя. Средняя величина температурного градиента независима от размера, формы и расположения источника тепла и от путей потери тепла организмом (испарение, проведение, излучение).

Величина теплового потока характеризуется уравнением:

Θ = A(λ/D)ΔT, (2)

где Θ — тепловой поток; А — площадь изоляционного слоя; λ — теплопроводность изоляционного слоя; D — толщина изоляционного слоя; ΔT — разность температур внутренней и наружной поверхности. Температура регистрируется с помощью медноконстантановых термоэлементов. Высокая чувствительность градиентных калориметров достигается, с одной стороны, выбором материала и однородностью градиентного слоя, а с другой — наличием большого количества (до 10 тыс.) равномерно расположенных термопар, что, однако, усложняет калориметрические системы этого типа.

В 1973 г. Спиннлер (G. Spinnler) с сотр. описал калориметр для человека с новым типом градиентного слоя, позволяющим длительно с высокой точностью регистрировать теплоотдачу как с поверхности кожи, так и за счет дыхания. Размеры калориметрической камеры 182 X 75,5 X 136 см. Изолирующий слой изготовлен из эпоксидной смолы толщиной 2,4 мм с медным или никелевым контурами на внутренней и наружной сторонах градиентного слоя. Т. к. электрическое сопротивление контуров является функцией температуры, то тепловой поток измерялся на основании разницы сопротивлений цепей, включенных в схему моста Уитстона.

Получили распространение калориметры градиентного типа, представляющие собой костюм, тесно облегающий тело человека и позволяющий ему свободно передвигаться. Эти калориметры (скафандры, пневмокостюмы) созданы в комплексе и на основе специальных средств, изолирующих человека от действия различных вредных факторов окружающей среды (исследования в космическом пространстве, под водой, при высоких и низких температурах окружающей среды, изменениях газовой среды и т. д.).

Разработан метод прямой калориметрии человека в изолирующих средствах защиты. Датчик измерения тепловыделения человека выполнен в виде нательного белья, в трикотажную основу к-рого включаются термочувствительные элементы. Один из датчиков плотно прилегает к телу человека, другой контактирует с окружающей средой. Эти элементы разделены слоем изолирующего материала (градиентным слоем).

Ходи и Касирк (G. L. Hody, J. J. Kacirk, 1972) предложили использовать в качестве градиентного калориметра подводный гермокостюм, снабженный датчиками и закрывающий поверхность тела, за исключением лица, кистей рук и стоп. Однако такие изолирующие костюмы имеют недостаток, т. к. в них остаются непокрытыми голова и дистальные отделы конечностей, что может значительно влиять на тепловой обмен.

Динамические калориметрические камеры изготавливают из тонкого, хорошо проводящего тепло материала, дающего возможность проводить измерения интенсивности, тепловыделения у животных за короткие отрезки в течение длительного времени.

В динамическом калориметре, изображенном на рисунке 3, температура окружающей среды может меняться произвольно в широких пределах за счет изменения температуры термостатированной оболочки калориметра, к-рая играет для камеры роль окружающей среды. Прибор обеспечен системами вентиляции, газового анализа.

Калориметры обладают высокой чувствительностью, малой инерционностью и позволяют проводить измерения теплового потока с точностью до 2%.

Повышение чувствительности калориметров создало предпосылки к созданию микрокалориметров, с помощью которых определяется выделение тепла в ходе биохим, реакций, культурами микроорганизмов и т. п. К микрокалориметрам можно отнести описанный выше калориметр Кальве и Прата.

В термоэлектрическом дифференциальном калориметре Н. И. Путилина с соавт. (1969) высокая чувствительность при относительно низкой инерционности позволяет измерять теплопродукцию изолированных мышц во времени. Бензингер (Т. H. Benzinger, 1967) предложил градиентный микрокалориметр, способный улавливать тепло, выделяемое микроорганизмами, изучать тепловую энергию при гидролизе АТФ, при реакции антигенов с антителами и пр.

Фактическая теплопродукция живого объекта (Θ) определяется уравнением:

Θ = Θкал + Θ_H2O ± ΘT, (3)

где Θкал — тепло, теряемое объектом путем конвекции, проведения, излучения; Θ_H2O — тепло, теряемое объектом при потере влаги (испарение); ΘT — количество тепла, отданное или задержанное телом животного за данный отрезок времени в зависимости от изменения температуры его тела, определяемой по формуле: ΘT = CMΔt, где С — средняя удельная теплоемкость тела, М — вес, Δt — разность температур тела за данный отрезок времени.

