माध्यमिक जीवविज्ञान · Grades 10–12

7व्यायाम और शरीर की ऊर्जा-ज़रूरतें

प्रयोगशाला की साइकिल पर बैठी एक साइकिल-सवार ऐसे ब्रेक के ख़िलाफ़ पैडल मारती है जो उसकी शक्ति नापता है: $100\,\mathrm{W}$ , फिर $150\,\mathrm{W}$ , फिर $200\,\mathrm{W}$ । उसके चेहरे पर लगा मुखौटा हर साँस एक विश्लेषक तक भेजता है। पर्दे पर के अंक ब्रेक के साथ-साथ चढ़ते हैं: वह जितना अधिक यांत्रिक कार्य देती है, उतनी ही अधिक ऑक्सीजन खपाती है और उतनी ही अधिक कार्बन डाइऑक्साइड बाहर छोड़ती है। उसकी पेशियाँ अध्याय 4 वाला श्वसन पूरे ज़ोर से चला रही हैं, और विश्लेषक उसी का बही-खाता पढ़ रहा है। यह अध्याय व्यायाम की ऊर्जा का पीछा उस भोजन से करता है जो उसे देता है, उस ऑक्सीजन तक जो उसे छोड़ती है।

7.1 ऊर्जा भीतर, कार्य बाहर

परिभाषा 7.1 (ऊर्जा व्यय)

शरीर का ऊर्जा व्यय, जूल में, वह कुल ऊर्जा है जो उसकी कोशिकाएँ किसी दिए हुए समय में कार्बनिक अणुओं से छोड़ती हैं। समय से भाग देने पर वह उपापचयी शक्ति बन जाती है, वाट में। विश्राम में कोई वयस्क लगभग $80\,\mathrm{W}$ ख़र्च करता है — यानी दिन भर में क़रीब $7000\,\mathrm{kJ}$ — ताकि हृदय धड़कता रहे, मस्तिष्क काम करता रहे, ताप $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर बना रहे और कोशिकाएँ जीवित रहें; यही आधारी उपापचय है। हर गतिविधि उसमें और जोड़ती है।

प्रतिज्ञप्ति 7.2 (ऊर्जा जाती कहाँ है)

काम करती पेशी अपनी छोड़ी हुई ऊर्जा का केवल लगभग एक-चौथाई ही यांत्रिक कार्य में बदलती है; बाक़ी तीन-चौथाई ऊष्मा बनकर निकल जाता है। इसलिए $P$ यांत्रिक शक्ति देने पर शरीर को विश्राम से ऊपर लगभग $4P$ उपापचयी शक्ति ख़र्च करनी पड़ती है: पैडल पर $100\,\mathrm{W}$ देती साइकिल-सवार अपनी पेशियों में क़रीब $400\,\mathrm{W}$ ख़र्च कर रही है, और उसके शरीर को $300\,\mathrm{W}$ ऊष्मा से पीछा छुड़ाना पड़ता है — ज़्यादातर पसीने से।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

उदाहरण 7.3 (रोज़ के बजट)

कक्षा में बैठा, स्कूल तक चलकर जाता और सोता विद्यार्थी दिन भर में लगभग $9000\,\mathrm{kJ}$ ख़र्च करता है; फ़ुटबॉल का एक घंटा क़रीब $2500\,\mathrm{kJ}$ और जोड़ देता है; और पीठ पर बोझ लिए पहाड़ों में बिताया दिन कुल मिलाकर $15\,000\,\mathrm{kJ}$ । किसी दौड़ के पहाड़ी चरण पर साइकिल-सवार $25\,000\,\mathrm{kJ}$ ख़र्च करती है, और दिन भर में उतना खा भी नहीं पाती। यह ऊर्जा भोजन से आती है (अध्याय 1): कार्बोहाइड्रेट या प्रोटीन के प्रति ग्राम $17\,\mathrm{kJ}$ , और लिपिड के प्रति ग्राम $38\,\mathrm{kJ}$ ।

7.2 ऑक्सीजन की खपत ऊर्जा व्यय नापती है

प्रतिज्ञप्ति 7.4 (ऑक्सीजन तुल्यांक)

चूँकि व्यायाम की ऊर्जा कोशिकीय श्वसन से छूटती है, जो ऑक्सीजन खपाता है, इसलिए शरीर की ऑक्सीजन-खपत ही उसका ऊर्जा व्यय नाप देती है: खपी हुई हर लीटर ऑक्सीजन लगभग $20\,\mathrm{kJ}$ छूटने के बराबर है, चाहे ग्लूकोज़ और लिपिड का मिश्रण जो भी जलाया जा रहा हो। विश्राम में कोई व्यक्ति प्रति मिनट लगभग $0.25\,\mathrm{L}$ ऑक्सीजन खपाता है; और व्यायाम के दौरान खपत दी जा रही शक्ति के अनुपात में बढ़ती है, अपनी एक निजी छत तक।

