ما هي أشكال الطاقة؟
أشكالاً متعددة، منها الطاقة الكيميائية، والطاقة الكهربائية، (Energy) تأخذ الطاقة
والطاقة الكهرومغناطيسية، والطاقة الحرارية، والطاقة الميكانيكية، والطاقة النووية . وطبقاً
لقوانين الديناميكا الحرارية، فإن الطاقة لا تفنى بل تتحول من شكل إلى آخر، فالطاقة
الكيميائية على سبيل المثال يمكنها أن تتحول إلى طاقة كهربائية تخزن في البطارية التي
تستخدم بدورها لإنتاج الطاقة الميكانيكية . كذلك بالنسبة للعمليات الحيوية داخل الإنسان نجد أن
أو (Adenosine triphosphate) الطاقة الكيميائية الموجودة على هيئة أدينوسين ثلاثي الفوسفات
تتحول إلى طاقة ميكانيكية (على هيئة شغل ناتج (Creatine Phosphate) فوسفات الكرياتين
عن انقباض العضلات ) وأخرى حرارية (حرارة منبعثة من الجسم ). بالإضافة إلى الانقباض
العضلي، فإن الطاقة داخل الإنسان تستخدم لأغراض عدة، حيث تستخدم الطاقة الحرة لبناء
Active ) خلايا جديدة وترميم الخلايا التالفة، كما تستخدم بغرض عمليات النقل النشط
للعديد من المواد مثل الجلوكوز والكالسيوم عبر غشاء الخلية. (transport
مصادر الطاقة لدى الإنسان
إن مصدر الطاقة لدى الإنسان هو الطعام المتناول، الذي يتكون بشك ل رئيسي من
الكربون والهيدروجين والأكسجين بالإضافة إلى النيتروجين في حالة البروتينات . ومن المعلوم
في الطعام تعد ضعيفة، وبالتالي فهي لا توفر إلا (Molecular bonds) أن الروابط الجزيئية
طاقة محدودة عند فكها، لذا فإن الطاقة المخزنة في الطعام تتحلل كيميائياً داخل خلايا الجسم
الذي يستخدم (ATP) وتخزن على هيئة مركب غني بالطاقة يدعى أدينوسين ثلاثي الفوسفات
الذي (ADP) في عمليات الأيض ، ثم ينتهي به الأمر وقد تحول إلى أدينوسين ثنائي الفوسفات
يعاد شحنه مرة أخرى ليصبح أدينوسين ثلاثي الفوسفات ذو الطاقة العالية.
إن الوقود الم ستخدم لإنتاج الطاقة في الجسم يتكون من المواد الكربوهيدراتية والدهنية،
بينما يكون الدور الرئيسي للبروتينات هو بناء الخلايا وترميم التالف منها، وبالتالي فإن
البروتينات لا تستخدم إلا في حالات نادرة كمصدر للطاقة وذلك عندما ينتهي المخزون من
الكربوهيدرات والدهون كما في حالات المجاعة . على أن الأحماض الأمينية التي هي
المكونات الأساسية للبروتينات يمكن أن تستخدم كمصدر للوقود أثناء الجهد البدني التحملي
ولكن على نطاق محدود لا تتجاوز نسبته ٥%. ويوضح الجدول رقم ( ١) المخزون من الطاقة
في جسم الإنسان المتوسط الوزن والذي لد يه نسبة طبيعية من الشحوم ( ١٥ % من وزن
الجسم)، ويظهر من الجدول أن مجمل الطاقة القادمة من مخزون الجسم من الكربوهيدرات لا
٣
تتجاوز ٢٠٠٠ كيلو سعر حراري ، معظمها يأتي من جلايكوجين العضلات ، بينما ي صل
مجموع الطاقة الممكن الحصول عليها من الشحوم المخزنة في الجسم إلى قر ابة ١٠٠ ألف
كيلو سعر حراري، وهي طاقة تكفي الشخص من الناحية النظرية لأن يجري ٤٠ سباقاً
للماراثون بشكل متواصل.
جدول رقم ( ١): مقدار المخزون من الطاقة في جسم الإنسان الذي يزن ٧٠ كجم ولديه نسبة
.% من الشحوم تبلغ ١٥
مقدار المخزون
نوع الطاقة
جرام كيلو سعر حراري
الكربوهيدرات:
جلايكوجين الكبد
١١٠
٤٥١
١٤٣٥ جلايكوجين العضلات ٣٥٠
٦٢ جلوكوز في سوائل الجسم ١٥
١٩٤٨ المجموع: ٤٧٥
الدهون:
شحوم تحت الجلد
١٠٥٠٠
٩٥٥٥٠
١٨٢٠ شحوم داخل العضلات ٢٠٠
٩٧٣٧٠ المجموع: ١٠٧٠٠
ويعطي كل جرام من الدهون عند أكسدته بالكامل (أي حرقه في وجود الأكسجين) طاقة
حرارية ( ٩,٤ كيلو سعر حراري) أكبر مما يعطيه جرام واحد من الكربوهيدرات ( ٤,١ كيلو
سعر حراري)، لكن الدهون في المقابل تستهلك كمية أكبر من الأكسجين عن حرقها
واستخدامها كمصدر للطاقة داخل جسم الإنسان، الأمر الذي يجعل استخدام الكربوهيدرات
كوقود أكثر اقتصادية من استخدام الدهون (أي أكثر توفيراً للأكسجين)، وبالتالي تعطينا طاقة
حرارية أكبر من الدهون مقابل استخدام لتر واحد من الأكسجين ( ٥,٠٦ مقابل ٤,٦٨ كيلو
أما إذا كان الوقود خليطاً .(O أو ٢١,٢ مقابل ١٩,٦ كيلو جول/ لتر 2 ،O سعر حراري/ لتر 2
٤
من الدهون والكربوهيدرات، كما هو حاصل في معظم الأنشطة البدنية المعتدلة الشدة، فإن كل
لتر من الأكسجين المستهلك يعطي ٢٠,٣ كيلو جول في الدقيقة ( ٤,٨٥ كيلو سعر حراري).
