Организм как тепловая машина

Хорошее объяснение связи продолжительности жизни и количества сердечных сокращений удалось предложить Джеффри Весту. Вест сделал блестящую карьеру в теоретической физике, работая над развитием той самой стандартной модели и разрабатывая компьютерные алгоритмы для решения сложных теоретических вопросов в физике высоких энергий. Вместе с Джеймсом Брауном и Брайаном Энквистом, специалистами-биологами из Университета штата Нью-Мексико в Альбукерке, ученому удалось сформулировать универсальные теоретические принципы, определяющие строение, баланс энергии и законы роста живых организмов. Результаты этого довольно сложного технически, но по-настоящему фундаментального

исследования были опубликованы в 1997 году в журнале Science26. Физики — не лирики, а такой раздел физики, как термодинамика,

без всяких сантиментов утверждает, что конечным результатом любого природного процесса является тепловая смерть. За громкой метафорой скрывается максимально неупорядоченное состояние покоя с температурой, равной температуре окружающей среды. Это утверждение в более строгой формулировке известно как второе начало термодинамики.

Тепловая смерть как следствие второго начала термодинамики угрожает лишь замкнутым системам. Выдающийся физик Ричард Фейнман одним из первых обратил внимание на то, что живые организмы до тех пор, пока имеют возможность обмениваться энергией с внешней средой, могут поддерживать свою жизнедеятельность неограниченно долго.

Жизнь — это очень энергозатратный процесс, поэтому в первую очередь любой живой организм должен извлекать энергию и расходовать большую часть своего энергетического баланса на поддержание своей целостности. Только по остаточному принципу можно шевелиться и думать.

От чего же зависит скорость метаболизма? Казалось бы, чем больше размер животного, тем больше энергии суммарно должно вырабатываться всеми клетками организма в единицу времени просто для того, чтобы оставаться в живых. На деле количество калорий

https://t.me/medicina_free

увеличивается медленнее, чем прямо пропорционально массе животного.

На математическом языке такие пропорциональные, но нелинейные зависимости называются степенными (или аллометрическими — в прежние времена аллометрией называли отклонения зависимости от прямо пропорциональной). Например, кит весит в 100 млн раз больше, чем креветка. Скорость метаболизма у креветки меньше не в 100 млн, а «всего лишь» в 1 млн раз. Другими словами, скорость метаболизма растет пропорционально массе животного в степени ¾. Эта закономерность известна в биологической науке с 1930-х годов как закон Клайбера.

Пульс в покое тоже универсально снижается по мере роста массы тела животного. На этот раз 100 млн раз разницы в весе между китом и креветкой превращаются в отличающиеся «всего лишь» в 100 раз частоты сердечных сокращений. В этом случае пульс увеличивается обратно пропорционально весу животного в степени ¼.

За редкими исключениями продолжительность жизни, наоборот, увеличивается с размером животного пропорционально весу в степени ¼. Перемножая продолжительность жизни на пульс животного в покое, мы получаем полное число сердечных сокращений, которые не зависят от массы тела. И снова время жизни животного в единицах сердечных сокращений оказывается мировой (или фундаментальной биологической — на ваш вкус) константой и для креветки, и для мыши, и для кита.

Как ни удивительно, но вплоть до самого конца XX века не существовало никакого разумного — по крайней мере согласно стандартам, принятым в физических науках, — теоретического объяснения этому.

Можно ли теперь сказать, что предельное число сердечных сокращений или другие приметы ограниченного ресурса в жизни животных — это следствие аллометрических законов? Или аллометрические законы являются следствием существования предельного ресурса? Чтобы ответить на эти вопросы, нам потребуется хорошее объяснение аллометрическим законам. Оказывается, все степенные зависимости физиологических переменных от массы, в том числе и закон Клайбера, могут быть полностью объяснены, исходя из понятных физических принципов.

https://t.me/medicina_free

Американскому генералу Омару Брэдли приписывают саркастичное утверждение: «Дилетанты обсуждают тактику, а профессионалы — логистику». В определении связи параметров метаболизма и размера организма ключевую роль играют как раз параметры, связанные с логистикой, то есть фундаментальные физические и геометрические ограничения кровеносной системы. Не прекращающийся ни на секунду поток крови переносит питательные вещества и кислород — компоненты химического топлива, необходимые для выработки любых форм энергии. Кровь также непрерывно удаляет из организма продукты сгорания химического топлива (например, углекислый газ).