При калориметрических расчетах нек-рую сложность представляет определение величины ΘТ. Известно, что температура различных участков тела неодинакова в силу существования поперечного и продольного градиентов температуры оболочки тела (кожи, подкожной клетчатки, поверхностных мышц и конечностей) и в зависимости от разных условий может меняться на несколько градусов. Температура внутренних органов более равномерна и стабильна, ее колебания не превышают 0,5—1,5°. Однако ткани оболочки составляют ок. 50% массы тела, и поэтому сдвиги ее температуры на несколько градусов могут значительно отразиться на величине ΘT. При точных калориметрических расчетах температуру тела (T) определяют по формулам «смешивания», в которых в определенной пропорции учитывается температура внутренних органов (ректальная температура, Tp) и температура оболочки тела (кожная температура, Tк). Известны различные формулы такого рода:

Т = 0,65Tp + 0,35TК; т = 0,8Тр+ 0,2ТК;

T = 0,Тр + 0,3Тк.

В свою очередь Тк выражают в виде «средневзвешенной температуры кожи», представляющей собой сумму частных от деления температуры тех или иных участков кожной поверхности на долю этих участков в общей площади кожного покрова.

Для характеристики стабильного теплового обмена человека необходимо создание условий так наз. термического комфорта, т. е. совокупности условий воздуха и лучистого тепла, в которых человек субъективно испытывает приятное тепло, удерживает нормальный тепловой обмен, сохраняет нормальную температуру своего тела и не выделяет пота.

С помощью К. показана приложимость закона сохранения и превращения энергии и второго начала термодинамики к живым организмам (см. Термодинамика), возможность и границы применения газового обмена (непрямая К.) для характеристики энергетического обмена животных и человека в условиях нормы и патологии. Калориметрические исследования необходимы для изучения теплового баланса организма или его частей при эндогенных и экзогенных нарушениях теплового обмена.

Калориметрия в условиях нормы и патологии. Использование калориметров позволяет точно измерить количество освобождаемого организмом тепла и дать возможность сопоставить величину всей энергии, освобожденной организмом в виде тепла, с количеством поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, т. е. с величиной газообмена (см.). Значительное совпадение между результатами, полученными при исследовании энергетического обмена методами прямой К. и определения интенсивности газообмена у человека в условиях покоя, позволило рассматривать последний метод как метод непрямой К. Поскольку источником энергии в организме являются окислительные процессы, при которых потребляется кислород и образуется углекислый газ, то определение газообмена для оценки энергетических процессов организма, сопровождающихся выделением тепла, оправдано. Потребление кислорода и образование углекислого газа происходит во всех органах и тканях. Отношение выделяющегося из организма углекислого газа к количеству потребляемого кислорода неодинаково и зависит от преимущественного окисления углеводов, жиров или белков. Это отношение получило название дыхательного коэффициента (см.). Его определение дает возможность судить о качественных особенностях обмена веществ, напр, о преобладании окисления углеводов или жиров. С дыхательным коэффициентом тесно связан другой показатель энергообмена — калорический эквивалент кислорода (т. е. количество тепла, выделяемое организмом при потреблении 1 л кислорода). Его величина колеблется от 4,7 ккал при окислении жиров до 5 ккал при окислении углеводов. Кроме того, освобождение строго определенных количеств энергии при окислении белков, жиров и углеводов даст возможность их замены в соотношениях, соответствующих теплоте их сгорания (так наз. закон изодинамии).

Первоначально газообмен у человека и у животных определяли в специальных камерах, имеющих замкнутую систему, напр, в респирационной камере Шатерникова (см. Шатерникова камера), в к-рой непрерывная циркуляция воздуха, очищающегося от углекислого газа, и непрерывное поступление кислорода обеспечивали возможность длительного пребывания в камере человека или животного. Достоинством приборов закрытого типа является то, что искомые величины определяются ими без промежуточных измерений с высокой степенью точности, имеется возможность записывать сопрограмму. К недостаткам можно отнести то, что в процессе исследования человек дышит искусственно составленной газовой смесью и что они применяются гл. обр. в условиях покоя. Указанные недостатки отсутствуют в аппаратах открытого типа, в которых дыхание осуществляется атмосферным воздухом. В выдыхаемом воздухе определяется концентрация кислорода и углекислого газа, точно подсчитывается дыхательный коэффициент. Наибольшее распространение в клинике получили приборы Дугласа — Холдейна, в которых выдыхаемый воздух собирается в специальном резиновом мешке, анализируется с помощью наборов поглотителей кислорода и углекислого газа, а объем измеряется газовыми часами. Для исследования газообмена используются также приборы типа «БЕЛЛАУ», «Спиролит», ПГИ-1 и ПГИ-2, включающие газоанализаторы и счетчики выдыхаемого воздуха.