ويبين الجدول رقم ( ٢) مقادير الطاقة الناتجة عن أكسدة كل من الكربوهيدرات
.(Respiratory Quotient) والدهون والبروتينات، وكذلك قيم المعامل التنفسي الخلوي
والمعروف أن المعامل التنفسي الخلوي يساوي حاصل قسمة حجم ثاني أكسيد الكربون المنتج
ويتراوح بين ٠,٧ عندما ،(Steady state) على حجم الأكسجين المستهلك أثناء حالة الاستقرار
تكون الدهون هي الوقود المستخدم ١٠٠ % في عمليات التنفس الخلوي، إلى ١,٠ عندما تكون
الكربوهيدرات هي الوقود المستخدم ١٠٠ % في عمليات التنفس الخلوي (أي في عمليات أنتاج
(Respiratory quotient) الطاقة بواسطة النظام الهوائي). ونظراً لأن المعامل التنفسي الخلوي
لا يأخذ في الاعتبار الطاقة القادمة من البروتين (والتي تمثل نسبة منخفضة من مجموع الطاقة
الكلية في الأحوال الاعتيادية ) فإنه يمكن تقدير الطاقة المصروفة من خلال المعامل التنفسي
على النحو التالي (Weir) باستخدام معادلة وير (None- Protein- RQ) الخلوي غير البروتيني
(إهمال البروتين يقود إلى خطأ لا يتجاوز ٢% فقط).
الطاقة المصروفة (بالكيلو سعر حراري) =
المعامل التنفسي الخلوي)]. × ١,١) + ٣,٩] × ( استهلاك الأكسجين (باللتر
جدول رقم ( ٢): الطاقة الناتجة عن أكسدة أنواع الوقود الثلاث، وقيم المعامل التنفسي الخلوي.
نوع الوقود المستخدم
الفقرة
الكربوهيدرات الدهون البروتينات
الطاقة الناتجة عن أكسدة جرام واحد من
٤,٦ ٩,٣ الوقود (كيلو سعر حراري) ٤,١
مقدار الأكسجين المستخدم عند أكسدة جرام
١ ٢,٠ واحد من الوقود (باللتر) ٠,٨
الطاقة ال ناتجة عن استخدام لتر واحد من
(O الأكسجين (كيلو سعر حراري/لتر 2
(O (كيلو جول/لتر 2
٥,٠٦
٢١,١٨
٤,٦٨
١٩,٥٩
٤,٦
١٨,٧٥
٠,٨٢ ٠,٧٠ ١,٠٠ (RQ) قيمة المعامل التنفسي الخلوي
McArdle, Katch & Katch, المصدر: . 1991
٥
كيف يتم صرف الطاقة من قبل الجسم
إن لم عادلة اتزان الطاقة طرفان، الطرف الأول هو الطاقة المستهلكة أو المتناولة
وهي الطاقة الحرارية المتناولة من قبل الجسم (الطعام المتناول )، بينما ،(Energy intake)
ويمكن تقسيم الطاقة .(Energy Expenditure) يمثل الطرف الثاني الطاقة المصروفة
المصروفة إلى ثلاثة أجزاء، هي الطاقة المصروفة أثناء الراحة، والمعروفة اختصاراً
وأخيراً ،(Thermal effect of food) والطاقة المصروفة من جراء استهلاك الطعام ،(RMR)
الطاقة المصروفة من جراء النشاط البدني اليومي، سواء كان نشاطاً حياتياً اعتيادياً أو نشاطا ً
رياضياً، ويوضح الشكل رقم ( ١) عن اصر كل من الطاقتين المصروفة والمتناولة . والمعروف
أن مصروف الطاقة في الراحة يمثل النسبة الأكبر من الطاقة المصروفة في اليوم (حوالي ٦٠
٧٠ %)، وهو المصروف اللازم للوفاء باحتياجات الجسم الحيوية أثناء الراحة، مثل عمليات –
التنفس وعمل القلب ، وضخ الدم، واتزان السوا ئل، ونشاط الجهازين العصبي والعضلي، علماً
بأن معدل مصروف الطاقة في الراحة (الذي يوازي مكافئ أيضي واحد) يعد أعلى من معدله
أثناء النوم (الذي يعادل ٠,٩ مكافئ أيضي) - أنظر لاحقاً إلى تعريف المكافئ الأيضي.
شكل رقم ( ١): معادلة اتزان الطاقة في الجسم، والعناصر المكونة لكل من الطاقتين
المصروفة والمتناولة
BMR
Thermal Effect of Food
Physical Activity
Dietary intake
الطعام المتناول
الأیض القاعدي
طاقة هضم الطعام
النشاط البدني
الطاقة المصروفة
Energy Expenditure
الطاقة المتناولة
Energy Intake
٦
أما الطاقة المصروفة في استهلاك الطعام وهضمه وامتصاصه وتخزينه فتقدر بحوالي
١٠ % من مجموع الطاقة الكلية المتناولة في اليوم من قبل الشخص، ويتأثر هذا الجزء بعدد
مرات تناول الطعام ، وكميته ، ونوعه . وتعد الطاقة المصروفة من خلال النشاط البدني الأكثر
تفاوتاً بين الأفراد، والأكبر تأثيراً على توازن الطاقة في الجسم ، ويدخل ضمن ذلك الطاقة
المصروفة نتيجة النشاط البدني والحركي المبذول في المنزل وفي العمل وفي الرياضة
والترويح (أنظر الشكل رقم ٢). والمعروف أن زياد ة مقدار الط اقة المتناولة أو انخفاض
النشاط البدني (أو كلاهم ا) يقودان إلى البدانة، كما أن انخفاض النشاط البدني يؤدي بدوره إلى
انخفاض اللياقة البدنية، وكذلك فإن زيادة البدانة تقود بدورها إلى انخفاض اللياقة البدنية،
وعليه فإن النشاط البدني يؤثر على البدانة ويتأثر بها.
شكل رقم ( ٢): مكونات الطاقة المصروفة ونسبة مشاركة كل مكون منها ضمن الطاقة الكلية.
ويتفاوت معدل الطاقة الكلية المصروفة من قبل الأفراد تبعاً لمعدل نشاطهم البدني، لكن
من المعتقد أن الحد الأدنى من معدل الأيض قي الجسم هو ١,٤ أضعاف معدل الأيض
ويدخل في ذلك الطاقة اللازمة للأيض القاعدي، والطاقة ،(BMR) القاعدي أو الأساسي
اللازمة لاستهلاك الطعام، والطاقة الضرورية للقيام بالحد الأدنى من الأنشطة البدنية اليومية .