साक्ष्य. अध्याय 4 का श्वसन समीकरण $6\,\mathrm{mol}$ ऑक्सीजन के लिए $2870\,\mathrm{kJ}$ देता है, यानी प्रति मोल $478\,\mathrm{kJ}$ , और एक मोल गैस लगभग $24\,\mathrm{L}$ घेरती है: यानी प्रति लीटर $20\,\mathrm{kJ}$ । लिपिड के लिए यह आँकड़ा $19.6\,\mathrm{kJ}/\mathrm{L}$ है और कार्बोहाइड्रेट के लिए $21.1\,\mathrm{kJ}/\mathrm{L}$ , इसलिए मिश्रण से शायद ही कोई फ़र्क़ पड़ता है। बंद कक्षों में की गई मापें, जहाँ किसी व्यक्ति की छोड़ी हुई ऊष्मा सीधे बटोरी जाती है, ऑक्सीजन वाले आँकड़े से कुछ प्रतिशत के भीतर मेल खाती हैं। ∎

बढ़ती शक्ति पर पैडल मारते किसी व्यक्ति की ऑक्सीजन-खपत। बढ़त रैखिक है — प्रति वाट प्रति मिनट लगभग 12\, mL ऑक्सीजन — जब तक खपत अपनी छत, यानी उस व्यक्ति की अधिकतम V\! O_2, तक न पहुँच जाए; उसके आगे की अतिरिक्त शक्ति बिना ऑक्सीजन के जुटाई जाती है और लंबे समय तक टिक नहीं सकती। — बढ़ती शक्ति पर पैडल मारते किसी व्यक्ति की ऑक्सीजन-खपत। बढ़त रैखिक है — प्रति वाट प्रति मिनट लगभग $12\,\mathrm{mL}$ ऑक्सीजन — जब तक खपत अपनी छत, यानी उस व्यक्ति की अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ , तक न पहुँच जाए; उसके आगे की अतिरिक्त शक्ति बिना ऑक्सीजन के जुटाई जाती है और लंबे समय तक टिक नहीं सकती।

परिभाषा 7.5 (अधिकतम ऑक्सीजन खपत)

अधिकतम ऑक्सीजन खपत, जिसे $\dot V\!\mathrm{O_2}$ की अधिकतम मान कहा जाता है, वह सबसे ऊँची दर है जिस पर किसी व्यक्ति का शरीर ऑक्सीजन ले और इस्तेमाल कर सकता है, लीटर प्रति मिनट में — या, अलग-अलग आकार के लोगों की तुलना के लिए, प्रति किलोग्राम शरीर-द्रव्यमान पर मिलीलीटर प्रति मिनट में। वही वह सबसे ऊँची शक्ति तय करती है जो अकेले श्वसन से टिकाई जा सके। ठेठ मान: गतिहीन वयस्क में प्रति किलोग्राम $35\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ , प्रशिक्षित विद्यार्थी में $50$ , और सहनशक्ति के किसी चैंपियन खिलाड़ी में $80$ या उससे भी अधिक।

उदाहरण 7.6 (वक्र पढ़ना)

चित्र में $100\,\mathrm{W}$ पर पैडल मारने का दाम प्रति मिनट $1.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ऑक्सीजन है: यानी प्रति मिनट $1.5 \times 20 = 30\,\mathrm{kJ}$ , यानी $500\,\mathrm{W}$ उपापचयी शक्ति — कार्य के $100\,\mathrm{W}$ और उनके ऊपर ऊष्मा तथा विश्राम की ज़रूरतों के $400\,\mathrm{W}$ , ठीक प्रतिज्ञप्ति 7.2 के अनुरूप। $66\,\mathrm{kg}$ के व्यक्ति के लिए $3.3\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ की छत प्रति किलोग्राम $50\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ बनती है।

व्यायाम के दौरान ऑक्सीजन-खपत नापना: हर साँस मुखौटे से होकर एक गैस-विश्लेषक तक जाती है, जो मिनट-दर-मिनट ली गई ऑक्सीजन और छोड़ी गई कार्बन डाइऑक्साइड दर्ज करता है, जबकि ट्रेडमिल शक्ति तय करता है।

7.3 पेशी के ईंधन

प्रतिज्ञप्ति 7.7 (ATP के तीन स्रोत)

पेशी के संकुचन का दाम ATP में चुकाया जाता है, और कोशिका उसे केवल कुछ सेकंड भर रखती है। उसे तीन रास्तों से नया किया जाता है, और हर रास्ते की अपनी रफ़्तार तथा अपनी क्षमता है:

पेशी में किसी फ़ॉस्फ़ेट यौगिक का एक छोटा भंडार, जो ATP तुरंत दोबारा बना देता है पर लगभग दस सेकंड ही चलता है — यानी फ़र्राटा दौड़;
कोशिकाद्रव्य में ग्लूकोज़ का लैक्टिक किण्वन, जो तेज़ पर फ़िज़ूलख़र्च है, पूरे ज़ोर की कोशिश को एक से दो मिनट तक टिकाता है और लैक्टिक अम्ल बनाता है;
सूत्रकणिकाओं में कोशिकीय श्वसन, जो पूरी दर तक पहुँचने में धीमा है पर अवधि में लगभग असीम, और जो रक्त का ग्लूकोज़, पेशी का ग्लाइकोजन तथा शरीर की चर्बी के वसा-अम्ल जलाता है।

इनमें से हर एक का हिस्सा व्यायाम की तीव्रता और अवधि पर निर्भर करता है।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

दी हुई अवधि की पूरे ज़ोर वाली कोशिश में ATP के तीनों स्रोतों का अनुमानित हिस्सा। 100 मीटर की फ़र्राटा दौड़ फ़ॉस्फ़ेट भंडार पर चलती है; 400 मीटर की दौड़ बड़े हिस्से में किण्वन पर; और कुछ मिनटों से आगे की हर चीज़ श्वसन पर।

परिभाषा 7.8 (ग्लाइकोजन)

ग्लाइकोजन संचित कार्बोहाइड्रेट का जांतव रूप है: ग्लूकोज़ इकाइयों की एक शाखित शृंखला, जो पेशी कोशिकाओं में (वयस्क में लगभग $400\,\mathrm{g}$ ) और यकृत में (लगभग $100\,\mathrm{g}$ ) कणिकाओं के रूप में रखी रहती है। पेशी का ग्लाइकोजन उसी पेशी को ईंधन देता है जो उसे संचित करती है; और यकृत का ग्लाइकोजन तोड़कर ग्लूकोज़ बनाया जाता है, जो रक्त में छोड़ा जाता है और मस्तिष्क तथा बाक़ी ऊतकों के लिए रक्त-ग्लूकोज़ को $1\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ के आसपास बनाए रखता है। वसा कोशिकाओं में संचित चर्बी कहीं बड़ा भंडार है (अध्याय 1), पर उसे केवल धीरे-धीरे और केवल ऑक्सीजन के साथ ही जलाया जा सकता है।

उदाहरण 7.9 (मैराथन की दीवार)

दौड़ने में प्रति किलोग्राम शरीर-द्रव्यमान प्रति किलोमीटर लगभग $4\,\mathrm{kJ}$ ख़र्च होते हैं; $70\,\mathrm{kg}$ का धावक $280\,\mathrm{kJ}/\mathrm{km}$ ख़र्च करता है, और पूरी मैराथन का दाम $11\,800\,\mathrm{kJ}$ बैठता है। ग्लाइकोजन के भंडार लगभग $8500\,\mathrm{kJ}$ थामे हैं। यदि धावक ग्लाइकोजन बहुत तेज़ी से जलाए, तो भंडार तीसवें किलोमीटर के आसपास चुक जाते हैं; तब पेशियों को चर्बी के भरोसे रहना पड़ता है, जो ऊर्जा मुश्किल से आधी दर से देती है, और रफ़्तार ढह जाती है — यही “दीवार से टकराना” है। प्रशिक्षित धावक शुरू से ही चर्बी का बड़ा हिस्सा जलाते हैं, और दौड़ के दौरान कार्बोहाइड्रेट खाते रहते हैं।

टिकाऊ व्यायाम की ऊर्जा-शृंखला: भोजन और शरीर के भंडारों से ईंधन, साँस से ऑक्सीजन, सूत्रकणिकाओं में बना ATP और संकुचन पर उसका ख़र्च — जिसका तीन-चौथाई ऊष्मा बनकर निकल जाता है।

7.4 नापना और तर्क करना

विधि 7.10 (व्यायाम के लिए ऊर्जा की गणना)

ऑक्सीजन से: ऊर्जा ( $\mathrm{kJ}$ ) $=$ खपी हुई ऑक्सीजन ( $\mathrm{L}$ ) $\times 20$ । यदि प्रश्न अकेले व्यायाम का दाम पूछे तो विश्राम की खपत घटा दीजिए।
यांत्रिक शक्ति से: उपापचयी शक्ति $\approx 4 P$ ; ऊर्जा $=$ शक्ति $\times$ समय ( $1\,\mathrm{s}$ तक $1\,\mathrm{W}$ यानी $1\,\mathrm{J}$ ; $1\,\mathrm{kWh}$ $= 3600\,\mathrm{kJ}$ )।
ईंधन से: जला हुआ द्रव्यमान $=$ ऊर्जा $/$ ऊर्जा-मान (कार्बोहाइड्रेट $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , लिपिड $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ); और ग्लाइकोजन अपने द्रव्यमान से तिगुने जल के साथ संचित रहता है।
परिमाण की कोटि जाँचिए: पूरा दिन लगभग $10\,000\,\mathrm{kJ}$ ; कड़ी मेहनत का एक घंटा $2000\text{ to }3000\,\mathrm{kJ}$ ; और एक मैराथन $12\,000\,\mathrm{kJ}$ ।

