Энергия наших мыслей

Константин Коротков

Энергетические затраты на содержание мозга становятся ограничителем интеллектуальной активности для мелких животных. Допустим, что американский крот-скалепус решил попользоваться своим мозгом так же интенсивно, как приматы или человек. Крот массой 40 г обладает головным мозгом массой 1,2 г и спинным мозгом вместе с периферической нервной системой массой примерно 0,9 г. Имея нервную систему, составляющую более 5% массы тела, крот затрачивает на ее содержание около 30% всех энергетических ресурсов организма. Если он за думается над решением шахматной задачи, то расходы его организма на содержание мозга удвоятся, а сам крот моментально погибнет от голода. Мозгу крота потребуется столько энергии, что возникнут неразрешимые проблемы со скоростью получения кислорода и досушки компонентов обмена веществ из желудочно-кишечного тракта. Появятся трудности

с выведением продуктов метаболизма нервной системы и ее охлаждением. Таким образом, мелким насекомоядным и грызунам не суждено стать шахматистами.

У многих небольших животных с относительно большим мозгом возник механизм защиты организма от перерасхода энергии — торпидность, или впадание на несколько часов в спячку. Мелкие теплокровные вообще могут находиться в двух основных состояниях: гиперактивности и спячки. Промежуточное состояние малоэффективно, поскольку энергетические расходы не компенсируются поступающей пищей. В физиологии крупных млекопитающих торпидность невозможна, но все же крупные теплокровные тоже различными способами защищают себя от повышенных энергозатрат. Всем известна длительная зимняя псевдоспячка медведей, которая позволяет не расходовать энергию во время неблагоприятного для добычи пищи периода. В отношении экономии энергии еще более показательно поведение кошачьих. Львы, гепарды, тигры и пантеры, как и домашние кошки, основное время проводят в полудреме. Подсчитано, что кошачьи около 80% времени неактивны, а 20% тратят на поиск добычи, размножение и выяснение внутривидовых отношений. Но у них даже спячка не означает почти полной остановки жизненных процессов, как у небольших млекопитающих, амфибий и рептилий. Так что спите себе на здоровье, за это время ваш организм набирает энергию и решает массу интеллектуальных задач. Когда же, наконец, люди научатся эффективно обучаться во сне? Так бы хорошо было осваивать языки в приятной полудреме…

Все изложенные выше представления доказаны наукой и не вызывают сомнений. Но, как это часто бывает в науке, они не исчерпывают всего многообразия процессов и не позволяют ответить на все вопросы. И прежде всего — откуда спортсмены или военные черпают энергию в условиях сверхбольших нагрузок, почему тореро остается активным после двух часов корриды, как наша психика может резко увеличивать энергоотдачу? Рассмотрим противоречия современной науки на относительно простом примере.

МОЖЕТ ЛИ ПТИЦА ПЕРЕЛЕТЕТЬ ЧЕРЕЗ ОКЕАН, ИЛИ ОТКУДА СПОРТСМЕНЫ ЧЕРПАЮТ ЭНЕРГИЮ?

Общепризнано, что существуют два пути извлечения энергии для совершения мышечной работы: аэробный и анаэробный. Можно сказать, что они основаны на химическом преобразовании продуктов, потребляемых организмом, с переносом электронов в митохондрии с целью производства АТФ, служащих .энергетическими “батарейками” для мышц. Эта точка трения, казалось бы, хорошо описывает различные типы энергетического обеспечения организма, однако детальный биофизический анализ показывает, что данная концепция оказывается неполной.

Зададимся простым вопросом: может ли маленькая птичка перелететь через океан или совершить без остановки полет на сотни километров? Когда мы садимся в самолет и летим из Москвы в Париж, самолет на старте заправляют топливом, и на финише это топливо практически полностью расходуется. Все происходит в соответствии с законами физики: энергия молекулярных связей топлива переходит в энергию двигателей (правда, с учетом всех потерь коэффициент преобразования весьма низок, потому и грозит нам энергетический кризис). Если произвести расчеты затраченной и выделившейся энергии, все цифры хорошо совпадут. При этом выделение энергии происходит за счет уменьшения массы самолета, то есть массы его топлива.

В соответствии с такими расчетами птицы в полете должны расходовать массу своего тела для постоянного пополнения резерва АТФ — восполнения энергетического резерва. Лучше всего это делать за счет жиров, как наиболее энергетичного “топлива”. Поэтому во всех книжках написано, что птицы перед полетом много едят, чтобы образовать жировой запас, который и является источником энергии в полете. Посмотрим, как это происходит на самом деле.

В журнале “Nature” были опубликованы результаты исследований большой международной группы биологов1. Они провели прямые измерения энергетических затрат маленьких птичек: дроздов рода Catharus, которые в течение 42 дней путешествуют из Панамы в Канаду. Было

показано, что на 4800 километров птицы (каждая весом около 30 грамм) затрачивают 4450 килоджоулей — примерно 0,93 килоджоуля на километр. При этом энергетические затраты на день полета (600 км без остановки в течение семи с половиной часов) составляют примерно 130 килоджоулей (кДж), что составляет 0,22 кДж на километр или 17 кДж на час полета. Эти данные хорошо совпадают с результатами расчетов и лабораторных измерений в воздушном туннеле2, и из их анализа ученые с удивлением обнаружили, что основную энергию птицы тратят не на полет, а на кормежку. Так что имейте в виду, что хороший обед — это большие энергетические затраты, поэтому не рекомендуется наедаться перед важной встречей, экзаменами или соревнованием. Но вернемся к птицам.

______

1 Wikelski M., Tarlow E. M., Raim A., Diehl R. H., Larkin R. P., Visser G. H. Costs of migration in free-flying songbirds. Nature. Vol 423.12 June 2003. p 704.

2 Lindstrom A., Klaassen M. & Kvist A. 1999. Variation in energy intake and basal metabolic rate of a bird migrating in a wind-tunnel. Funct. Ecol. 1999. 13:352-359. McWilliams S. R., Guglielmo C, Pierce B and Klaassen M. Flying, fasting, and feeding in birds during migration: a nutritional and physiological ecology perspective. J of Aviation Biology 35: 377…/393, 2004.

Одновременно в результате прямых измерений было обнаружено, что в ходе перелета дрозды практически не теряют в весе (потери менее 6% веса), а жировая масса остается неизменной. Надежды, что они получают энергию, расходуя свой жир, не оправдались. Птички действительно увеличивают массу жира перед полетом, но этот жир служит в основном для сохранения тепла. Чем выше, тем холоднее, и, чтобы не расходовать дополнительную энергию на обогрев, птицы формируют “тепловой барьер”, пальтишко, которое защищает их в полете от холодов.

Проведем несложные расчеты. Для птицы весом 30 г 6% составляет 1,8 г. При сжигании 1 г карбогидратов выделяется 4 ккал энергии (16,75 кДж), 1 г жиров дает 9 ккал, или 37,68 кДж. Прямое преобразование массы тела весом 1,8 г в энергию может обеспечить от 30 до 68 кДж. В реальности эта цифра гораздо меньше, так как коэффициент преобразования в организме намного меньше 100%.

Как мы видим, из 130 кДж, затраченных на полет, менее половины может быть обеспечено за счет сжигания пищевых запасов. Тем более это относится к птицам, летающим через Атлантику. Например, бурокрылые ржанки, имеющие средний размах крыльев всего 34 см, при своих сезонных миграциях совершают беспосадочный перелет со скоростью около 90 км/ч, от Алеутских до Гавайских островов — на 3300 км. С точки зрения классических представлений такой полет невозможен, птицы должны были бы умереть от истощения где-то на полдороге.

Следовательно, с классической точки зрения миграционные полеты птиц невозможны!

Однако птицы об этом не знают и летают уже в течение тысяч лет.

Неужели птицы следуют каким-то иным, неизвестным нам, физическим законам?

Мы очень осторожно относимся к рассуждениям об “особых биологических законах, или специальной биологической энергии”. Любой непонятный процесс надо сначала пытаться объяснить из известных принципов. В современной биологии очень перспективным является применение принципов СИНЕРГЕТИКИ — науки об открытых термодинамических системах. Классическая наука XIX века рассматривала все системы как ЗАКРЫТЫЕ — существующие за счет внутренних процессов. Этот подход привел к ряду тупиков в термодинамике и физике. Противоречия разрешились благодаря работам школ Ильи Пригожина и Хакена. Они показали, что большинство реальных систем в природе надо рассматривать как ОТКРЫТЫЕ — существующие за счет обмена не только веществом, но энергией и информацией с окружающим пространством. Причем с этими понятиями в каждом конкретном случае можно связать определенные физические процессы. Рассмотрим механизм извлечения энергии из воздуха на примере птиц. Дальнейшие страницы этого раздела могут оказаться слишком сложными для людей, не очень хорошо знакомых с биологией, поэтому их можно без большого ущерба пропустить. Главная идея — современные научные представления верны, но не всегда окончательны. Наука — это не закостеневшая совершенная система, а живой организм, постоянно развивающийся и постигающий новые горизонты. Самые перспективные идеи порой кажутся современникам безумными, но потом к ним привыкают и воспринимают безо всякого удивления.