أحياء المرحلة الثانوية · Grades 10–12

7الجهد البدني وحاجات الجسم الطاقية

دراجة تدوس على دراجة مختبرية في مقابل مكبح يقيس استطاعتها: $100\,\mathrm{W}$ ، ثم $150\,\mathrm{W}$ ، ثم $200\,\mathrm{W}$ . وقناع على وجهها يرسل كل نفس إلى محلل. والأرقام على الشاشة تتسلق مع المكبح: فكلما زاد الشغل الميكانيكي الذي تقدمه، زاد الأكسجين الذي تستهلكه وزاد ثاني أكسيد الكربون الذي تزفره. عضلاتها تدير تنفس الفصل 4 بأقصى طاقته، والمحلل يقرأ ميزانيته. ويتابع هذا الفصل طاقة الجهد البدني من الغذاء الذي يقدمها إلى الأكسجين الذي يحررها.

7.1 طاقة تدخل، وشغل يخرج

تعريف 7.1 (الإنفاق الطاقي)

الإنفاق الطاقي للجسم، بالجول، هو مجموع الطاقة التي تحررها خلاياه من الجزيئات العضوية في زمن معطى. ومقسومًا على الزمن، يكون استطاعة استقلابية، بالواط. ويصرف البالغ في الراحة نحو $80\,\mathrm{W}$ — أي نحو $7000\,\mathrm{kJ}$ في اليوم — ليبقي القلب نابضًا والدماغ عاملًا والحرارة عند $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ والخلايا حية؛ وهذا هو الاستقلاب الأساسي. وكل نشاط يضاف إليه.

قضية 7.2 (أين تذهب الطاقة)

العضلة العاملة لا تحول إلى شغل ميكانيكي إلا نحو ربع الطاقة التي تحررها؛ أما الأرباع الثلاثة الأخرى فتغادر حرارةً. ومن ثم فتقديم استطاعة ميكانيكية $P$ يكلف الجسم استطاعة استقلابية تقارب $4P$ فوق الراحة: فالدراجة عند $100\,\mathrm{W}$ على الدواستين تصرف نحو $400\,\mathrm{W}$ في عضلاتها، وعلى جسمها أن يتخلص من $300\,\mathrm{W}$ حرارةً — بالتعرق في معظمه.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

مثال 7.3 (ميزانيات يومية)

تلميذ يجلس في الصف، ويمشي إلى المدرسة، وينام، يصرف نحو $9000\,\mathrm{kJ}$ في اليوم؛ وساعة من كرة القدم تضيف نحو $2500\,\mathrm{kJ}$ ؛ ويوم في الجبل بحقيبة، $15\,000\,\mathrm{kJ}$ إجمالًا. أما دراجة في مرحلة جبلية من سباق فتصرف $25\,000\,\mathrm{kJ}$ ، ولا تستطيع أن تأكل في اليوم ما يغطيها. والطاقة تأتي من الغذاء (الفصل 1): $17\,\mathrm{kJ}$ لكل غرام من الكربوهيدرات أو البروتين، و $38\,\mathrm{kJ}$ لكل غرام من الدهن.

7.2 استهلاك الأكسجين يقيس الإنفاق الطاقي

قضية 7.4 (المكافئ الأكسجيني)

لما كانت طاقة الجهد البدني يحررها التنفس الخلوي، وهو يستهلك الأكسجين، كان استهلاك الجسم من الأكسجين يقيس إنفاقه الطاقي: فكل لتر من الأكسجين المستهلك يقابل نحو $20\,\mathrm{kJ}$ محررة، أيًّا كان خليط الغلوكوز والدهون المحروق. ويستهلك الإنسان في الراحة نحو $0.25\,\mathrm{L}$ من الأكسجين في الدقيقة؛ وأثناء الجهد يرتفع الاستهلاك تناسبًا مع الاستطاعة المقدمة، حتى سقف شخصي.