أما الحد الأعلى للطاقة المصروفة من قبل الجسم، فنلاحظها لدى بعض الرياضيين الذين
Basal Metabolic Rate
(60-70%)
Thermal Effect of Food (10%)
النشاط البدني Physical Activity (20-30%)
طاقة هضم الطعام
الألأیض القاعدي
٧
ينخرطون في تدريبات بدنية شاقة ومنافسات رياضية حادة، مثل طواف فرنسا للدراجات،
الذي يتكون من ٢٠ مرحلة ويدوم ثلاثة أسابيع، حيث يصل معدل الطاقة المصروفة من قبل
٥,٥ ضعف ما هو علية معدل الأيض القاعدي، - هؤلاء الرياضيين إلى معدل عال يبلغ ٣,٥
معدل الأيض القاعدي) ÷ علماً بأن الطاقة المصروفة في اليوم (متوسط معدل الأيض في اليوم
.٢,٥ - لدى عامة الناس تتراوح من ١,٢
ما هي وحدات قياس الطاقة المصروفة من قبل الجسم
يتم التعبير عن الطاقة المصروفة بالكيلو جول في الدقيقة، أو بالكيلو سعر حراري في
الدقيقة (الكيلو سعر حراري يساوي ٤,١٨ كيلو جول)، أو بمقدار استهلاك الجسم من
الأكسجين باللتر في الدقيقة. بالإضافة على ما سبق، يمكن التعبير عن مقدار الطاقة المصروفة
،(MET) والذي يرمز له عادة بالرمز ،(Metabolic Energy Turnover) بالمكافئ الأيضي
وهو يعني مقدار الطاقة المصروفة من قبل الجسم أثناء النشاط منسوبة إلى ما يصرف أثناء
الراحة (أي مضاعفات الطاقة المصروفة في الراحة)، ويبلغ مقدار الطاقة المصروفة في
الراحة مكافئ أيضي واحد، أما أثناء النوم فإن الطاقة المصروفة تعادل ٠,٩ مكافئ أيضي.
ومن المعلوم أن استهلاك الأكسجين من قبل الجسم في الراحة يساوي تقريباً ٣,٥ ملي لتر لكل
كيلوجرام من وزن الجسم في الدقيقة (أي أن شخصاً وزنه ٧٥ كجم يبلغ استهلاكه للأكسجين
في الراحة ما يعادل ٢٦٢ ملي لتر في الدقيقة، أو ١٥,٧٥ لتراً في الساعة). وبذلك يمكن
حساب الطاقة المصروفة من قبل الجسم في الراحة، حيث تبلغ مقدار واحد كيلو سعر حراري
لكل كيلو جرام من وزن الجسم في الساعة، أو ما يعادل ٤,٢ كيلو جول لكل كيلو جرام من
وزن الجسم في الساعة، أي أن الطاقة المصروفة في الراحة لشخص كتلته ٧٥ كجم تبلغ ٧٥
كيلو سعر حراري في الساعة، أو ١,٢٥ كيلو سعر حراري في الدقيقة.
وعندما يتم حساب الطاقة المصروفة أثناء النشاط البدني بالمكافئ الأيضي، فالمعروف
أن الأنشطة البدنية التي تتطلب أقل من ٣ مكافئ أيضي تعد أنشطة بدنية منخفضة الشدة، وتلك
٦ مكافئ أيضي تعد أنشطة بدنية معتدلة الشدة، أما الأنشطة البدنية – الأنشطة التي تتطلب ٣
التي تتطلب أكثر من ٦ إلى ٩ مكافئ أيضي فتعد مرتفعة الشدة، وتلك التي تتجاوز ٩ مكافئ
أيضي تعتبر أنشطة بدنية مرتفعة جداً، والمعلوم أن معظم الأنشطة البدنية الحياتية من أكل
وارتداء ملابس واستحمام والقيام بالأعمال البدنية الاعتيادية مثل حمل الحاجيات الخفيفة وما
٣ مكافئ أيضي، علماً بأن المكافئ الأيضي الأقصى المتوقع لشاب - شابه ذلك يقع في نطاق ٢
١٣ مكافئاً أيضياً، إلا أن هذا الرقم يبدأ في التضاؤل تدريجياً – غير رياضي يبلغ حوالي ١٢
مع التقدم في العمر بعد تجاوز الشخص نهاية العشرينات من عمره.
٨
كيفية قياس الطاقة المصروفة من قبل الجسم
إن جميع العمليات الحيوية داخل جسم الإنسان يتم فيها استخدام الطاقة وينتج عنها
حرارة. ويقوم الجسم بالتخلص من الحرارة المنبعثة من جراء عمليات الأيض هذه بوسائل
عدة، منها الحمل، والإشعاع، والتوصيل، وتبخر العرق. والمعروف أن تحويل الطاقة الكيمائية
داخل العضلات (الناتجة من التمثيل الغذائي داخل الجسم) إلى طاقة ميكانيكية (شغل عضلي)
يتم بكفاءة لا تزيد عن ٢٥ %، مما يعني أن ما يربو على ٧٥ % من الطاقة الكيمائية داخل
الجسم تتحول إلى حرارة يتم التخلص منها من قبل الجسم. ويعتبر معدل إنتاج الحرارة في
الجسم مؤشراً دقيقاً على معدل العمليات الأيضية (الحيوية) التي تجري داخل الجسم، أي
مؤشراً لمعدل الطاقة المصروفة من قبل الجسم. ويوضح الشكل رقم ( ٣) معادلة التنفس
الخلوي، المؤدية لإنتاج الطاقة داخل خلايا الجسم، حيث تستخدم عموماً كل من المواد الدهنية
والكربوهيدراتية (وبنسبة ضئيلة جداً يمكن استخدام الأحماض الأمينية) في عمليات إنتاج
الطاقة. إن مقدار الطاقة الحرارية المنتجة من عملية التنفس الهوائي عند حرق مول واحد من
الجلوكوز (بواسطة الأكسجين) تقدر بما يساوي ٦٨٦ كيلو سعر حراري. هذه الحرارة
المنبعثة من التحلل الجلوكوزي ترتبط ارتباطاً وثيقاً مع مقدار الوقود المستخدم (في هذه الحالة
الجلوكوز) وبالتالي مقدار الأكسجين المستخدم، وعليه فكلما كان الأكسجين المستخدم في حرق
الوقود أكبر كانت الطاقة الحرارية أكبر.
