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 калорич-ний 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 AДФ + H₃РО₄+ 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 середньо-змінних 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.