उदाहरण 7.11 (साइकिल का एक घंटा)

पैडल पर $150\,\mathrm{W}$ का एक घंटा: उपापचयी शक्ति लगभग $600\,\mathrm{W}$ , ऊर्जा $600 \times 3600 = 2.16 \times 10^{6}\,\mathrm{J} \approx 2200\,\mathrm{kJ}$ ; ऑक्सीजन $2200/20 = 110\,\mathrm{L}$ , यानी $1.8\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ — जो वक्र से संगत है। यदि आधी ऊर्जा कार्बोहाइड्रेट से आए: $1100/17 \approx 65\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ या ग्लाइकोजन, और $1100/38 \approx 29\,\mathrm{g}$ चर्बी।

टिप्पणी 7.12 (ऑक्सीजन का पहुँचना क्यों ज़रूरी है)

ऊपर की हर बात यह मानकर चलती है कि ऑक्सीजन सूत्रकणिकाओं तक उतनी ही तेज़ी से पहुँच रही है जितनी तेज़ी से वे उसे इस्तेमाल कर सकती हैं। यह काम फेफड़ों, हृदय और रक्त का है, और व्यायाम पर उनका जवाब — तेज़ साँस, तेज़ तथा ज़्यादा ज़ोरदार धड़कन, और पेशियों की ओर मोड़ा गया रक्त — अध्याय 8 का विषय है। अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ ज़्यादातर पहुँचाने की सीमा है, पेशियों की भूख की नहीं।

7.5 अभ्यास

अभ्यास 7.1 ★

आधारी उपापचय की परिभाषा दीजिए और वाट में तथा किलोजूल प्रति दिन में उसकी परिमाण की कोटि बताइए।

हल

हल — अभ्यास 7.1.

पूरे विश्राम में शरीर को जीवित रखने पर ख़र्च होने वाली ऊर्जा — हृदय, मस्तिष्क, ताप, कोशिकाओं का रखरखाव: लगभग $80\,\mathrm{W}$ , यानी दिन भर में क़रीब $7000\,\mathrm{kJ}$ ।

अभ्यास 7.2 ★

कोई व्यक्ति प्रति मिनट $2.0\,\mathrm{L}$ ऑक्सीजन खपाता है। उसका ऊर्जा व्यय किलोजूल प्रति मिनट में और वाट में क्या है?

हल

हल — अभ्यास 7.2.

प्रति मिनट $2.0 \times 20 = 40\,\mathrm{kJ}$ , यानी $40000/60 \approx 670\,\mathrm{W}$ ।

अभ्यास 7.3 ★

उन तीनों रास्तों के नाम लिखिए जिनसे पेशी अपना ATP नया करती है, और हर एक अकेले कितनी देर टिका सकता है यह भी।

हल

हल — अभ्यास 7.3.

पेशी का फ़ॉस्फ़ेट भंडार (लगभग दस सेकंड); लैक्टिक किण्वन (पूरे ज़ोर की कोशिश के एक से दो मिनट); कोशिकीय श्वसन (घंटों)।

अभ्यास 7.4 ★

अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ क्या है? $70\,\mathrm{kg}$ के व्यक्ति के लिए $3.5\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ को प्रति किलोग्राम मिलीलीटर प्रति मिनट में बदलिए।

हल

हल — अभ्यास 7.4.

वह सबसे ऊँची दर जिस पर शरीर ऑक्सीजन ले और इस्तेमाल कर सकता है। प्रति किलोग्राम $3500/70 = 50\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ ।

अभ्यास 7.5 ★

ग्लाइकोजन कहाँ, कितनी मात्रा में संचित रहता है, और हर भंडार किस काम का है?

हल

हल — अभ्यास 7.5.

पेशियाँ, लगभग $400\,\mathrm{g}$ , जो उसी पेशी को ईंधन देता है जो उसे संचित करती है; और यकृत, लगभग $100\,\mathrm{g}$ , जो मस्तिष्क तथा बाक़ी ऊतकों के लिए ग्लूकोज़ बनकर रक्त में छोड़ा जाता है।

अभ्यास 7.6 ★★

ऑक्सीजन-बनाम-शक्ति वाले चित्र से $200\,\mathrm{W}$ पर ऑक्सीजन-खपत पढ़िए और उपापचयी शक्ति निकालिए। इससे प्रति सेकंड बनी ऊष्मा भी निकालिए।

हल

हल — अभ्यास 7.6.

