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.
Так и с биоэнергией. Мы много знаем, много понимаем, но это не истина в последней инстанции. И на пути познания нас еще ждет масса удивительных открытий. Но вернемся к птицам.
Дыхательная система птиц если не самая совершенная, то самая сложная среди позвоночных. В дыхательных путях мертвый объем ограничивается только трахеей, а воздух движется через легкие только в одном направлении, причем полный цикл воздух совершает за две пары дыхательных движений (вдох-выдох-вдох-выдох), так называемое двойное дыхание. Бронхи, войдя в легкое, отдают воздух во вторичные бронхи, частично выходящие за пределы легкого и образующие воздушные мешки, располагающиеся в различных частях тела птицы. Вторичные бронхи сообщаются между собой многочисленными парабронхами, оплетенными сетью кровеносных капилляров. Воздушные мешки в несколько раз превосходят легкие по объему. Воздушные мешки расположены между внутренними органами, между мышцами, под кожей и сообщаются с некоторыми полостями костей. Мешки не принимают участия в газообмене, они выполняют множество функций, среди которых наиболее важные — это обеспечение вентиляции легких и теплоотдача. Основная особенность дыхания птиц — легкие, не подлежащие растяжению, заключенные в жесткую грудную клетку, которая не меняет своего объема. Поэтому легкие продуваются воздухом через систему бронхов, а движение воздуха обеспечивается изменением объема дыхательных мешков.
Примечательно, что в дыхательных путях птиц не обнаружено никаких клапанов и все причудливые движения воздуха происходят по законам гидродинамики. Интенсивности газообмена способствует наличие противоточной системы кровообращения в легких птиц, т. е. кровь и воздух движутся в противоположных направлениях, навстречу друг другу. Из-за этого “более свежие” порции воздуха контактируют с “более артериальной” кровью, что обеспечивает эффективный газообмен. Птицы из 1 литра воздуха извлекают 40 мл кислорода (млекопитающие — 30 мл), при этом напряженность кислорода в артериальной крови больше, а двуокиси углерода меньше, чем в выдыхаемом воздухе!
Молекула кислорода обладает рядом уникальных свойств. Она имеет два электрона с параллельными спинами на валентной молекулярной орбитали (М ^^, где значок ^ обозначает электрон с определенным направлением спина). Такое состояние внешней электронной оболочки называется триплетным. Триплетный кислород является потенциальным источником энергии, однако она не может быть спонтанно реализована, ибо в соответствии с законом сохранения Вигнера прямая реакция с молекулами в синглетном состоянии невозможна. Это одно из условий стабильности триплетного кислорода. Существует несколько путей активации кислорода, и один из них — одноэлектронное размножение. При захвате электронов кислородом возникают промежуточные продукты — активные формы кислорода (АФК). Некоторые из них являются свободными радикалами — молекулами, имеющими нечетное число электронов на внешних орбиталях. Для получения второго электрона эти молекулы активно взаимодействуют с окружающими молекулами, служащими в качестве доноров электронов. Свободный радикал захватывает электрон и превращается в молекулу, в то время как его донор начинает искать своего донора. Таким образом, свободные радикалы могут инициировать цепную реакцию в растворах органических молекул, таких, как липиды, протеины, карбогидраты. Оптимальной средой для таких процессов является кровь.
Радикальные цепные реакции действительно могут повреждать биологические молекулы ин-витро, поэтому АФК рассматриваются в биологической и медицинской литературе как вредный для здоровья фактор. Однако большой объем данных заставляет предположить, что в действительности АФК являются важным элементом биологического процесса. По различным оценкам, 10-15% потребляемого кислорода в покое преобразуется по одноэлектронному механизму, в ходе которого генерируются АФК. В условиях стресса или активной работы, когда активность энзимов, генерирующих АФК, увеличивается, потребление кислорода увеличивается на 20-40%, и весь этот избыток преобразуется по одноэлектронному механизму. Следовательно, АФК должны играть важную роль в нормальной физиологии.