شكل رقم ( ٣): معادلة التنفس الخلوي، حيث ينتج حرارة من جراء حرق الوقود (في هذه
الحالة سكر الجلوكوز) بواسطة الأكسجين.
سكر الجلوكوز
١ مول ) )
6 O2 + C6 H12 O6 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
686 Kcal
الطریقة المباشرة
Direct Calorimetry
الطریقة غیر المباشرة
Indirect Calorimetry
قیاس معدل انتاج الحرارة قیاس معدل استهلاك الأكسجین
٩
ولقياس الطاقة الحرارية المنبعثة مباشرة من الجسم، يلزمنا استخدام ما يسمى بمقياس
أي قياس الطاقة الحرارية المنبعثة مباشرة ،(Direct calorimeter) الطاقة الحرارية المباشر
من الجسم، وهذا الإجراء يتطلب وجود غرفة خاصة مجهزة لهذا الغرض، تكون معزولة عن
المحيط الخارجي، يتم بداخلها قياس مقدار الحرارة المنبعثة من الجسم، سواء كان ذلك أثناء
الراحة أم أثناء النشاط البدني. وعادة ما تكون هذه الغرفة معزولة تماماً عن الوسط الخارجي
ومجهزة بأنابيب من الداخل يمر فيها تيار مائي، ويتم قياس الفرق بين درجة حرارة تيار الماء
الداخل إلى الغرفة والتيار المائي الخارج منها (أنظر الشكل رقم ٤)، ومن ثم يتم تحويل ذلك
إلى سعرات حرارية، حيث يدل انخفاض درجة حرارة لتر واحد من الماء درجة مئوية واحدة
على فقدان كيلو سعر حراري واحد. علماً بأنه يتم الأخذ بالحسبان الحرارة المنبعثة من بخار
الماء في تيار الهواء الداخل إلى الغرفة.
وفي وقتنا الحاضر، لا يوجد في كل دول العالم إلا مجموعة محدودة من غرف القياس
المخصصة لرصد الحرارة المنبعثة من الجسم، وتستخدم بشكل رئيسي في أغراض البحث
العلمي. وفي الآونة الأخيرة حدث تطور في قياس الحرارة المنبعثة من الجسم عن طريق
تصنيع بذلة تحتوي أنابيب يمر فيها الماء، ويمكن لبسها من قبل المفحوص، وبالتالي قياس
الحرارة المنبعثة منه سواء أثناء الراحة أو أثناء النشاط البدني، لكنها تظل أكثر تعقيداً مما
يمكن تصوره، وبالتالي فهي ليست في الواقع طريقة عملية عدا لأغراض البحث العلمي.
شكل رقم ( ٤): الغرفة الحرارية لقياس الحرارة المنبعثة من الجسم أثناء الجهد البدني باستخدام
( Wilmore J, Costill D. Physiology of Sport and Exercise, 1994, p. السير المتحرك (الصورة من: 130
١٠
ونظراً لصعوبة استخدام الطريقة المباشرة لقياس الحرارة المنبعثة من الجسم، يتم
(Indirect اللجوء إلى ما يسمى بالطريقة غير المباشرة لقياس الحرارة المنبعثة من الجسم
ومن ذلك قياس معدل استهلاك الأكسجين وإنتاج ثاني أكسيد الكربون من قبل ،calorimetry)
الجسم، سواء كان ذلك في الراحة أم أثناء الجهد البدني، فالمعروف أن الأكسجين المستنشق
يتم استخدامه من قبل الجسم في حرق الوقود (المواد الكربوهيدراتية، والدهون، وإلى حد أقل
البروتينات) من خلال عمليات أيضية هوائية (عمليات التمثيل الغذائي داخل الخلايا)، ويتم
إنتاج ثاني أكسيد الكربون كناتج أيضي يخرج عن طريق هواء الزفير، بالإضافة إلى إنتاج
الماء. ويمكن بدقة ويسر تقدير الطاقة المصروفة أثناء الجهد البدني من خلال معرفة معدل
خاصة في حالة الاستقرار ،(RQ) استهلاك الأكسجين ومقدار المعامل التنفسي الخلوي
حيث يكون المعامل التنفسي الخلوي يساوي ١ صحيح في حالة حرق ،(Steady state)
÷ ١٦) % ١)، وحوالي ٠,٧ في حالة حرق الدهون ١٠٠ = ٦ ÷ ٦) % الكربوهيدرات ١٠٠
.( ٠,٦٩٥ )، كما هو موضحاً في الشكل رقم ( ٥ + ٢٣
تبعاً لنوع الوقود المستخدم، فالدهون (RQ) شكل رقم ( ٥): يختلف مقدار المعامل التنفسي الخلوي
كما هو موضح في الشكل تستهلك كمية أكبر من الأكسجين مقابل كمية ثاني أكسيد الكربون المنتج
.( ٢٣ مقابل ١٦ )، مقارنة بالكربوهيدرات ( ٦ مقابل ٦ )
وتتناسب في الواقع عملية استخدام الأكسجين تناسباً طردياً مع الطاقة المنتجة من قبل
الجسم. كما نلاحظ أثناء الجهد البدني المتدرج وجود علاقة خطية قوية بين استهلاك الأكسجين
وشدة الجهد البدني المبذول سواء كان ذلك بالشمعة أو بسرعة الجري. ويوضح الشكل البياني
رقم ( ٦) رسماً بيانياً لمعدلات استهلاك الأكسجين وكذلك الطاقة المصروفة لشاب رياضي
أثناء قيامة بالجري على السير المتحرك عند سرعات مختلفة تراوحت من ١٠ كم في الساعة
6 O2 + C6 H12 O6 6 CO2 +6 H2O + 38 ATP
C16 H32 O2 + 23 O2 16 CO2 + 16 H2O + 129 ATP
سكر الجلوكوز
حمض النخلیك
١١
إلى ١٦ كم في الساعة، بلغت خلالها مقادير الطاقة الحرارية التي تم صرفها من قبله أثناء
الجري من ٧,٩ كيلو سعر حراري في الدقيقة عند السرعة الدنيا إلى ١٢,٧ كيلو سعر حراري
في الدقيقة عند السرعة العليا.