$2.7\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ : प्रति मिनट $2.7 \times 20 = 54\,\mathrm{kJ}$ , यानी $900\,\mathrm{W}$ । ऊष्मा: $900 - 200 = 700\,\mathrm{W}$ ।

अभ्यास 7.7 ★★

$60\,\mathrm{kg}$ का कोई पैदल यात्री दो घंटे में $800\,\mathrm{m}$ चढ़ता है। गुरुत्व के ख़िलाफ़ किया गया यांत्रिक कार्य निकालिए ( $g = 9.8\,\mathrm{N}/\mathrm{kg}$ ), फिर 25% दक्षता मानने पर उसकी पेशियों की ख़र्च की हुई ऊर्जा, और विश्राम से ऊपर औसत उपापचयी शक्ति।

हल

हल — अभ्यास 7.7.

कार्य $mgh = 60 \times 9.8 \times 800 \approx 470\,\mathrm{kJ}$ । 25% दक्षता पर पेशियों ने लगभग $1900\,\mathrm{kJ}$ ख़र्च किए। $7200\,\mathrm{s}$ में: यानी विश्राम से ऊपर लगभग $260\,\mathrm{W}$ ।

अभ्यास 7.8 ★★

सजी हुई पट्टियों वाले चित्र की मदद से समझाइए कि 400 मीटर का धावक अंत में हाँफता और दुखता क्यों है, जबकि 100 मीटर का फ़र्राटा धावक मुश्किल से ही हाँफता है।

हल

हल — अभ्यास 7.8.

100 मीटर की फ़र्राटा दौड़ लगभग पूरी तरह फ़ॉस्फ़ेट भंडार पर चलती है: न ऑक्सीजन का उधार, न कोई ख़ास लैक्टिक अम्ल। 400 मीटर की दौड़ लगभग एक मिनट चलती है और अपनी आधी ऊर्जा लैक्टिक किण्वन से खींचती है: लैक्टिक अम्ल जमा होता है (वही दर्द), और जिस श्वसन को उसे हटाना है वह धावक को बाद में भी कई मिनट हाँफता रखता है।

अभ्यास 7.9 ★★

कोई खिलाड़ी अभ्यास के एक सत्र में $3000\,\mathrm{kJ}$ ख़र्च करती है, जिसका 60% कार्बोहाइड्रेट से आता है। उसने ग्लाइकोजन का कितना द्रव्यमान इस्तेमाल किया, और उसके साथ जल का कितना द्रव्यमान छूटा?

हल

हल — अभ्यास 7.9.

कार्बोहाइड्रेट से ऊर्जा $0.6 \times 3000 = 1800\,\mathrm{kJ}$ ; ग्लाइकोजन $1800/17 \approx 106\,\mathrm{g}$ ; और छूटा हुआ जल लगभग $320\,\mathrm{g}$ ।

अभ्यास 7.10 ★★

चॉकलेट की $50\,\mathrm{g}$ की एक पट्टी $1100\,\mathrm{kJ}$ देती है। $150\,\mathrm{W}$ पर पैडल मारती साइकिल-सवार को वह कितनी देर चला पाएगी?

हल

हल — अभ्यास 7.10.

उपापचयी शक्ति लगभग $600\,\mathrm{W}$ : $1.1 \times 10^{6}/600 \approx 1830\,\mathrm{s}$ , यानी क़रीब 30 मिनट।

अभ्यास 7.11 ★★

व्यायाम के दौरान किसी व्यक्ति के शरीर का ताप क्यों बढ़ता है, और किस क्रियाविधि से उसे और बढ़ने से रोका जाता है?

हल

हल — अभ्यास 7.11.

पेशियों में छूटी ऊर्जा का तीन-चौथाई ऊष्मा है, यानी कड़ी मेहनत के दौरान कई सौ वाट। पसीना उसे हटाता है: जल के वाष्पित होने में प्रति ग्राम लगभग $2.4\,\mathrm{kJ}$ लगते हैं, और त्वचा तक जाता रक्त ऊष्मा वहाँ पहुँचाता है। पसीने के बिना शरीर का ताप हर कुछ मिनट में एक अंश बढ़ जाता।

अभ्यास 7.12 ★★★

$60\,\mathrm{kg}$ और $90\,\mathrm{kg}$ के दो व्यक्तियों की अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ दोनों $3.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ है। इनमें से कौन चढ़ाई पर तेज़ दौड़ सकता है, और प्रयोगशाला की साइकिल पर समतल सड़क जैसी हालत में कौन ज़्यादा ज़ोर से पैडल मार सकता है? समझाइए।

हल

हल — अभ्यास 7.12.