شواهد. تعطي معادلة التنفس في الفصل 4 $2870\,\mathrm{kJ}$ لكل $6\,\mathrm{mol}$ من الأكسجين، أي $478\,\mathrm{kJ}$ للمول، ويشغل مول الغاز نحو $24\,\mathrm{L}$ : أي $20\,\mathrm{kJ}$ للتر. والرقم عند الدهون $19.6\,\mathrm{kJ}/\mathrm{L}$ ، وعند الكربوهيدرات $21.1\,\mathrm{kJ}/\mathrm{L}$ ، فالخليط لا يكاد يهم. والقياسات في حجرات محكمة، تجمع فيها الحرارة التي يحررها شخص جمعًا مباشرًا، توافق الرقم الأكسجيني في حدود بضعة بالمئة. ∎

استهلاك الأكسجين عند شخص يدوس باستطاعة متزايدة. والارتفاع خطي — نحو 12\, mL من الأكسجين في الدقيقة لكل واط — حتى يبلغ الاستهلاك سقفه، وهو V\! O_2max عند ذلك الشخص؛ وما وراءه تقدَّم الاستطاعة الزائدة من دون أكسجين ولا يمكن إدامتها. — استهلاك الأكسجين عند شخص يدوس باستطاعة متزايدة. والارتفاع خطي — نحو $12\,\mathrm{mL}$ من الأكسجين في الدقيقة لكل واط — حتى يبلغ الاستهلاك سقفه، وهو $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max عند ذلك الشخص؛ وما وراءه تقدَّم الاستطاعة الزائدة من دون أكسجين ولا يمكن إدامتها.

تعريف 7.5 (الاستهلاك الأقصى للأكسجين)

الاستهلاك الأقصى للأكسجين، ويكتب $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max، هو أعلى نسبة يستطيع بها جسم إنسان أن يأخذ الأكسجين ويستعمله، باللترات في الدقيقة — أو، لمقارنة أشخاص مختلفي الأحجام، بالمليلترات في الدقيقة لكل كيلوغرام من كتلة الجسم. وهو يحدد أعلى استطاعة يستطيع التنفس وحده إدامتها. ومن قيمه النموذجية: $35\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ لكل كيلوغرام عند بالغ قليل الحركة، و $50$ عند تلميذ مدرَّب، و $80$ أو أكثر عند بطل في رياضات التحمل.

مثال 7.6 (قراءة المنحني)

في الشكل، تكلف $100\,\mathrm{W}$ من الدوس $1.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ من الأكسجين: أي $1.5 \times 20 = 30\,\mathrm{kJ}$ في الدقيقة، وهو $500\,\mathrm{W}$ من الاستطاعة الاستقلابية — أي $100\,\mathrm{W}$ من الشغل زائد $400\,\mathrm{W}$ من الحرارة وحاجات الراحة، بما يوافق القضية 7.2. وسقف $3.3\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ عند شخص كتلته $66\,\mathrm{kg}$ هو $50\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ لكل كيلوغرام.

قياس استهلاك الأكسجين أثناء الجهد: كل نفس يمر عبر القناع إلى محلل غازات يسجل الأكسجين المأخوذ وثاني أكسيد الكربون المطروح، دقيقة بدقيقة، بينما يضبط بساط الجري الاستطاعة.

7.3 وقود العضلة

قضية 7.7 (ثلاثة مصادر لجزيء ATP)

تقلص العضلة يدفع ثمنه من ATP، والخلية لا تحتفظ منه إلا بما يكفي بضع ثوان. وهو يجدَّد بثلاثة طرق، لكل منها سرعته وسعته:

مخزون صغير من مركب فوسفاتي في العضلة، يعيد تكوين ATP في الحال لكنه يدوم نحو عشر ثوان — وهو العدو السريع؛
التخمر اللبني للغلوكوز في السيتوبلازم، وهو سريع لكنه مبدد، يديم جهدًا أقصى دقيقة إلى دقيقتين وينتج حمضًا لبنيًا؛
التنفس الخلوي في المتقدرات، وهو أبطأ في بلوغ نسبته القصوى لكنه غير محدود المدة تقريبًا، يحرق الغلوكوز من الدم، والغليكوجين من العضلة، والحموض الدهنية من شحم الجسم.