Методы К. позволили экспериментально проверить закон сохранения и превращения энергии в животном организме, показали полную приложимость его к жизнедеятельности в физиол, условиях. Они позволили открыть у человека и животных суточную периодику теплопродукции, зависимость теплообмена от величины поверхности тела («закон поверхности» Рубнера, 1883), влияние на уровень энергетического обмена работы, питания, температуры окружающей среды, а также возраста.

Если в детском организме отмечен высокий уровень обмена веществ и энергии, то с возрастом наблюдается нек-рое снижение окислительных процессов. Так, минутный объем дыхания, рассчитанный на единицу веса, у семимесячного ребенка равняется 500, двухлетнего — 330, а у взрослого 100—120 мл. Возрастное снижение энергетического обмена характеризуется постоянством и не меняется в разнообразных условиях окружающей среды (К. М. Максутов, А. Т. Тыныбеков, 1969). Изучен обмен веществ при голодании, исследовано специфически-динамическое действие пищи, ее компонентов: белков, жиров, углеводов. Так, уровень энергетического обмена при преимущественно жировом и белковом питании при обычной температуре окружающей среды оказался значительно выше (соответственно на 14,3 и 34,7%), чем при смешанном питании (Р. Ахмедов, 1966). К. широко используют при решении различных вопросов сан.-гиг. характера, апробации специального снаряжения и т. д. Показано, напр., что улучшение условий труда на автозаводе им. И. А. Лихачева привело к уменьшению энергозатрат, которые составили в среднем 3650 ккал в сутки (А. П. Борисов, Н. Г. Щепкин, 1966), что на 550 ккал меньше, чем энергозатраты рабочих тех же цехов завода по данным 30-х гг. Изучение влияний активного отдыха на энергообмен у лиц молодого и пожилого возраста показало прогрессирующее уменьшение потребления кислорода, а также кислородной «стоимости» выполненной работы. Установлено, что дозированный активный отдых, обеспечивая более физиол, «вхождение» пожилого организма в работу (Э. Г. Яненко, 1968), способствует устранению легочной недостаточности, развивающейся с возрастом.

К. нашла широкое применение в клинике при определении уровня основного обмена (см.). Имеется много данных о показателях основного обмена при атеросклерозе, ревмокардитах, гипертонической болезни, различных проявлениях сердечно-сосудистой недостаточности, инфекционных и токсических поражениях печени и т. д. Изучение основного обмена у больных с хроническими заболеваниями легких, сопровождающимися эмфиземой, показало преимущественное его повышение. Факторами повышения основного обмена могут быть, в частности, усиление работы аппарата внешнего дыхания, бронхолегочная инфекция, сердечная недостаточность, гипертиреоз и т. д. В то же время отсутствие повышения или даже снижение основного обмена у больных с выраженной эмфиземой легких и сердечной недостаточностью рассматривается как проявление абсолютной недостаточности всей дыхательно-циркуляторной системы, в результате к-рой не обеспечивается повышенная потребность организма в кислороде. При атеросклерозе констатировано преимущественное понижение дыхательного коэффициента, свидетельствующее о значительном нарушении жирового обмена. Отмечено повышение основного обмена у больных септическим эндокардитом и другими заболеваниями.

Совершенствование методов микрокалориметрии позволяет изучать энергетические процессы в различных микроорганизмах, прорастающих семенах (под влиянием влажности, температуры и т. д.). Широкое использование методов физиол. К. показало ограниченность метода непрямой К. Если при исследованиях в состоянии покоя или при легкой физ. нагрузке показатели энерготрат, определяемые прямой и непрямой К., практически совпадают, то при интенсивной физиологической деятельности, связанной с напряжением энергетического и теплового обмена, результаты прямых и непрямых калориметрических исследований существенно расходятся. Значительные расхождения в результатах отмечены и при исследовании некоторых патологических состояний человека. Последнее усиливает при исследованиях, требующих исключительной точности, тенденцию или отказываться от простых и доступных методов непрямой К., или проводить их с одновременным контролем прямой К.

 

Библиография: Городинский С. М., Глушко А. А. и Орехов Б. В. Калориметрия в Изолирующих средствах защиты человека, М., 1976; Дульнев Г. Н., Пилипенко Н. В. и Платунов Е. С. Динамический биокалориметр, Изв. высш. учебн. заведений, Приборостроение, т. 14, № 5, с. 111, 1971, библиогр.; Кальве Э. и Прат А. Микрокалориметрия, пер. с франц., М., 1963, библиогр.; Чередниченко Л. К. Физиологическая калориметрия, М.—Л., 1965; Lavoisier A. L. et de Lapias e P. S. Memoire sur la chaleur. Acad. Sci. (Paris), p. 355, 1780; Spinnler G. a. o. Human calorimeter with a new type of gradient layer, J. appl. Physiol., v. 35, p. 158, 1973.

Л. К. Чередниченко; В. Г. Зилов (физ.).