Может ли птица перелететь через океан, или, откуда спортсмены черпают энергию?

Коротков К.Г., Воейков В.А.

Общепризнано, что существуют да 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 [1]. Эта точка зрения, 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? Проведем несложные расчеты. Недавно в журнале «Nature» были опубликованы результаты исследований большой международной группы биологов [2]. Они провели прямые измерения энергетических затрат 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 примерно130 килоджоулей, что составляет 15,5 кДж на час полета. Эти данные хорошо совпадают с результатами расчетов и лабораторных измерений в воздушном туннеле [3,4]. В тоже время, 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. 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 [4]. Прямое преобразование массы тела весов 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 перелёт, 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. Однако, они 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.

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 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, так что 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, на встречу 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! [5].

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 [6]). 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 [7] 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 разложение. 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 [8].

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 оценка, 10-15% потребляемого кислорода в покое преобразуется по одноэлектронному механизму, в ходе которого генерируются АФК [9]. 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 [10]. Следовательно, АФК должны играть важную роль в нормальной физиологии.

Замечательно то, что кислород, порождающий свободные радикалы, является в принципе, единственным средством прекращения этих реакций. Будучи би-радикалом, он может обеспечивать размножение радикалов и увеличивать вероятность их рекомбинации. Если радикал R­ реагирует с O₂¯¯, врзникает пероксил-радикал ROO¯. Он может захватывать протон из молекулы R’H, формируя молекулу пероксида ROOH и свободный радикал R’¯. Связь О-О в пероксидах относительно слабая, и при определенных условиях она разрывается, образуя два новых радикала RO­ и HO¯, вдобавок к радикалу R’¯. Такой процесс называется отсроченным цепным размножением. Новые радикалы могут рекомбинировать с радикалами, имеющимися в системе, что прерывает цепную реакцию. 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 [11] и Э. Сент-Дьерди [12] независимо показали, что в живых системах энергия электронного возбуждения не диссипирует в тепло, а пердается макромолеклам или их ансамблям. Порции энергии, эквивалентные энергии фотонов, реализуемые в реакциях рекомбинации радикалов, могут служить триггерами биохимических реакций, обеспечивая ритмический характер протекания метаболических процессов [8].

В каждой цепной реакции освобождается до 8 эВ энергии [8]. Для птицы, дышащей влажным воздухом во время полета, это создает дополнительный источник энергии для генерации АТФ в мышцах. 1 эВ равен 1.6*10^-19 Дж, в 1 cм³ воздуха находится примерно 10¹⁶ молекул, поэтому для генерации 100 кДж энергии птица должна переработать примерно 10⁶ cм³ воздуха. Частота дыхания птиц в полете составляет 60-160 циклов в минуту [13]. В среднем, это обеспечивает пропускание 10³-10⁴ cм³ 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 [14].
3. Внешние стимулы играют фундаментальную роль в активации внутренних процессов жизнедеятельности. Иными словами, сверхслабые информационные стимулы активируют каскады цепных гомо-кинетических 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.

Литература

1. Агаджанян Н.А., Телль Л.З., Циркин В.И., Чеснокова С.А. Физиология человека. М. Медицинская книга. 2003.
2. 2. 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.
3. 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
4. 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.
5. http://catarrh.narod.ru
6. Mattheus P.C.S. Quantum chemistry of atoms and molecules. Cambridge University Press. 1986.
7. Salem L. Electrons in Chemical Reactions. First Principles. New York: Wiley Interscience. 1982.
8. Voeikov V. Active Oxygen, Water, Photons, and Life. Rivista di Biologia/Biology Forum; 94 (2), pp. 237-258. 2001.
9. Shoaf A.R., Shaikh A.U., Harbison R.D., and Hinojosa O. Extraction and Analysis of Superoxide Free Radicals (.O2-) from Whole Mammalian Liver. J. Biolumin. Chemilumin. 6: 87-96.
10. Vlessis A.A. et al. Role of Reactive O2 in Phagocyte-Induced Hypermetabolism and Pulmonary Injury. J. Appl. Physiol. 78: 112-116. 1995.
11. Gurwitsch A.G. and Gurwitsch L.D. Twenty Years of Mitogenetic Radiation. 21st Century Science & Technology. 12: No 3, 41-53, 1999.
12. Szent-Gyoergyi A. Bioelectronics. A study in Cellular Regulations, Defence, and Cancer. Academic Press, N.Y., London, 1968.
13. Bishop C.M. Circulatory variables and the flight performance of birds. J of Experimental Biology 208, 1695-1708. 2005.
14. Korotkov K., Williams B., Wisneski L. Biophysical Energy Transfer Mechanisms in Living Systems: The Basis of Life Processes. J of Alternative and Complementary Medicine, 10, 1, 49-57, 2004.

Copyright © 1996-2022, Медицинская Академия Духовного Развития "МАДРА" При использовании представленной здесь информации ссылка на источник обязательна
	www.madra.dp.ua	Гостевая книга
Статистика посещаемости	Наш адрес
	видеоканал Dr. Evgen Semenikhin Become a Patron!