وفي الأعوام القليلة الماضية حدث تطوراً كبيراً في تقنية أجهزة قياس استهلاك
الأكسجين، ومع توافر أجهزة صغيرة الحجم وسهلة الحمل تقوم بتخزين بيانات استهلاك
الأكسجين وإنتاج ثاني أكسيد الكربون ليتم تحليلها لاحقاً، أصبح بالإمكان استخدام هذه التقنية
ميدانياً وإجراء قياسات استهلاك الأكسجين وتقدير الطاقة المصروفة للعديد من الحالات خارج
المختبر بيسر وسهولة، إلا أن تكلفة هذه الأجهزة ما تزال مرتفعة، حيث يتراوح سعرها من
٤٠ ألف دولار أمريكي، وبالتالي فهي مقتصرة على المختبرات المجهزة تجهيزاً جيداً – ٣٠
ومراكز البحث العلمي، خاصة في فسيولوجيا الجهد البدني والطب الرياضي. وفي وقتنا
الحاضر لا تقتصر عملية تقدير الطاقة المصروفة عن طريق قياس استهلاك الأكسجين على
مجالات الطب الرياضي، بل تتعداها للعديد من المجالات الأخرى مثل التغذية والتأهيل والطب
الصناعي، كما في حالات قياس الطاقة المصروفة من قبل العديد من المهن التي تتطلب جهداً
بدنياً كرجال الدفاع المدني، على سبيل المثال.
شكل رقم ( ٦): معدل استهلاك الأكسجين والطاقة المصروفة بالكيلو سعر حراري لشاب رياضي
١٦ ،١٤ ،١٢ ، عمره ٢١ سنة أثناء جريه على السير المتحرك عند أربع سرعات هي ١٠
( كم/ساعة. (المصدر: الهزاع، ١٩٩٣
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
10 12 14 16
الزمن (ق)
السرعة (كم/ س)
٧٫٩ ك ك / ق
١٢٫٧ ك ك / ق
استهلالاك الالاكسجین (مل/كجم. ق)
ق)
١٢
معدل الطاقة المصروفة أثناء النشاط البدني
تمثل الأنشطة البدنية، وخاصة ذات الشدة المرتفعة التي تستمر لفترة طويلة، نسبة
مرتفعة من مصروف الطاقة للفرد وخاصة الرياضي، حيث تصل أو تتجاوز ٥٠ % من
مصروف الطاقة الكلية (تمثل الطاقة المصروفة نتيجة للأنشطة البدنية كنسبة من الطاقة الكلية
٣٠ % لدى الفرد الاعتيادي ). وعلى سبيل المثال يصرف متسابق الماراثون الذي - حوالي ٢٠
ينجز السباق في ساعتين وعشرين دقيقة ما معدله ٠,٣٠ كيلو سعر حراري لكل كجم من وزن
الجسم في الدقيقة، وهو مصروف عال جداً، خاصة إذا عرفنا أن ما يصرفه الفرد أثناء
استلقاءه مسترخياً لا يتجاوز ٠,٠٢ ك يلو سعر حراري لكل كجم من وزن الجسم في الدقيقة
(أي حوالي ١٥ ضعفاً مقارنة بمصروف الطاقة في الراحة).
ويتم قياس الطاقة المصروفة أثناء النشاط البدني (اعتيادياً) من خلال معرفة استهلاك
الأكسجين أثناء ذلك النشاط ثم طرح استهلاك الأكسجين أثناء الراحة منه، ثم بعد ذلك ضرب
الناتج بما يقابله من كيلو سعر حراري بناء على مقدار المعامل التنفسي الخلوي ونوع الوقود
المستخدم، وذلك على النحو التالي:
الطاقة المصروفة أثناء النشاط البدني =
عدد الكيلو سعرات × ( (استهلاك الأكسجين أثناء النشاط – استهلاك الأكسجين أثناء الراحة
.O الحرارية المقابل لكل لتر 2
أو القيام بحساب صافي استهلاك الأكسجين (استهلاك الأكسجين أثناء النشاط مطروحاً
التي أشرنا إليها سابقا ً. علماً (Weir) منه استهلاك الأكسجين في الراحة ) ثم تطبيق معادلة وير
بأنه يمك تقدير استهلاك الأكسجين أثناء الراحة بضرب وزن الجسم في الرقم ٣,٥ مليلتر،
كما يمكن حساب الطاقة المصروفة أثناء النشاط البدني من خلال المكافئ الأيضي، وذلك
بتحديد مقدار المكافئ الأ يضي لذلك النشاط ثم طرح ما يوازي مكافئ أيضي واحد منه (وهو
المصروف من الطاقة أثناء الراحة ) ثم تحويل الناتج إلى طاقة حرارية بالكيلو سعر حراري
مستخدماً المعادلة التالية:
الطاقة بالكيلو سعر حراري في الدقيقة =
٢٠٠ ÷ ( وزن الجسم بالكجم × ٣,٥ × (المكافئ الأيضي
ويوضح الجدول رقم ( ٤) مقادير الطاقة المصروفة بالمكافئ الأيضي وبالكيلو سعر
حراري لشخص يزن ٧٠ كجم أثناء المشي والجري بسرعات مختلفة مقارنة بالطاقة
١٣
المصروفة أثناء الجلوس، وكذلك حجم استهلاك الأكسجين ومقدار الأدينوسين ثلاثي الفوسفات
المستخدم مقابل كل نشاط من الأنشطة المذكورة في ذلك الجدول. (ATP)
جدول رقم ( ٤): مقادير الطاقة المصروفة أثناء أنشطة رياضية متنوعة.
نوع النشاط المكافئ
الأيضي
الطاقة المصرفة
(كيلو سعر حراري)
لشخص وزنه ٧٠
كجم
استهلاك
الأكسجين
(مل/كجم.