ويتوقف نصيب كل منها على شدة الجهد ومدته.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

النصيب التقريبي لمصادر ATP الثلاثة في جهد أقصى مدته معطاة. فعدو 100 متر يجري على مخزون الفوسفات؛ وسباق 400 متر على التخمر في معظمه؛ وكل ما يتجاوز بضع دقائق على التنفس.

تعريف 7.8 (الغليكوجين)

الغليكوجين هو الصورة الحيوانية للكربوهيدرات المخزونة: سلسلة متفرعة من وحدات الغلوكوز، تحفظ حبيبات في خلايا العضلة (نحو $400\,\mathrm{g}$ عند البالغ) وفي الكبد (نحو $100\,\mathrm{g}$ ). وغليكوجين العضلة يقود العضلة التي تخزنه؛ أما غليكوجين الكبد فيفكك إلى غلوكوز يطلق في الدم، فيبقي غلوكوز الدم قرب $1\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ للدماغ وسائر النسج. أما الشحم، المخزون في الخلايا الشحمية، فهو الاحتياطي الأكبر بكثير (الفصل 1)، لكنه لا يحرق إلا ببطء ولا يحرق إلا بالأكسجين.

مثال 7.9 (جدار الماراثون)

يستهلك الجري نحو $4\,\mathrm{kJ}$ لكل كيلوغرام من كتلة الجسم لكل كيلومتر؛ فعدّاء كتلته $70\,\mathrm{kg}$ يصرف $280\,\mathrm{kJ}/\mathrm{km}$ ، والماراثون يكلف $11\,800\,\mathrm{kJ}$ . ومخازن الغليكوجين تحمل نحو $8500\,\mathrm{kJ}$ . فإذا حرق العدّاء غليكوجينه سريعًا أكثر مما ينبغي، نفدت المخازن قرب الكيلومتر الثلاثين؛ وعلى العضلات عندئذ أن تعتمد على الشحم، وهو يقدم الطاقة بنصف النسبة بالكاد، فتنهار الوتيرة — وهو ما يسمى «ارتطامًا بالجدار». والعدّاؤون المدرَّبون يحرقون نصيبًا أكبر من الشحم منذ البداية، ويأكلون الكربوهيدرات أثناء السباق.

سلسلة الطاقة في جهد مستدام: وقود من الغذاء ومن مخازن الجسم، وأكسجين من التنفس، وATP يصنع في المتقدرات ويصرف على التقلص — ثلاثة أرباعه تغادر حرارةً.

7.4 القياس والاستدلال

طريقة 7.10 (حساب طاقي لجهد بدني)

من الأكسجين: الطاقة ( $\mathrm{kJ}$ ) $=$ الأكسجين المستهلك ( $\mathrm{L}$ ) $\times 20$ . واطرح استهلاك الراحة إذا كان السؤال عن كلفة الجهد وحده.
من الاستطاعة الميكانيكية: الاستطاعة الاستقلابية $\approx 4 P$ ؛ والطاقة $=$ الاستطاعة $\times$ الزمن ( $1\,\mathrm{W}$ في $1\,\mathrm{s}$ هي $1\,\mathrm{J}$ ؛ و $1\,\mathrm{kWh}$ $= 3600\,\mathrm{kJ}$ ).
من الوقود: الكتلة المحروقة $=$ الطاقة $/$ القيمة الطاقية ( $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ للكربوهيدرات، و $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ للدهن)؛ والغليكوجين مخزون مع ثلاثة أمثال كتلته ماءً.
تحقق من رتب القدر: فاليوم كله نحو $10\,000\,\mathrm{kJ}$ ؛ والساعة الشاقة $2000\text{ to }3000\,\mathrm{kJ}$ ؛ والماراثون $12\,000\,\mathrm{kJ}$ .

