Энергия наших мыслей - Коротков Константин

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.