चढ़ाई पर ज़रूरी शक्ति शरीर-द्रव्यमान के अनुपात में होती है: $60\,\mathrm{kg}$ वाले व्यक्ति के पास प्रति किलोग्राम $60\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ हैं, जबकि दूसरे के पास $40$ , इसलिए वही तेज़ चढ़ता है। प्रयोगशाला की साइकिल पर शक्ति द्रव्यमान पर निर्भर नहीं करती, दोनों के पास वही $3.6\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ है, और दोनों उतने ही वाट टिका सकते हैं।

अभ्यास 7.13 ★★★

किसी दौड़ के दौरान धावक की ऑक्सीजन-खपत $3.0\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ है, उस रफ़्तार पर जिसके लिए वक्र के हिसाब से $3.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ चाहिए। यह फ़र्क़ कहाँ से आता है, और कुछ मिनटों बाद धावक को क्या महसूस होगा?

हल

हल — अभ्यास 7.13.

ऑक्सीजन-तुल्यांक के जो $0.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ कम पड़ रहे हैं, वे पेशियों के लैक्टिक किण्वन से आते हैं। लैक्टिक अम्ल जमा होता है; कुछ ही मिनटों में पेशियाँ जलने लगती हैं और धावक को उस रफ़्तार पर धीमा होना पड़ता है जिसे अकेला श्वसन ढँक सके।

अभ्यास 7.14 ★★★

ATP के तीनों रास्तों की मदद से समझाइए कि कोई व्यक्ति छोटे-छोटे अत्यधिक तीव्र झोंकों के व्यायाम से चर्बी उतनी असरदार तरह से क्यों नहीं घटा सकता जितनी लंबे समय तक मध्यम व्यायाम से।

हल

हल — अभ्यास 7.14.

छोटे-छोटे अत्यधिक तीव्र झोंके फ़ॉस्फ़ेट भंडार और किण्वन पर चलते हैं, जो चर्बी बिलकुल इस्तेमाल नहीं करते; चर्बी केवल श्वसन जलाता है, जिसे पूरी दर तक पहुँचने में मिनट लगते हैं और जिसका बोलबाला केवल लंबे मध्यम व्यायाम में होता है। और चंद झोंकों की कुल ऊर्जा भी घंटे भर की लगातार मेहनत के मुक़ाबले कम ही होती है।

अभ्यास 7.15 ★★★

पहाड़ी चरण पर कोई साइकिल-सवार दिन भर में $25\,000\,\mathrm{kJ}$ ख़र्च करती है। उसका ग्लाइकोजन $8500\,\mathrm{kJ}$ थामे है और वह चरण के दौरान $6000\,\mathrm{kJ}$ खाती है। उसकी जलाई हुई शरीर की चर्बी के द्रव्यमान का अनुमान लगाइए, और समझाइए कि ऐसे चरण में सवार लगातार क्यों खाते रहते हैं।

हल

हल — अभ्यास 7.15.

घाटा $25000 - 8500 - 6000 = 10\,500\,\mathrm{kJ}$ , यानी लगभग $280\,\mathrm{g}$ चर्बी। चरण के दौरान खाते रहना मस्तिष्क के लिए रक्त-ग्लूकोज़ ऊपर बनाए रखता है और चढ़ाइयों के लिए ग्लाइकोजन बचा लेता है, जहाँ ज़रूरी शक्ति उससे कहीं ऊपर होती है जितनी अकेली चर्बी दे सकती है; चर्बी दिन के ठहरे हुए हिस्से को ढँकती है।

7.6 समस्या: दीवार खड़ी कहाँ है

समस्या 7.1

सप्ताहांत समस्या — एक मैराथन का ऊर्जा-बजट: धावक कितनी ऑक्सीजन साँस में लेती है, कितना ग्लाइकोजन ढोती है, वह किस किलोमीटर पर चुक जाता है, और प्रशिक्षण उसमें क्या बदलता है

$60\,\mathrm{kg}$ की नादिया एक मैराथन ( $42.2\,\mathrm{km}$ ) $3\,\mathrm{h}$ $30\,\mathrm{min}$ में दौड़ती है। दौड़ने का दाम प्रति किलोग्राम प्रति किलोमीटर $4.0\,\mathrm{kJ}$ है। उसकी पेशियाँ $300\,\mathrm{g}$ ग्लाइकोजन थामे हैं और यकृत $80\,\mathrm{g}$ ; ग्लाइकोजन और ग्लूकोज़ $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ देते हैं, चर्बी $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ; और एक लीटर ऑक्सीजन $20\,\mathrm{kJ}$ छोड़ती है। उसकी अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ प्रति किलोग्राम $52\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ है।

भाग I — दौड़ का दाम।

नादिया के लिए मैराथन का ऊर्जा-दाम निकालिए।
दौड़ के दौरान उसकी औसत उपापचयी शक्ति वाट में निकालिए।
पूरी दौड़ में उसकी खपी हुई ऑक्सीजन का आयतन निकालिए, फिर उसकी औसत ऑक्सीजन-खपत लीटर प्रति मिनट में।
उस खपत को प्रति किलोग्राम मिलीलीटर प्रति मिनट में लिखिए, और उसकी अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ के प्रतिशत के रूप में भी।
विश्राम में उसकी खपत $0.2\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ है। दौड़ के दिन की उसकी खपत का कितना अंश अकेले दौड़ने का है?