مثال 7.11 (ساعة من ركوب الدراجة)

ساعة واحدة عند $150\,\mathrm{W}$ على الدواستين: الاستطاعة الاستقلابية نحو $600\,\mathrm{W}$ ، والطاقة $600 \times 3600 = 2.16 \times 10^{6}\,\mathrm{J} \approx 2200\,\mathrm{kJ}$ ؛ والأكسجين $2200/20 = 110\,\mathrm{L}$ ، أي $1.8\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ — بما يوافق المنحني. فإذا جاء النصف من الكربوهيدرات: $1100/17 \approx 65\,\mathrm{g}$ من الغلوكوز أو الغليكوجين، و $1100/38 \approx 29\,\mathrm{g}$ من الشحم.

ملاحظة 7.12 (لماذا يجب أن يصل الأكسجين)

كل ما تقدم يفترض أن الأكسجين يبلغ المتقدرات بالسرعة التي تستطيع بها استعماله. وتلك مهمة الرئتين والقلب والدم، واستجابتها للجهد — تنفس أسرع، ونبض أسرع وأقوى، ودم يوجه إلى العضلات — موضوع الفصل 8. و $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max حد في الإيصال في معظمه، لا في شهية العضلات.

7.5 تمارين

تمرين 7.1 ★

عرّف الاستقلاب الأساسي وأعطِ رتبة قدره بالواط وبالكيلوجول في اليوم.

حل

حل التمرين 7.1.

الطاقة المصروفة في الراحة التامة لإبقاء الجسم حيًا — القلب والدماغ والحرارة وصيانة الخلايا: نحو $80\,\mathrm{W}$ ، أي نحو $7000\,\mathrm{kJ}$ في اليوم.

تمرين 7.2 ★

شخص يستهلك $2.0\,\mathrm{L}$ من الأكسجين في الدقيقة. ما إنفاقه الطاقي بالكيلوجول في الدقيقة، وبالواط؟

حل

حل التمرين 7.2.

$2.0 \times 20 = 40\,\mathrm{kJ}$ في الدقيقة، أي $40000/60 \approx 670\,\mathrm{W}$ .

تمرين 7.3 ★

سمِّ الطرق الثلاثة التي تجدد بها العضلة ATP فيها وأعطِ المدة النموذجية التي يستطيع كل منها إدامتها وحده.

حل

حل التمرين 7.3.

مخزون الفوسفات في العضلة (نحو عشر ثوان)؛ والتخمر اللبني (دقيقة إلى دقيقتين من جهد أقصى)؛ والتنفس الخلوي (ساعات).

تمرين 7.4 ★

ما $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max؟ حوّل $3.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ عند شخص كتلته $70\,\mathrm{kg}$ إلى مليلترات في الدقيقة لكل كيلوغرام.

حل

حل التمرين 7.4.

أعلى نسبة يستطيع بها الجسم أن يأخذ الأكسجين ويستعمله. و $3500/70 = 50\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ لكل كيلوغرام.

تمرين 7.5 ★

أين يخزن الغليكوجين، وبأي مقادير، وفيم يستعمل كل مخزن؟

حل

حل التمرين 7.5.

في العضلات، نحو $400\,\mathrm{g}$ ، لتقود العضلة التي تخزنه؛ وفي الكبد، نحو $100\,\mathrm{g}$ ، يطلق غلوكوزًا في الدم للدماغ وسائر النسج.

تمرين 7.6 ★★

من شكل الأكسجين بدلالة الاستطاعة، اقرأ استهلاك الأكسجين عند $200\,\mathrm{W}$ واحسب الاستطاعة الاستقلابية. واستنتج الحرارة المنتجة في الثانية.

حل

حل التمرين 7.6.

$2.7\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ : أي $2.7 \times 20 = 54\,\mathrm{kJ}$ في الدقيقة، وهو $900\,\mathrm{W}$ . والحرارة: $900 - 200 = 700\,\mathrm{W}$ .

