Страница 4 из 31
Тепловую мощность, необходимую для поддержания постоянной температуры тела, можно оценить исходя из того, что площадь поверхности тела человека около 2 м2, а температура его кожного покрова близка к 36°C.
Конечно; величина тепловыделения зависит от того, как человек одет и в каких климатических условиях он находится. Усредненное же по времени и условиям окружающей среды значение тепловой мощности составляет приблизительно 75 Вт. То есть за сутки в тепло уходит 75 × 24 = 1,8 кВт/час (или 1500 ккал). Примерно столько же энергии расходуется на обеспечение работы мышц. Итого в сумме на обогрев и движение средний человек тратит в сутки 3,6 кВт/час.
Есть еще одна статья энергозатрат. Это, так сказать, «строительство и ремонт», то есть рост организма, удаление из него ненужных веществ и замена отслуживших клеток. На «текущий ремонт» тела нужно очень мало и энергии, и материала. Исключения — период усиленного роста человека в юности и процесс вынашивания женщиной плода.
Итак, человек расходует за сутки около 3,6 кВт/час энергии. В теплофизических величинах это 3000 ккал. Как известно, именно такова калорийность нормального суточного рациона. Для сравнения: этого количества тепла достаточно, чтобы нагреть до кипения четыре больших ведра воды. За год на одного человека приходится 1300 кВт/час. Трудно поверить, но в середине 70-х гг. прошлого века столько же электроэнергии на одного жителя Земли вырабатывали все ее электростанции.
Даже усредненные энергозатраты человеческого организма впечатляют. А ведь иногда ему приходится и сильно напрягать свои энергетические резервы. Например, купание в ледяной воде требует резкого увеличения выработки тепла, а тяжелая физическая нагрузка требует интенсивной работы мышц. Причем диапазон их мощности весьма широк. Мышцы тренированного человека кратковременно (на единицы секунд) могут развить мощность более 2 кВт или 3 лошадиных сил. Мощность в одну лошадиную силу спортсмен способен «выдавать» несколько минут, а две-три сотни ватт — часами. Если нужно, мышцы помогают согреться. «Дрожит от холода» — говорим мы о замерзшем человеке.
Скорости, с которыми протекают химические реакции в организме, поражают воображение, особенно если учесть, что реакции идут не в огромных промышленных установках при высокой температуре и давлении, а в живой клетке.
В химии хорошо известно ускорение химических реакций при помощи катализаторов. Явление катализа широко использует и живая природа. Почти все процессы, протекающие в клетках растений и животных, требуют участия катализаторов. Биологические катализаторы называются ферментами. Это вещества белковой природы, обладающие двумя характерными особенностями. Во-первых, они проводят химические реакции с огромными скоростями. Например, фермент каталаза расщепляет перекись водорода, которая образуется в некоторых биохимических процессах, на воду и кислород. Делает он это в миллион раз быстрее, чем промышленный катализатор с ионами двухвалентного железа.
Вторая, еще более удивительная особенность действия ферментов состоит в том, что они, в отличие от неорганических катализаторов, весьма разборчивы. Они ускоряют часто одну единственную реакцию, не обращая внимания даже на похожие превращения. Например, амилаза, содержащаяся в слюне, легко и быстро расщепляет крахмал, молекула которого состоит из огромного количества одинаковых глюкозных звеньев. Но она не может справиться с молекулой сахарозы (обычного сахара), состоящей из двух половин — глюкозы и фруктозы.
Таким образом, живой организм на уровне молекул — это нескончаемая цепочка разнообразнейших химических реакций, каждая из которых осуществляется при помощи своего биокатализатора. Но если просто в большом чане намешать борща с хлебом, каши с котлетами, компота, всяких ферментов и подавать туда воздух, то живое существо из этого не получится. Потому что живое существо — это сложная, особым образом организованная система, в которой все химические превращения происходят в соответствии с его генетической программой. За тем, как выполняется эта программа, «следят» различные «узлы» и «блоки» этой системы. Их задача — не только следить, но и корректировать при необходимости. Такое слежение и управление в биологии называется регуляцией жизнедеятельности.
