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

Общепризнано, что существуют два 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. Эта точка трения, 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 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.