تمرين 7.7 ★★

ماشٍ كتلته $60\,\mathrm{kg}$ يصعد $800\,\mathrm{m}$ في ساعتين. احسب الشغل الميكانيكي ضد الثقالة ( $g = 9.8\,\mathrm{N}/\mathrm{kg}$ )، والطاقة التي صرفتها عضلاته إذا كان المردود 25%، والاستطاعة الاستقلابية الوسطية فوق الراحة.

حل

حل التمرين 7.7.

الشغل $mgh = 60 \times 9.8 \times 800 \approx 470\,\mathrm{kJ}$ . وبمردود 25% تكون العضلات قد صرفت نحو $1900\,\mathrm{kJ}$ . وعلى مدى $7200\,\mathrm{s}$ : نحو $260\,\mathrm{W}$ فوق الراحة.

تمرين 7.8 ★★

باستعمال شكل الأعمدة المكدسة، فسّر لماذا يكون عدّاء 400 متر مبهورًا موجعًا عند خط النهاية بينما يكاد عدّاء 100 متر لا يلهث.

حل

حل التمرين 7.8.

عدو 100 متر يجري كله تقريبًا على مخزون الفوسفات: فلا دين أكسجيني ولا حمض لبني يذكر. أما سباق 400 متر فيدوم نحو دقيقة ويسحب نصف طاقته من التخمر اللبني: فيتراكم الحمض اللبني (وهو الوجع)، والتنفس الذي عليه تصفيته يبقي العدّاء يلهث دقائق بعد ذلك.

تمرين 7.9 ★★

رياضية تصرف $3000\,\mathrm{kJ}$ في حصة تدريب، 60% منها من الكربوهيدرات. ما كتلة الغليكوجين التي استعملتها، وما كتلة الماء التي تحررت معه؟

حل

حل التمرين 7.9.

طاقة الكربوهيدرات $0.6 \times 3000 = 1800\,\mathrm{kJ}$ ؛ والغليكوجين $1800/17 \approx 106\,\mathrm{g}$ ؛ والماء المتحرر نحو $320\,\mathrm{g}$ .

تمرين 7.10 ★★

لوح شوكولاتة كتلته $50\,\mathrm{g}$ يقدم $1100\,\mathrm{kJ}$ . فكم من الوقت يقود دراجًا يدوس عند $150\,\mathrm{W}$ ؟

حل

حل التمرين 7.10.

الاستطاعة الاستقلابية نحو $600\,\mathrm{W}$ : أي $1.1 \times 10^{6}/600 \approx 1830\,\mathrm{s}$ ، نحو 30 دقيقة.

تمرين 7.11 ★★

لماذا ترتفع حرارة جسم الإنسان أثناء الجهد، وبأي آلية يمنع من الارتفاع أكثر؟

حل

حل التمرين 7.11.

ثلاثة أرباع الطاقة المحررة في العضلات حرارة، أي مئات الواطات في الجهد الشاق. والتعرق يزيلها: فتبخير الماء يأخذ نحو $2.4\,\mathrm{kJ}$ للغرام، وجريان الدم إلى الجلد يحمل الحرارة إليه. ولولا التعرق لارتفعت حرارة الجسم درجة كل بضع دقائق.

تمرين 7.12 ★★★

شخصان كتلتاهما $60\,\mathrm{kg}$ و $90\,\mathrm{kg}$ ولكليهما $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max يبلغ $3.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ . أيهما يستطيع الجري صعودًا أسرع، وأيهما يستطيع الدوس أقوى على طريق مستوٍ على دراجة مختبرية؟ فسّر.

حل

حل التمرين 7.12.

في الصعود تتناسب الاستطاعة اللازمة مع كتلة الجسم: فعند صاحب $60\,\mathrm{kg}$ $60\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ لكل كيلوغرام مقابل $40$ ، فهو يصعد أسرع. أما على الدراجة المختبرية فالاستطاعة لا تتوقف على الكتلة، ولكليهما $3.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ نفسها، ويستطيع كلاهما إدامة الواطات نفسها.