भाग II — भंडार।

उसके ग्लाइकोजन भंडारों में थमी ऊर्जा निकालिए।
यदि वह केवल ग्लाइकोजन जलाए, तो भंडार किस किलोमीटर पर चुक जाएँगे?
असल में वह एक मिश्रण जलाती है: अपनी दौड़-रफ़्तार पर 80% कार्बोहाइड्रेट और 20% चर्बी। अब ग्लाइकोजन किस किलोमीटर पर चुकता है?
वह दौड़ में चर्बी का कितना द्रव्यमान जलाती है? $60\,\mathrm{kg}$ की स्त्री आमतौर पर जो $9\,\mathrm{kg}$ चर्बी ढोती है, उससे तुलना कीजिए।
प्रतिज्ञप्ति 7.7 की मदद से समझाइए कि ग्लाइकोजन चुक जाने पर वह केवल चर्बी जलाकर वही रफ़्तार क्यों नहीं बनाए रख सकती।

भाग III — दीवार को हराना।

दौड़ के दौरान वह ऐसा मीठा घोल पीती है जो प्रति घंटा $60\,\mathrm{g}$ कार्बोहाइड्रेट देता है। वह पूरी दौड़ में कितनी ऊर्जा जोड़ता है, और कार्बोहाइड्रेट की खपत के कितने किलोमीटर ढँक लेता है?
घोल के साथ प्रश्न 8 दोबारा कीजिए। क्या अब वह ग्लाइकोजन चुकने से पहले दौड़ पूरी कर लेती है?
दौड़ से तीन दिन पहले वह कार्बोहाइड्रेट “भरती” है और अपनी पेशी का ग्लाइकोजन $500\,\mathrm{g}$ तक ले जाती है। हर ग्राम $3\,\mathrm{g}$ जल के साथ संचित होता है। उसका द्रव्यमान कितना बढ़ता है, और प्रति किलोमीटर ऊर्जा में उसका दाम क्या है?
प्रशिक्षण उसकी दौड़-रफ़्तार वाले मिश्रण को 55% कार्बोहाइड्रेट और 45% चर्बी पर ले आता है। भरने और घोल, दोनों के साथ ग्लाइकोजन किस किलोमीटर पर चुकता? टिप्पणी कीजिए।
मस्तिष्क केवल ग्लूकोज़ इस्तेमाल करता है; समझाइए कि इसीलिए ग्लाइकोजन का चुकना थकावट जैसा क्यों लगता है, जबकि पेशियों के पास जलाने को चर्बी अब भी बची है।

भाग IV — किसी चैंपियन के अंक। $55\,\mathrm{kg}$ का कोई शीर्ष धावक मैराथन $2\,\mathrm{h}$ $05\,\mathrm{min}$ में दौड़ता है, जिसका दौड़-दाम प्रति किलोग्राम प्रति किलोमीटर $3.6\,\mathrm{kJ}$ है और अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ प्रति किलोग्राम $80\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ ।

चैंपियन का दौड़ के लिए ऊर्जा-दाम और उसकी औसत ऑक्सीजन-खपत लीटर प्रति मिनट में निकालिए।
वह अपनी अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ का कितने प्रतिशत पर टिका रहता है? नादिया के आँकड़े से तुलना कीजिए।
चैंपियन को दो चीज़ें अलग करती हैं: ऊँची छत और प्रति किलोमीटर कम दाम। इनमें से “मितव्ययिता” कौन-सी है? निकालिए कि $55\,\mathrm{kg}$ के धावक के लिए अकेले दाम का फ़र्क़ दौड़ की ऊर्जा कितनी बदल देता है।
भरने के बाद उसकी पेशियाँ $500\,\mathrm{g}$ ग्लाइकोजन थामे हैं। 70% कार्बोहाइड्रेट खपत पर क्या वह बिना कुछ पिए उसी के बल पर दौड़ पूरी कर लेता है?
परिणाम लिखिए: बिना तैयारी के नादिया के लिए दीवार किस किलोमीटर पर खड़ी है, और वे तीन उपाय कौन-से हैं जो उसे दौड़ की अंतिम रेखा के पार धकेल देते हैं।

हल

हल — समस्या 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. $10100/20 \approx 506\,\mathrm{L}$ ; और $210\,\mathrm{min}$ में, यानी लगभग $2.4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ।

4. प्रति किलोग्राम $2400/60 = 40\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ , यानी उसकी अधिकतम का $40/52 \approx 77\%$ ।

5. $(2.4 - 0.2)/2.4 \approx 92\%$ ।

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

7. दौड़ का दाम प्रति किलोमीटर $240\,\mathrm{kJ}$ है: $6460/240 \approx 27\,\mathrm{km}$ ।

8. कार्बोहाइड्रेट की खपत $0.8 \times 240 = 192\,\mathrm{kJ}/\mathrm{km}$ : $6460/192 \approx 34\,\mathrm{km}$ — यही दीवार है।

9. चर्बी से ऊर्जा $0.2 \times 10100 \approx 2020\,\mathrm{kJ}$ , यानी $2020/38 \approx 53\,\mathrm{g}$ : उसके $9\,\mathrm{kg}$ का क़रीब 0.6%।

10. चर्बी केवल श्वसन से और एक सीमित दर पर ही जलती है: वह मोटे तौर पर उसकी रफ़्तार की माँगी हुई शक्ति का आधा ही दे सकती है। ग्लाइकोजन के बिना पेशियाँ इतनी तेज़ी से ATP नहीं बना पातीं, और रफ़्तार गिर जाती है।

11. $60 \times 3.5 = 210\,\mathrm{g}$ , यानी $210 \times 17 \approx 3570\,\mathrm{kJ}$ , जो कार्बोहाइड्रेट खपत के $3570/192 \approx 19\,\mathrm{km}$ ढँक लेता है।

12. उपलब्ध कार्बोहाइड्रेट $6460 + 3570 = 10\,030\,\mathrm{kJ}$ : $10030/192 \approx 52\,\mathrm{km}$ , यानी अंतिम रेखा से आगे। हाँ।

13. $+200\,\mathrm{g}$ ग्लाइकोजन और $+ 600\,\mathrm{g}$ जल: $0.8\,\mathrm{kg}$ , जिसका दाम प्रति किलोमीटर अतिरिक्त $0.8 \times 4.0 \approx 3\,\mathrm{kJ}$ — 240 के सामने नगण्य।

14. ग्लाइकोजन $580 \times 17 = 9860\,\mathrm{kJ}$ और उसके ऊपर घोल: कुल मिलाकर लगभग $13\,400\,\mathrm{kJ}$ ; कार्बोहाइड्रेट की खपत $0.55 \times 240 = 132\,\mathrm{kJ}/\mathrm{km}$ : यानी $100\,\mathrm{km}$ से ऊपर। दीवार अंतिम रेखा से बहुत आगे खिसक गई है, और अच्छे-ख़ासे अंतर से।

15. मस्तिष्क केवल ग्लूकोज़ जलाता है, जो यकृत के ग्लाइकोजन से आता है। वह भंडार ख़ाली होते ही रक्त-ग्लूकोज़ गिरता है, और मस्तिष्क इस आपात स्थिति का संकेत चक्कर और भारी थकावट के रूप में देता है, चाहे पेशियों के पास कुछ भी बचा हो।

16. $3.6 \times 55 \times 42.2 \approx 8360\,\mathrm{kJ}$ ; $125\,\mathrm{min}$ में $8360/20 = 418\,\mathrm{L}$ : यानी लगभग $3.3\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ ।

17. प्रति किलोग्राम $3340/55 \approx 61\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ , यानी $61/80 \approx 76\%$ — यानी नादिया जितना ही अंश। छत अलग है, उसका इस्तेमाल किया गया अंश नहीं।

18. मितव्ययिता प्रति किलोग्राम प्रति किलोमीटर का दाम है। $55\,\mathrm{kg}$ के धावक के लिए पूरी दौड़ में $(4.0 - 3.6) \times 55 \times 42.2 \approx 930\,\mathrm{kJ}$ की बचत, यानी लगभग 9%।

19. ग्लाइकोजन $8500\,\mathrm{kJ}$ ; ज़रूरी कार्बोहाइड्रेट $0.7 \times 8360 \approx 5850\,\mathrm{kJ}$ : हाँ, भंडार बिना कुछ पिए काफ़ी हैं।

20. बिना तैयारी के नादिया का ग्लाइकोजन किलोमीटर 34 के आसपास चुक जाता है; दौड़ से पहले कार्बोहाइड्रेट भरना, दौड़ के दौरान कार्बोहाइड्रेट पीना, और वह प्रशिक्षण जो जलाई गई चर्बी का हिस्सा बढ़ाता है — तीनों दीवार को अंतिम रेखा के पार धकेल देते हैं।

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