Системы регуляции жизнедеятельности организма
Патриарх русской физиологии И. П. Павлов писал:
«Человеческий организм есть в высочайшей степени саморегулирующая система, сама себя поправляющая, поддерживающая, восстанавливающая и даже совершенствующая. Эта саморегуляция и обеспечивает постоянное приспособление организма к многообразным переменам в окружающей среде. Сложная функциональная система с помощью своих анализаторов — органов чувств, рецепторов кожи, мышц, внутренних органов — воспринимает любые изменения, возникающие вокруг и внутри человека, и передает «сигналы тревоги» в центральную нервную систему, а она немедленно включает защитные приспособления, чтобы уравновесить и сохранить весь организм».
Когда специалист в области автоматического регулирования слышит, что человек — «это венец творения», он не спорит с таким утверждением. Он вкладывает в него свой собственный смысл.
В самом деле, ни природа, ни техника не создали устройства, способного сравниться с человеческим организмом по обилию и разнообразию систем регулирования, их гибкости и надежности. С поразительной точностью поддерживают они температуру тела, давление крови, содержание в ней кислорода, сахара и других веществ. Особые регуляторы управляют работой глаз, другие берут на себя координацию движения рук и ног, третьи заведуют деятельностью внутренних органов. Эти системы регулирования связаны между собой сложным и не всегда понятным образом.
Рассмотрим для примера простейшую систему, которая помогает зрению приспосабливаться к изменению освещенности. Для этого существует механизм, позволяющий уменьшать или увеличивать количество света, попадающего в оптическую систему глаза путем сужения или расширения зрачка. Принцип работы системы очень прост: если на сетчатку попадает много света, то возрастает уровень нервного возбуждения ее светочувствительных клеток — нервная система на это отвечает командой «сузить зрачок».
С точки зрения физиологии сужение и расширение зрачка — это врожденный безусловный рефлекс, который не подвластен нашему сознанию. Но некоторые люди могут расширять зрачок по своему желанию. Значит, все же существует связь, пусть и незначительная, этого рефлекса спинного мозга с мозгом головным. А ведь известны факты, которые подтверждают, что человек усилием воли способен управлять и более жизненно важными функциями: замедлять биение сердца или снижать температуру тела.
Есть примеры более сложных систем регулирования, которые действуют автономно, но полностью подвластны сознанию. С системами поддержания водно-солевого баланса в организме и снабжения его питательными веществами знаком каждый. Недостаток в организме воды вызывает ощущение жажды, недостаток глюкозы (основного «топлива» для клеток) — голода. Но мы не всегда едим и пьем, когда этого сильно хочется, зачастую мы это делаем впрок. Мозг прекрасно понимает, что вода и пища могут быть и какое-то время недоступны.
Упомянутые системы регуляции жизнедеятельности связывают в единый комплекс работу отдельных органов. Так, в первом примере это светоприемник — сетчатка глаза, нервные волокна, спинной и головной мозг, мышцы глазного яблока. Работа таких систем нам знакома, понятна и реально ощутима. Можно привести еще достаточно много примеров систем регулирования в организме, нарушение работы которых тут же дает о себе знать: вестибулярный аппарат (укачивание), сердечно-сосудистая система (повышенное давление), аккомодация хрусталика глаза (близорукость) и т. д.
Но существует и регуляция жизнедеятельности на уровне отдельных органов и еще глубже — на уровне клеток, эти органы слагающих. Наиболее показательна в этом смысле эндокринная система, управляющая деятельностью органов с помощью специальных химических веществ — гормонов. Развитие эндокринологии привело к постепенному расширению понимания значения гормонов для организма, и сегодня оно не ограничивается знанием о небольшом количестве гормонов и желез, их вырабатывающих, как это было четыре десятка лет назад.