تمرين 7.13 ★★★

استهلاك عدّاء من الأكسجين أثناء سباق هو $3.0\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ بوتيرة تقتضي، بحسب المنحني، $3.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ . فمن أين يأتي الفرق، وماذا سيشعر العدّاء بعد بضع دقائق؟

حل

حل التمرين 7.13.

الكمية الناقصة $0.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ من المكافئ الأكسجيني يقدمها التخمر اللبني في العضلات. فيتراكم الحمض اللبني؛ وفي غضون دقائق تحترق العضلات ويضطر العدّاء إلى الإبطاء إلى وتيرة يستطيع التنفس وحده تغطيتها.

تمرين 7.14 ★★★

فسّر، بالطرق الثلاثة لتجديد ATP، لماذا لا يستطيع الإنسان أن يفقد الشحم بجهد أقصى في نوبات قصيرة بفعالية ما يفقده بجهد معتدل طويل المدة.

حل

حل التمرين 7.14.

النوبات القصوى القصيرة تجري على مخزون الفوسفات والتخمر، وهما لا يستعملان شحمًا البتة؛ والشحم لا يحرقه إلا التنفس، وهو يحتاج إلى دقائق ليبلغ نسبته القصوى ولا يسود إلا في جهد معتدل مطوَّل. ثم إن الطاقة الكلية لبضع نوبات صغيرة قياسًا إلى ساعة من جهد مطرد.

تمرين 7.15 ★★★

دراجة في مرحلة جبلية تصرف $25\,000\,\mathrm{kJ}$ في يوم. وغليكوجينها يحمل $8500\,\mathrm{kJ}$ وتأكل $6000\,\mathrm{kJ}$ أثناء المرحلة. قدّر كتلة شحم الجسم التي تحرقها، وفسّر لماذا يأكل الدراجون باستمرار في مثل هذه المرحلة.

حل

حل التمرين 7.15.

العجز $25000 - 8500 - 6000 = 10\,500\,\mathrm{kJ}$ ، أي نحو $280\,\mathrm{g}$ من الشحم. والأكل أثناء المرحلة يبقي غلوكوز الدم مرتفعًا للدماغ ويوفر الغليكوجين للصعودات، حيث تفوق الاستطاعة اللازمة بكثير ما يستطيع الشحم وحده تقديمه؛ أما الشحم فيغطي الجزء المطرد من اليوم.

7.6 مسألة: أين يقف الجدار

مسألة 7.1

مسألة نهاية الأسبوع — ميزانية ماراثون الطاقية: الأكسجين الذي تتنفسه العدّاءة، والغليكوجين الذي تحمله، والكيلومتر الذي ينفد عنده، وما الذي يغيره التدريب

نادية، $60\,\mathrm{kg}$ ، تجري ماراثونًا ( $42.2\,\mathrm{km}$ ) في $3\,\mathrm{h}$ $30\,\mathrm{min}$ . والجري يكلف $4.0\,\mathrm{kJ}$ لكل كيلوغرام لكل كيلومتر. وعضلاتها تحمل $300\,\mathrm{g}$ من الغليكوجين وكبدها $80\,\mathrm{g}$ ؛ والغليكوجين والغلوكوز يعطيان $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ، والشحم $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ؛ ولتر الأكسجين الواحد يحرر $20\,\mathrm{kJ}$ . و $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max عندها $52\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ لكل كيلوغرام.

الجزء الأول — كلفة السباق.

احسب الكلفة الطاقية للماراثون عند نادية.
احسب استطاعتها الاستقلابية الوسطية أثناء السباق، بالواط.
احسب حجم الأكسجين الذي تستهلكه عبر السباق، ثم استهلاكها الوسطي للأكسجين باللترات في الدقيقة.
عبّر عن ذلك الاستهلاك بالمليلترات في الدقيقة لكل كيلوغرام، وبنسبة مئوية من $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max عندها.
استهلاكها في الراحة $0.2\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ . فأي نسبة من استهلاك يوم السباق يفسرها الجري نفسه؟

الجزء الثاني — المخازن.