Кровеносная система состоит из бесчисленного числа сосудов всех размеров, начиная от большой аорты, ее ответвлений, ответвлений от ответвлений и т.д., вплоть до мельчайших капилляров. Ученые предположили, что по крайней мере у животных близких видов, таких как млекопитающие, параметры течения жидкости в самых маленьких сосудах, непосредственно снабжающих клетки организма кислородом и питательными веществами, зависят от свойств клеток, но не зависят от размера организма.

Логистика требует, чтобы каждая клетка организма имела достаточную возможность получать питательные вещества и избавляться от продуктов метаболизма. Это значит, что каждая клетка должна находиться в достаточной близости к капилляру. Кроме того, необходимость кровоснабжения не должна приводить к появлению незаполненных полостей в организме.

Естественный отбор тоже не прощает несовершенства: предполагается, что архитектура системы кровоснабжения должна быть такой, чтобы обеспечивать минимальное гидродинамическое сопротивление. Иными словами, энергозатраты на циркуляцию жидкости в организме должны быть минимальны. В среднем организмы с субоптимальными энергозатратами не успевали добежать до еды быстрее своих «лучше оптимизированных» собратьев и потому реже оставляли потомство.

Оказывается, что для выполнения всех перечисленных условий кровеносная система должна быть организована вполне определенным образом. Каждый большой сосуд разветвляется на определенное количество более мелких так, что размеры и длина новых сосудов на

https://t.me/medicina_free

каждом уровне ветвления уменьшаются в одно и то же число раз. Такая архитектура часто встречается в природе и называется фракталом.

Эта структура является не только красивой, но и очень экономной. Во-первых, общее число ветвлений очень слабо зависит от размера животного: уже знакомый нам кит весит в 100 млн раз больше, чем креветка, в то время как число ветвлений в его кровеносной системе всего лишь на 70% больше, чем у мельчайших ракообразных.

Во-вторых, сопротивление течения жидкости в системе сосудов минимально при условии равенства площади исходного и выходящих сосудов на каждом уровне ветвления. Это свойство сосудистой системы минимизирует «отдачу» — гидравлический удар в месте ветвления сосудов в ответ на каждый скачок давления вслед за ударом сердца и действительно хорошо выполняется, по крайней мере для ветвления больших сосудов. Отклонения от этой закономерности возникают в мельчайших сосудах и у самых мелких животных.

Как только геометрия кровеносной системы приведена в соответствие с требованиями оптимальности, в ход идут законы физики. Джеффри Вест с коллегами показал с помощью расчетов, что скорость метаболизма (понимаемое как среднее количество кислорода, прокачиваемое через все сосуды в единицу времени) растет медленнее, чем размер организма, пропорционально весу в степени ¾.

Отставание мощности от размера (аллометрическая степень ¾ вместо единицы) означает, что уровень метаболизма на единицу массы при этом даже снижается. Mожно считать, что по мере роста размеров системы нарастают конструктивные сложности или издержки, связанные с организацией управления, то есть обеспечения и взаимодействия между частями. Сложная система, такая как живой организм, не равняется сумме своих частей.

Закон Клайбера (наверное, правильнее называть его теперь законом Клайбера–Веста) описывает идеальные машины. Лучшие механизмы, созданные человеком до сих пор, далеки от совершенства живых систем, где отклонение от идеальной эффективности безжалостно наказывается невидимой рукой естественного отбора. Силовые машины (моторы, генераторы), по крайней мере пока, конструируются существенно не фрактальными, а потому мощность их растет пропорционально размеру. Большая машина — значит, хорошая.

https://t.me/medicina_free