ق)
مقدار
ATP
(مول/ق)
٠,٠٦ ٣,٥ ١,٢٥ جلوس ١
٠,١٩ ١٠,٥ ٣,٧٥ مشي ( ٤,٨ كم/ الساعة) ٣
٠,٦٥ ٣٥ ١٢,٥ هرولة ( ٩,٦ كم/ الساعة) ١٠
١,٠٥ ٥٦ ٢٠ جري ( ١٦ كم/ الساعة) ١٦
١,٢٣ ٦٦ ٢٤ جري ( ١٩,٣ كم/ الساعة) ١٩
١,٥٧ ٨٤ ٣٠ جري ( ٢٤ كم/ الساعة) ٢٤
جري ( ٣٢,٢ كم/ الساعة)
عدو ١٠٠ م في ١٠,٣ ث
٢,٠٩ ١١٢ ٤٠ ٣٢
Haskell W. In: Biological Effects of Physical Activity, المصدر: 1989:116
ويوضح الجدولان رقم ( ٥) ورقم ( ٦) مقادير الطاقة المصروفة (تقريبيا ً) بالمكافئ
الأيضي في حالة كل من المشي والجري تبعاً لسرعة المشي أو الجري ومقدار الميل . كما
يبين الجدولان رقم ( ٧) ورقم ( ٨) مقادير الطاقة المصروفة (تقريبياً) بالمكافئ الأيضي في
تبعاً لوزن المفحوص (Arm ergometer) حالة استخدام دراجة الجهد الثابتة أو مجهاد اليدين
والقدرة (بالكيلو جرام لكل متر في الدقيقة وكذلك بالشمعة )، أما الجدول رقم ( ٩) فيوضح
تبعاً (Step test) الطاقة المصروفة (تقريبياً) بالمكافئ الأيضي في حالة استخدام اختبار الخطوة
لارتفاع الصندوق بالسنتيمتر ومعدل الصعود، علماً بأن كل أريع خطوات (الرجل اليمنى
لأعلى ثم الرجل اليسرى لأعلى ثم نزول الرجل اليمنى لأسفل فاليسرى) تعد خطوة كاملة
واحدة.
١٤
جدول رقم ( ٥): الطاقة المصروفة بالمكافئ الأيضي أثناء المشي عند سرعات مختلفة تبعاً للميل.
مقدار سرعة المشي (متر في الدقيقة)
١٠٠,٥ ٩١,٢ ٨٠,٤ ٦٧,٠ ٥٣,٦ الميل (%) ٤٥,٦
٣,٩ ٣,٦ ٣,٣ ٢,٩ ٢,٥ صفر ٢,٣
٥,٢ ٤,٨ ٤,٣ ٣,٨ ٣,٢ ٢,٩ ٢,٥
٦,٥ ٥,٩ ٥,٤ ٤,٦ ٣,٩ ٣,٥ ٥,٠
٧,٨ ٧,١ ٦,٤ ٥,٥ ٤,٦ ٤,١ ٧,٥
٩,١ ٨,٣ ٧,٤ ٦,٣ ٥,٣ ٤,٦ ١٠,٠
١٠,٤ ٩,٥ ٨,٥ ٧,٢ ٦,٠ ٥,٢ ١٢,٥
١١,٧ ١٠,٦ ٩,٥ ٨,١ ٦,٦ ٥,٨ ١٥,٠
١٢,٩ ١١,٨ ١٠,٥ ٨,٩ ٧,٣ ٦,٤ ١٧,٥
١٤,٢ ١٣,٠ ١١,٦ ٩,٨ ٨,٠ ٧,٠ ٢٠,٠
١٥,٥ ١٤,٢ ١٢,٦ ١٠,٦ ٨,٧ ٧,٦ ٢٢,٥
١٦,٨ ١٥,٣ ١٣,٦ ١١,٥ ٩,٤ ٨,٢ ٢٥,٠
ACSM's Guidelines for Exercise Testing and Prescription, 2000: المصدر: . 307
جدول رقم ( ٦): الطاقة المصروفة بالمكافئ الأيضي أثناء الجري عند سرعات مختلفة تبعاً للميل.
مقدار الميل سرعة المشي (متر في الدقيقة)
٢٦٨ ٢٤١ ٢١٤ ٢٠١ ١٨٨ ١٦١ ١٣٤ (%)
١٦,٣ ١٤,٨ ١٣,٣ ١٢,٥ ١١,٧ ١٠,٢ صفر ٨,٦
١٨,٠ ١٦,٣ ١٤,٧ ١٣,٨ ١٢,٩ ١١,٢ ٩,٥ ٢,٥
١٩,٧ ١٧,٩ ١٦,١ ١٥,١ ١٤,١ ١٢,٣ ١٠,٣ ٥,٠
١٩,٤ ١٧,٤ ١٦,٤ ١٥,٣ ١٣,٣ ١١,٢ ٧,٥
١٨,٨ ١٧,٧ ١٦,٥ ١٤,٣ ١٢,٠ ١٠,٠
١٩,٠ ١٧,٧ ١٥,٤ ١٢,٩ ١٢,٥
١٨,٩ ١٦,٤ ١٣,٨ ١٥,٠
ACSM's Guidelines for exercise Testing and Prescription, 2000: المصدر: . 308
١٥
جدول رقم ( ٧): الطاقة المصروفة بالمكافئ الأيضي أثناء استخدام الدراجة الثابتة تبعاً لوزن
الجسم عند قدرات مختلفة.
القدرة (كجم. متر/ق)
١٢٠٠ ١٠٥٠ ٩٠٠ ٧٥٠ ٦٠٠ ٤٥٠ ٣٠٠
القدرة (شمعة)
وزن
الجسم
٢٠٠ ١٧٥ ١٥٠ ١٢٥ ١٠٠ ٧٥ ٥٠ (%)
١٤,٣ ١٢,٨ ١١,٣ ٩,٧ ٨,٢ ٦,٦ ٥,١ ٥٠
١٢,٣ ١١,٠ ٩,٧ ٨,٤ ٧,١ ٥,٩ ٤,٦ ٦٠
١٠,٨ ٩,٧ ٨,٦ ٧,٥ ٦,٤ ٥,٣ ٤,٢ ٧٠
٩,٧ ٨,٨ ٧,٨ ٦,٨ ٥,٩ ٤,٩ ٣,٩ ٨٠
٨,٩ ٨,٠ ٧,١ ٦,٣ ٥,٤ ٤,٦ ٣,٧ ٩٠
٨,٢ ٧,٤ ٦,٦ ٥,٩ ٥,١ ٤,٣ ٣,٥ ١٠٠
ACSM's Guidelines for exercise Testing and Prescription, 2000: المصدر: . 308
جدول رقم ( ٨): الطاقة المصروفة بالمكافئ الأيضي أثناء استخدام مجهاد اليدين تبعاً لوزن الجسم
عند قدرات مختلفة.
القدرة (كجم. متر/ق)
٩٠٠ ٧٥٠ ٦٠٠ ٤٥٠ ٣٠٠ ١٥٠
القدرة (شمعة)
وزن الجسم
(%)
١٥٠ ١٢٥ ١٠٠ ٧٥ ٥٠ ٢٥
١٦,٤ ١٣,٩ ١١,٣ ٨,٧ ٦,١ ٣,٦ ٥٠
١٣,٩ ١١,٧ ٩,٦ ٧,٤ ٥,٣ ٣,١ ٦٠
١٢,٠ ١٠,٢ ٨,٣ ٦,٥ ٤,٧ ٢,٨ ٧٠
١٠,٦ ٩,٠ ٧,٤ ٥,٨ ٤,٢ ٢,٦ ٨٠
٩,٦ ٨,١ ٦,٧ ٥,٣ ٣,٩ ٢,٤ ٩٠
٨,٧ ٧,٤ ٦,١ ٤,٩ ٣,٦ ٢,٣ ١٠٠
ACSM's Guidelines for exercise Testing and Prescription, 2000: المصدر: . 309
١٦
جدول رقم ( ٩): الطاقة المصروفة بالمكافئ الأيضي أثناء اختبار الخطوة عند ارتفاعات مختلفة
من صندوق الخطوة تبعاً لمعدل الصعود في الدقيقة.
ارتفاع معدل الصعود (خطوة في الدقيقة)
٣٠ ٢٨ ٢٦ ٢٤ ٢٢ الصندوق(سم) ٢٠
٤,٨ ٤,٥ ٤,٣ ٤,٠ ٣,٨ ٣,٥ ١٠,٢
٥,٨ ٥,٥ ٥,٢ ٤,٩ ٤,٦ ٤,٢ ١٥,٢
٦,٩ ٦,٥ ٦,١ ٥,٧ ٥,٣ ٤,٩ ٢٠,٣
٧,٩ ٧,٥ ٧,٠ ٦,٥ ٦,١ ٥,٦ ٢٥,٤
٩,٠ ٨,٤ ٧,٩ ٧,٤ ٦,٨ ٦,٣ ٣٠,٥
١٠,٠ ٩,٤ ٨,٨ ٨,٢ ٧,٦ ٧,٠ ٣٥,٦
١١,١ ١٠,٤ ٩,٧ ٩,٠ ٨,٤ ٧,٧ ٤٠,٦
١٢,١ ١١,٤ ١٠,٦ ٩,٩ ٩,١ ٨,٤ ٤٥,٧
ACSM's Guidelines for Exercise Testing and Prescription, 2000: المصدر: . 310
الوقود المستخدم أثناء الجهد البدني
نظراً لأن الكربوهيدرات هي الوقود المفضل من قبل الجسم بغرض إنتاج الطاقة
اللازمة للانقباض العضلي، بل أنها الوقود الوحيد المستخدم في الشدة القصوى من الجهد
البدني أو القريبة من القصوى، ونظراً لأن الدهون هي الوقود الأكثر توافراً في الجسم، ولأن
استخدام البروتينات يعد محدوداً جداً أثناء الجهد البدني، فسيتم التطرق إلى الكربوهيدرات
والدهون كوقود للعضلات أثناء الجهد البدني بدون الإشارة إلى البروتينات . ومن المعلوم أن
أهم عاملين يؤثران على معدل استخدام أي من الكربوهيدرات أو الدهون هما شدة الجهد
البدني ومدته، وكذلك مقدار الكمية المتوفرة من الوقود . ونظراً لأن الدهون تعد متوفرة
بكميات كافية جداً في الأحوال الا عتيادية لدى الإنسان، فإن العامل الحاسم في الواقع يصبح هو
مدى توفر مخزون الكربوهيدر ات في الجسم وخاصة جلايكوجين العضلات ، حيث من المعلوم
أن المخزون الجلايكوجين مهما زاد يعد محدوداً، ولا يكفي كوقود وحيد في الجهد البدني الذي
يدوم لأكثر من ساعة . ويبين الشكل رقم ( ٧) رسماً إيضاحياً لأنواع الوقود التي يمكن للجسم
من استخدامها أثناء كل من الراحة و الجهد البدني، حيث تتمثل الكربوهيدرات بكل من
الجلوكوز المتحلل من جلا يكوجين الكبد وبالمخزون الج ليكوجيني الموجود في العض لة، حيث
١٧
يمكن لكل منهما أن يتحلل لا هوائياً وينتهي بشكل رئيسي بحمض اللبنيك في حالة كان الطلب
على الطاقة عال جداً ولا يتيح الفرصة لحمض البيروفيك في أن يذهب إلى الميتوكوندريا
(بيت الطاقة ) بالسرعة الكافية للدخول في العمليات الأ يضية الهوائية . أما إذا كان الطلب على
الطاقة ليس عالياً (أي أن شدة الجهد البدني منخفضة إلى معتدلة) فإن معظم حمض البيروفيك
الناتج من التحلل الجلوكوزي أو الجليكوجيني يذهب إلى الميتوكوندريا ويدخل في سلسلة من
العمليات الأيضية الهوائية ليعطي عدداً أكبر من أدينوسين ثلاثي الفوسفات.
أما الدهون، خاصة منها المخزنة على هيئة أنسجة شحمية في أماكن متعددة من الجسم ،
ثم يزداد (Mobilization) فيمكنها التفكك إلى أحماض دهنية وجليسرول، وبالتالي يتم تجهيزها
من (Utilization) تركيزها في الدم، مما يساعد على دخولها إلى العضلة وبالتالي استخدامها
قبل الخلايا العضلية في عمليات كيميائية تسمى أكسدة بيتا من أجل إنتاج الطاقة للانقباض
العضلي، خاصة أثناء الجهد البدني المنخفض إلى المعتدل الشد ة. كما أن الدهون ا لثلاثية
المخزنة في العضلات نفسها يمكن لها أيضاً أن تتفكك وتستخدم (Muscle Triglycerides)
كوقود لإنتاج الطاقة اللازمة لانقباض العضلات . وغني عن القول أن تحلل الدهون (أو
أكسدتها) ينتج طاقة أكبر بكثير مما يمكن إنتاجه من خلال تحلل الكربوهيدرات هوائياً، حيث
في حالة ATP في حالة أكسدة حمض النخليك أو ١٤٩ ATP يمكن الحصول على ١٢٩
في حالة تحلل الجليكوجين هوائيا ً. غير أن ATP أكسدة حمض الأركادونيك، مقابل ٣٩
استخدام الدهون كوقود يعتمد على شدة الجهد البدني المبذول، ففي الشدة المنخفضة إلى
المعتدلة الشدة تقوم العضلات باستخدام الدهون من أجل إنتاج الطاقة اللازمة لانقباضه ا،
وتصل نسبة مشاركة الدهون في الجهد البدني المنخفض الشدة لدى الشخص غير الرياضي
إلى حوالي ٦٠ %، لكن نسبة مشاركتها تنخفض بشكل طرد ي مع زيادة شدة الجهد البدني،
لتصبح مشاركة الدهون حوالي صفراً في الجهد البدني الأقصى أو القريب من الأقصى، كما
هو موضحاً في الشكل البياني رقم ( ٨). وعلى العكس من الدهون تزداد نسبة مشاركة
الكربوهيدرات مع زيادة شدة الجهد الب دني لتصبح الكربوهيدرات (خاصة ج ليكوجين
العضلات) الوقود الوحيد أثناء الجهد البدني الأقصى أو القريب من الأقصى ، أخذين في
الحسبان توفر كمية كافية من ا لجليكوجين في العضلة ، الأمر الذي يعطي الأهمية القصوى
لعملية المحافظة على م خزون كافٍ من الج ليكوجين في العضلات عن طريق تناول غذاء غنياً
بالمواد الكربوهيدراتية ، ونظراً لأهمية جليكوجين العضلات كوقود أثناء الجهد البدني، خاصة
المرتفع الشدة ، فإننا سنتطرق له بشيء من التفصيل في الفقرة اللاحقة.
١٨
شكل رقم ( ٧): يتضمن الوقود المستخدم أثناء الجهد البدني بصورة رئيسية كل من
الكربوهيدرات (جليكوجين العضلات وجلوكوز الدم) والدهون (الأحماض الدهنية من الشحوم
المخزنة، والجليسريدات الثلاثية في العضلات).
شكل رقم ( ٨): نسبة مشاركة كل من الكربوهيدرات والدهون كوقود أثناء الجهد البدني تبعاً
.(Fox E, et al, لشدته (المصدر: 1988
دهون
جلایكوجین
العضلات
جلوكوز
العضلة
الكبد
المیتوكوندری ا
جلایكوجین
جلیسرول
أحماض دهنیة
ATP
٠
٢٠
٤٠
٦٠
٨٠
١٠٠
١٠٠
٨٠
٦٠
٤٠
٢٠
٠
عالیة شدة الجهد البدني منخفضة
نسبة مشاركة ال دهون
نسبة مش اركة الكربوهی درات
نسبة
١٩
جلايكوجين العضلات كوقود أثناء الجهد البدني:
يعد تخزين الكربوهيدرات على هيئة جليكوجين من قبل الجسم طريقة اقتصادية ومناسبة
جداً، حيث من المعروف أن الجليكوجين يتكون من سلسلة طويلة من جزيئات الجلوكوز ، التي
يمكن إطلاقها (تحللها) متى ما تطلب الأمر ذلك . فبالإضافة إلى سهولة تخزين الجلوكوز على
هيئة جليكوجين في العضلة بغرض استخدامه كمصدر للطاقة، فإن جزيء الجلوكوز يعتبر
وبالتالي يؤدي التركيز ا لعالي منه في الدم إلى إحداث ضرر ،(Reactive) غير مستقر
لبروتينات جد ران الأوعية الدموية، مؤدياً إلى جعلها أكثر سماكة و أشد كثافة، الأمر الذي يقود
في النهاية إلى خفض معدل دخول الأكسجين والمغذيات إلى الخلاي ا. و كما أشرنا سابقاً، فإن
المخزون الجليكوجيني في العضلات ليس كبيراً جداً، حيث يتراوح محتوى العضلات من
٢٠ جراماً لكل كيلو جرام من العضلات، ويعني ذلك أن لدى الشاب الذي - الجليكوجين من ٩
يزن ٧٠ كجم ويتغذي تغذية متوازنة وغير فقيرة بالكربوهيدرات حوالي ٣٥٠ جراماً من
الجليكوجين، غير أن التدريب البدني والتغذية ا لغنية بالمواد الكربوهيدراتية ترفع هذا الرقم إلى
حوالي ٥٠٠ جرام من الجليكوجين.
تشير البحوث العلمية إلى أن استخدام جليكوجين العضلات يتناسب تناسباً طردياً مع
شدة الجهد البدني، فعند شدة تساوى ٧٠ % من الاستهلاك الأقصى للأكسجين، نجد أن
الجليكوجين يعد الوقود الرئ يسي للعضلة، لكن أهمية جليكوجين العضلات تزداد بصورة أكبر
.( عندما تقترب شدة الجهد البدني من الشدة القصوى، كما هو مبيناً في الشكل البياني رقم ( ٩
ويعتقد أن العلاقة بين شدة الجهد البدني وزيادة استخدام جليكوجين العضلات مرده لعدة
Fast twitch ) أسباب، من أهمها زيادة توظيف (استخدام) الألياف العضلية السريعة الخلجة
مع ارتفاع شدة الجهد البدني، والمعروف أن هذا النوع من الألياف العضلية يعتمد (fibers
Slow ) على الطاقة اللاهوائية بشكل أكبر من اعتماد الألياف العضلية البطيئة الخلجة عليه ا
ومن الأسباب الأخرى التي تفسر العلاقة بين شدة الجهد البدني وزيادة .(twitch fibers
استخدام جليكوجين العضلات هو زيادة التنبيه الهرموني مع زيادة شدة الجهد البدني، حيث من
المعروف أن تركيز كل من هرموني الإبينيفرين والنورإبينيفرين يزداد مع ارتفاع شدة الجهد
في داخل (Glycogenolysis) البدني، الأمر الذي يساعد على تحفيز عملية التح لل الجليكوجيني
العضلة.
٢٠
شكل رقم ( ٩): تزداد أهمية جليكوجين العضلات كوقود مع زيادة شدة الجهد البدني.
(Romijin, et al, Am J Physiol (Endocrinol Metab), (المصدر: 1993
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
25% 65% 85%
جلیكوجین جلیسریدات ثلاثیة أحماض دهنیة جلوكوز
النسبة