احسب الطاقة المحفوظة في مخازن غليكوجينها.
لو أنها حرقت الغليكوجين وحده، فعند أي كيلومتر تنفد المخازن؟
والحق أنها تحرق خليطًا: 80% كربوهيدرات و20% شحمًا بوتيرة سباقها. فعند أي كيلومتر ينفد الغليكوجين الآن؟
ما كتلة الشحم التي تحرقها في السباق؟ قارنها بكتلة $9\,\mathrm{kg}$ من الشحم تحملها عادةً امرأة كتلتها $60\,\mathrm{kg}$ .
فسّر، انطلاقًا من القضية 7.7، لماذا لا تستطيع ببساطة أن تحرق الشحم وحده حالما ينفد الغليكوجين وتحافظ على الوتيرة نفسها.

الجزء الثالث — التغلب على الجدار.

تشرب أثناء السباق محلولًا سكريًا يقدم $60\,\mathrm{g}$ من الكربوهيدرات في الساعة. فكم طاقة يضيف ذلك عبر السباق، وكم كيلومترًا من استعمال الكربوهيدرات يغطي؟
أعد السؤال 8 مع المشروب. فهل تنهي السباق الآن قبل نفاد الغليكوجين؟
قبل السباق بثلاثة أيام «تشحن» الكربوهيدرات، فترفع غليكوجين عضلاتها إلى $500\,\mathrm{g}$ . وكل غرام مخزون مع $3\,\mathrm{g}$ من الماء. فبكم ترتفع كتلتها، وما كلفة ذلك طاقةً لكل كيلومتر؟
يزيح التدريب خليط وتيرة سباقها إلى 55% كربوهيدرات و45% شحمًا. فمع الشحن والمشروب، عند أي كيلومتر ينفد الغليكوجين؟ علّق.
لماذا يجعل الدماغ، وهو لا يستعمل إلا الغلوكوز، نفادَ الغليكوجين يحس إنهاكًا حتى حين يبقى عند العضلات شحم تحرقه؟

الجزء الرابع — أرقام بطل. عدّاء نخبة كتلته $55\,\mathrm{kg}$ يجري الماراثون في $2\,\mathrm{h}$ $05\,\mathrm{min}$ ، وكلفة جريه $3.6\,\mathrm{kJ}$ لكل كيلوغرام لكل كيلومتر و $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max عنده $80\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ لكل كيلوغرام.

احسب الكلفة الطاقية للسباق عند البطل واستهلاكه الوسطي للأكسجين باللترات في الدقيقة.
أي نسبة مئوية من $\dot V\!\mathrm{O_2}$ max عنده يديمها؟ قارنها برقم نادية.
يميز البطلَ أمران: سقف أعلى وكلفة أدنى لكل كيلومتر. فأيهما هو «الاقتصاد»؟ واحسب بكم يغير فرق الكلفة وحده طاقة السباق عند عدّاء كتلته $55\,\mathrm{kg}$ .
تحمل عضلاته $500\,\mathrm{g}$ من الغليكوجين بعد الشحن. فعند استعمال 70% كربوهيدرات، هل يبلغ خط النهاية عليه من دون شرب؟
اذكر النتيجة: عند نادية، الكيلومتر الذي يقف عنده الجدار بلا استعداد، والتدابير الثلاثة التي تزحزحه وراء خط النهاية.

حل

حل المسألة 7.1.

1. $4.0 \times 60 \times 42.2 \approx 10\,100\,\mathrm{kJ}$ .

2. $3\,\mathrm{h}\,30\,\mathrm{min} = 12\,600\,\mathrm{s}$ : $1.01 \times 10^{7}/12600 \approx 800\,\mathrm{W}$ .

3. $10100/20 \approx 506\,\mathrm{L}$ ؛ وعلى مدى $210\,\mathrm{min}$ ، نحو $2.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ .

4. $2400/60 = 40\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ لكل كيلوغرام، أي $40/52 \approx 77\%$ من حدها الأقصى.

