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 см 3 воздуха находится примерно 10 16 молекул, поэтому для генерации 100 кДж энергии птица должна переработать примерно 10 6 см 3 воздуха. Частота дыхания птиц в полете составляет 60-160 циклов в минуту. В среднем это обеспечивает пропускание 103-104 см 3 воздуха в минуту. Поэтому для пропускания воздуха птице потребуется 10 2 -10 3 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.