Принципиально важно, что в процессе рекомбинации выделяются кванты энергии, эквивалентные энергии видимого или ультрафиолетового диапазона. Основной донор в этих процессах — это молекулы воды, имеющей наименьший потенциал ионизации. А. Гурвич и Э. Сент-Дьерди независимо показали, что в живых системах энергия электронного возбуждения не диссипирует в тепло, а передается макромолекулам или их ансамблям. Порции энергии, эквивалентные энергии фотонов, реализуемые в реакциях рекомбинации радикалов, могут служить триггерами биохимических реакций, обеспечивая ритмический характер протекания метаболических процессов.
В каждой цепной реакции освобождается до 8 эВ энергии. Для птицы, дышащей влажным воздухом во время полета, это создает дополнительный источник энергии для генерации АТФ в мышцах. 1 эВ равен 1.6х10-19 Дж, в 1 см3 воздуха находится примерно 1016 молекул, поэтому для генерации 100 кДж энергии птица должна переработать примерно 106 см3 воздуха. Частота дыхания птиц в полете составляет 60-160 циклов в минуту. В среднем это обеспечивает пропускание 103-104 см3 воздуха в минуту. Поэтому для пропускания воздуха птице потребуется 102-103 минут, или от 2 до 16 часов. Это время сравнимо с длительностью миграционного полета.
Описанный механизм не претендует на полноту деталей, но он позволяет сделать несколько заключений:
1. Современные биофизические концепции еще находятся в процессе формирования, окончательная картина далека от завершения.
2. Биологические организмы извлекают энергию не только из пищи, но непосредственно из воздуха, воды и света.
3. Внешние стимулы играют фундаментальную роль в активации внутренних процессов жизнедеятельности. Иными словами, сверхслабые информационные стимулы активируют каскады цепных гомокинетических реакций.
Изложенные принципы в определенной степени приложимы и к процессам энергетического обеспечения организма человека, особенно в процессе активной работы, например продолжительных спортивных состязаний. Например, на соревнованиях по триатлону спортсмены затрачивают огромное количество энергии, не имея возможности существенного ее пополнения. Естественно, рассмотренный механизм требует детального изучения применительно к организму человека, однако даже в подобном гипотетическом варианте он позволяет наметить практические пути увеличения энергообеспечения организма спортсмена.
ЭНЕРГИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ И ПСИХИЧЕСКАЯ
Каждый испытывал внезапный подъем сил и энергии, а в другой момент — опустошение и бессилие. Йоги, медитируя, учатся “работать с энергиями”, “перераспределять энергии”, ощущая при этом и в самом деле буквально осязаемое течение этих энергий. Увлечение различными практиками и досужие разговоры об энергетике в популярных телепередачах породили скептическое отношение многих врачей и академических ученых к этому вопросу. Действительно, есть ли что-то специфическое в “психической энергии” или это просто обозначение чего-то, что хорошо знает наука, но не понимает широкая публика? Постараемся в этом разобраться.
Рене Декарт в XVII веке провозгласил разделение души и тела. Этим он обеспечил возможность развития науки в условиях полного господства Церкви в современном ему обществе. Эта концепция явилась базой материализма, полностью отрицающего понятие души и духовности. “Человек — не более чем сложно организованная машина” — провозглашают многие ученые вплоть до нашего времени. Только в начале XX века благодаря трудам Зигмунда Фрейда и его последователей психология приобрела статус науки, то есть было признано, что психическая деятельность может являться предметом исследования и, соответственно, регулирования. К концу XX века стали проясняться основные механизмы влияния психики на процессы физического тела. Оказалось, что наши мысли, чувства и эмоции действительно влияют на физиологические процессы, и чем больше мы изучаем этот процесс, тем больше приходим к мысли, что это влияние во многом оказывается определяющим для здоровья и долголетия. Хотя до сих пор даже большинство врачей слабо представляют, насколько это важно.
К настоящему времени в физиологии накоплено множество данных, доказывающих связь психической деятельности с физиологическими процессами. Одно из этих направлений — исследование функциональных реакций в ответ на эмоции и мыслительную деятельность. При возбуждении, испуге, стрессе меняется тембр и модуляция голоса, человек бледнеет или краснеет, впадает в ступор или начинает действовать. Это все реакции вегетативной нервной системы. Они происходят подсознательно, зависят от типа нервной системы и тренировки. При первом прыжке парашютист неизбежно волнуется, и физиолог может измерить у него целую гамму реакций, при сотом прыжке у опытного парашютиста эти реакции будут выражены очень слабо или вообще отсутствовать.
При более детальном рассмотрении выяснилось, что все эти реакции управляются каскадом химических веществ, генерируемых железами внутренней секреции, управляемых мозгом. С научной точки зрения “модальность, качество эмоций, их интенсивность определяются взаимоотношением норадренергической, дофаминергической, серотонинергической, холинергической систем, а также целым рядом нейропептидов, включая эндогенные опиаты. Важную роль в развитии патологии настроения и аффектов играют биогенные амины (серотонин, дофамин, норадреналин)”.
В научной литературе детально описано, какой орган вырабатывает те или иные вещества, как отдельные структуры мозга участвуют в этом процессе и как это влияет на эмоциональное состояние и настроение.
На этих знаниях основана разработка новых лекарственных препаратов, предназначенных для подавления депрессивных состояний, снятия приступов агрессии, активации эмоциональной сферы. Некоторые из этих препаратов оказались очень эффективными в клинической практике.
Одновременно возникло другое направление: если определенные вещества связаны с определенными эмоциями, то можно разработать “таблетки радости” и “таблетки счастья”. Действительно, можно, и на этом сейчас основана целая многомиллиардная индустрия. Индустрия синтетических наркотиков.
Вот тут мы с вами подошли к основному противоречию между нейрохимией и реальной жизнью. Да, без всяких сомнений каждый мыслительный или эмоциональный акт сопровождается выбросом специфических химикатов в мозгу и во всем теле. Эти химикаты стимулируют активность симпатической и парасимпатической нервной системы, вызывая определенные реакции. Мы можем сказать, что мозг выступает в качестве дирижера, управляющего слаженной работой сотен музыкантов. Но как в оркестре каждый музыкант это личность, артист, слушающий посыл дирижера, но имеющий и свои представления о том, как надо играть Моцарта или Шостаковича, так и в организме каждая система может по-своему реагировать на одни и те же команды. Но ведь дирижер играет по нотам! Он исполняет то, что дано ему откуда-то со стороны. Так и в нашем организме. Мозг оркеструет, но ноты определяем мы сами.
Приемы химического регулирования работой эмоций наталкиваются на колоссальные ограничения. Антидепрессанты быстро теряют свою эффективность и часто имеют побочные эффекты. Наркотики вызывают зависимость и требуют увеличения дозы для достижения эффекта, неизбежно приводя к полному разрушению организма. Когда биохимические процессы вызываются высшими функциями, внутренними процессами, они дарят нам радость и грусть, восторг и вдохновение. Когда эти процессы стимулируются химикатами, они приводят к разрушению. Можно сконструировать автомат, повторяющий движения дирижера в соответствии с нотами, но любой ценитель музыки оценит это исполнение как опус студента музыкального училища — технически грамотно, но без души.
Следовательно, строго доказано, что эмоции и настроение влияют на физиологические процессы и через них — на состояние здоровья. Если мы хотим быть здоровыми, нам надо испытывать положительные эмоции. Никакими таблетками это не заменишь. Среди факторов, выявленных у всех долгожителей в разных концах нашей планеты, на первом месте стоит низкий уровень эмоциональных конфликтов и стрессов.