5. $(2.4 - 0.2)/2.4 \approx 92\%$ .

6. $380 \times 17 = 6460\,\mathrm{kJ}$ .

7. السباق يكلف $240\,\mathrm{kJ}$ لكل كيلومتر: $6460/240 \approx 27\,\mathrm{km}$ .

8. استعمال الكربوهيدرات $0.8 \times 240 = 192\,\mathrm{kJ}/\mathrm{km}$ : أي $6460/192 \approx 34\,\mathrm{km}$ — وهو الجدار.

9. طاقة الشحم $0.2 \times 10100 \approx 2020\,\mathrm{kJ}$ ، أي $2020/38 \approx 53\,\mathrm{g}$ : نحو 0.6% من $9\,\mathrm{kg}$ عندها.

10. الشحم لا يحرقه إلا التنفس وبنسبة محدودة: فهو يستطيع تقديم نحو نصف الاستطاعة التي تقتضيها وتيرتها. ومن دون غليكوجين لا تستطيع العضلات صنع ATP بالسرعة الكافية، فتهبط الوتيرة.

11. $60 \times 3.5 = 210\,\mathrm{g}$ ، أي $210 \times 17 \approx 3570\,\mathrm{kJ}$ ، تغطي $3570/192 \approx 19\,\mathrm{km}$ من استعمال الكربوهيدرات.

12. الكربوهيدرات المتاحة $6460 + 3570 = 10\,030\,\mathrm{kJ}$ : أي $10030/192 \approx 52\,\mathrm{km}$ ، وراء خط النهاية. فنعم.

13. $+200\,\mathrm{g}$ من الغليكوجين $+ 600\,\mathrm{g}$ من الماء: أي $0.8\,\mathrm{kg}$ ، تكلف $0.8 \times 4.0 \approx 3\,\mathrm{kJ}$ إضافية لكل كيلومتر — وهي مهملة أمام 240.

14. الغليكوجين $580 \times 17 = 9860\,\mathrm{kJ}$ زائد المشروب: نحو $13\,400\,\mathrm{kJ}$ ؛ واستعمال الكربوهيدرات $0.55 \times 240 = 132\,\mathrm{kJ}/\mathrm{km}$ : أي أكثر من $100\,\mathrm{km}$ . فقد انزاح الجدار وراء خط النهاية بكثير، وبهامش واسع.

15. الدماغ لا يحرق إلا الغلوكوز، ويقدمه غليكوجين الكبد. فحين يفرغ ذلك المخزن يهبط غلوكوز الدم، ويشير الدماغ إلى الطارئ دوارًا وتعبًا طاغيًا، مهما بقي عند العضلات.

16. $3.6 \times 55 \times 42.2 \approx 8360\,\mathrm{kJ}$ ؛ و $8360/20 = 418\,\mathrm{L}$ على مدى $125\,\mathrm{min}$ : نحو $3.3\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ .

17. $3340/55 \approx 61\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ لكل كيلوغرام، أي $61/80 \approx 76\%$ — وهي النسبة نفسها عند نادية. فالسقف هو الذي يختلف، لا النسبة المستعملة منه.

18. الاقتصاد هو الكلفة لكل كيلوغرام لكل كيلومتر. فعند عدّاء كتلته $55\,\mathrm{kg}$ ، $(4.0 - 3.6) \times 55 \times 42.2 \approx 930\,\mathrm{kJ}$ موفرة عبر السباق، أي نحو 9%.

19. الغليكوجين $8500\,\mathrm{kJ}$ ؛ والكربوهيدرات اللازمة $0.7 \times 8360 \approx 5850\,\mathrm{kJ}$ : فنعم، تكفي المخازن من دون شرب.

20. من دون استعداد ينفد غليكوجين نادية قرب الكيلومتر 34؛ أما شحن الكربوهيدرات قبل السباق، وشرب الكربوهيدرات أثناءه، والتدريب الذي يرفع نصيب الشحم المحروق، فكل منها يدفع الجدار وراء خط النهاية.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد