НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Тема: Энергия как необходимая составляющая деятельности головного мозга

Автор:

Р.В. Аминов

учитель физики

первой квалификационной категории

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………….........

с. 3

Глава 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ИЗУЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА……………………………..

с. 5

§1.1 Строение и физические характеристики головного мозга …..........

с. 5

§1.2 Функционирование головного мозга ………….…………………...

с. 7

Глава 2 ИЗУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ КАК НЕОБХОДИМОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ……

с. 9

§2.1 Каналы поступления энергии в организм…...………………...........

с. 9

§2.2 Удельное энергопотребление и мощность мозга ….………............

с.11

§2.3 Тепловой баланс и регуляция температуры головного мозга…….

с.20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………...

с.26

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ……………………...

с.27

Введение

Вся жизнь человека представляет собой непрерывную деятельность мозга. По установившейся традиции принято считать, что процесс мышления, память, эмоции человека напрямую связаны с деятельностью головного мозга. Именно мозг позволяет людям общаться, производить математические операции, фантазировать, сочинять музыку, заглядывать в прошлое и планировать будущее, мечтать и т.д. Он ответственен за наше настроение, эмоции, чувства. Однако не каждый из нас может с уверенностью сказать, сколько головному мозгу необходимо затратить и отдать энергии, чтобы осуществить жизненно важную деятельность и обеспечить физические и психические процессы в организме человека. Поэтому возникла необходимость в изучении энергетической составляющей деятельности головного мозга с точки зрения закона сохранения энергии.

Актуальность изучаемой темы состоит в том, что изучив закон сохранения энергии применительно к головному мозгу, мы можем рассчитать затраты потребляемой энергии и рационально использовать её в повседневной жизни.

Цель: рассмотреть целесообразность применения закона сохранения энергии к деятельности головного мозга.

Задачи:

1. На основе анализа зарубежной и отечественной литературы изучить строение и физические характеристики головного мозга.

2. Изучить функционирование головного мозга.

3. Рассмотреть особенности энергоснабжения головного мозга.

4. Произвести расчеты энергии, потребляемой мозгом и телом человека.

5. Вычислить удельное энергопотребление и мощность головного мозга.

6. Произвести оценку всей потребляемой энергии головного мозга.

7. На основе всех расчетов сделать выводы.

Объект исследования: энергия, закон сохранения энергии.

Предмет исследования: особенности энергоснабжения головного мозга.

Гипотеза: предполагаем, что при энергоснабжении головного мозга будет происходить эффективная теплоотдача, выделяемой в головном мозге энергии.

Теоретическая значимость обусловлена недостаточностью изучения эффективных путей использования энергии головного мозга.

Практическая значимость нашей работы заключается в расчете энергии, потребляемой мозгом и телом человека, удельного энергопотребления и мощности головного мозга, а также в изучении возможных путей использования и отвода потребляемой энергии. Изучение энергетического влияния на мозговую деятельность позволит понять особенности энергоснабжения головного мозга.

Глава 1 Теоретический аспект изучения головного мозга

1.1 Строение и физические характеристики головного мозга

Головной мозг человека, орган, координирующий и регулирующий все жизненные функции организма и контролирующий поведение. Все наши мысли, чувства, ощущения, желания и движения связаны с работой мозга, и если он не функционирует, человек переходит в вегетативное состояние: утрачивается способность к каким-либо действиям, ощущениям или реакциям на внешние воздействия.

Центральная нервная система (ЦНС) состоит из головного и спинного мозга. Она связана с различными частями тела периферическими нервами – двигательными и чувствительными.

Головной и спинной мозг защищены костными футлярами – черепом и позвоночником. Между веществом мозга и костными стенками располагаются три оболочки: наружная – твёрдая мозговая оболочка, внутренняя – мягкая, а между ними – тонкая паутинная оболочка. Пространство между оболочками заполнено спинномозговой (цереброспинальной) жидкостью, которая по составу сходна с плазмой крови, вырабатывается во внутримозговых полостях (желудочках мозга) и циркулирует в головном и спинном мозгу, снабжая его питательными веществами и другими необходимыми для жизнедеятельности факторами.

Головной мозг – симметричная структура, как и большинство других частей тела. При внешнем осмотре мозга внимание прежде привлекают два больших полушария (у взрослых составляет примерно 70% его веса), скрывающие под собой более глубинные образования. Большие полушария соединены между собой массивным мозолистым телом, обеспечивающим обмен информацией. Поверхность полушарий покрыта бороздами и извилинами, увеличивающими поверхность коры (наружного слоя мозга). Сзади помещается мозжечок, поверхность которого более тонко изрезана. Ниже больших полушарий расположен ствол мозга, переходящий в спинной мозг. От ствола и спинного мозга отходят нервы, по которым к мозгу стекается информация от внутренних и наружных рецепторов, а в обратном направлении идут сигналы к мышцам и железам. От головного мозга отходят 12 пар черепно-мозговых нервов.

Основной структурной и функциональной единицей нервной ткани, из которой состоит головной мозг, является нейрон. Основная функция нейронов – обработка информации. В мозгу человека от 5 до 20 млрд. нейронов. Они способны воспринимать раздражение, приходить в состояние возбуждения, вырабатывать нервные импульсы и передавать их другим клеткам. Общая длина нервов у взрослого человека составляет около 70 км.

Каждый нейрон имеет центральное тело клетки и отростки (корни), называемые дендритами, число которых в разных клетках различно. Только один отросток в клетке длиннее и толще других, он называется аксоном. Дендрит каждой клетки связан с дендритом близлежащей или с аксоном отдалённой клетки.

Внутри мозга различают серое вещество, состоящее преимущественно из тел нервных клеток и образующие кору, и белое вещество – нервные волокна, которые формируют проводящие пути (тракты), связывающие между собой различные отделы мозга, а также образуют нервы, выходящие за пределы ЦНС и идущие к различным органам. В состав коры входит 1-10 млрд. нервных клеток. Толщина серого вещества составляет всего от 1,3 до 4,5 мм, а его объем – около 600 _, то есть 45% от всего объёма головного мозга. Площадь поверхности коры головного мозга около 1700 _ (от 1400 до 2200 _). Более чем на 80 % головной мозг состоит из воды.

Ниже коры залегает ряд важных мозговых структур, или ядер, представляющих собой скопление нейронов. К их числу относятся таламус, базальные ганглии и гипоталамус. Таламус – это основное сенсорное передающее ядро; он получает информацию от органов чувств и, в свою очередь, переадресует ее соответствующим отделам сенсорной коры. В нем имеются также неспецифические зоны, которые связаны практически со своей корой и, вероятно, обеспечивают процессы ее активации и поддержания бодрствования и внимания. Базальные ганглии – это совокупность ядер (так называемая скорлупа, бледный шар и хвостатое ядро), которые участвуют в регуляции координированных движений (запускают и прекращают их).

Ствол мозга расположен у основания черепа. Он соединяет спинной мозг с передним мозгом и состоит из продолговатого мозга, моста, среднего и промежуточного мозга. Через средний и промежуточный мозг, как и через весь ствол, проходят двигательные пути, идущие к спинному мозгу, а также некоторые чувствительные пути от спинного мозга к вышележащим отделам головного мозга. Ниже среднего мозга расположен мост, связанный нервными волокнами с мозжечком. Самая нижняя часть ствола – продолговатый мозг – непосредственно переходит в спинной. В продолговатом мозгу расположены центры, регулирующие деятельность сердца и дыхание в зависимости от внешних обстоятельств, а также контролирующие кровяное давление, перистальтику желудка и кишечника.

При рождении вес головного мозга новорожденного ребенка составляет примерно 350-450 г, что составляет от _ до _ массы его тела. Рост головного мозга продолжается примерно до 20 лет и происходит за счет миелинизации нервных волокон (покрытия их смесью липоидных и белковых веществ – составляющих внутреннего слоя оболочки нервного волокна), а также увеличения размеров нервных клеток. За это время его масса возрастает в 3,5-4 раза, тогда как масса всего тела – в 20 раз. В среднем мозг взрослого человека весит 1200-1500 г, примерно 2,5% от общей массы тела. Дополнительную защиту мозгу обеспечивает цереброспинальная жидкость, которая служит амортизирующим слоем в случае резких сотрясений головы.

1.2 Функционирование головного мозга

_{Считается, что основными функциями нервной клетки являются возбуждение и распространение потенциала действия по аксону и передача сигнала от одного нейрона к другому, либо к другой клетке с генерацией ответного сигнала. Сигналы, распространяющиеся по нервным каналам, представляют собой трансмембранный перенос ионов натрия и калия в силу этого имеют электрическую природу. Передача сигналов от одного нейрона к другому (либо к другой клетке) представляет собой очень сложный химический процесс. Скорость распространения таких сигналов составляет сотни километров в час (десятки метров в секунду), в отличие от электрических импульсов, скорость передачи которых близка к скорости света. Таким образом, деятельность нервной системы представляет собой электрохимический процесс.}

_{По имеющимся данным амплитуды потенциала действия могут достигать 100мВ, а характерные величины токов в нервных тканях лежат в диапазоне от единиц пикоамперов до единиц наноамперов.}

_{Кроме спонтанной электрической активности, в коре головного мозга наблюдаются характерные колебания потенциала, возникающие, как правило, в ответ на какие-либо психологические, мысленные и другие процессы. Это так называемые потенциалы событий (ПС), их амплитуда настолько мала, что обнаружить их можно только после суммирования нескольких последовательных записей. Это означает, что их амплитуда много меньше 1 мкВ, поскольку 1 мкВ легко фиксируется экспериментально.}

_{Электрическую активность головного мозга исследуют, как правило, косвенными методами, например методом электроэнцефалографии. При этом обычно анализируются колебания потенциалов коры головного мозга, которые снимаются от кожи волосистой части головы при помощи электродов. Электродами фиксируются интегральные сигналы от деятельности десятков тысяч нейронов, расположенных под ними. Измерения различных ритмов показали, что их частоты лежат в диапазоне от единиц до сотен герц, а максимальная амплитуда достигает сотен микровольт.}

Глава 2 Изучение энергии как необходимой составляющей деятельности головного мозга

2.1 Каналы поступления энергии в организм

Современная наука утверждает, что вся необходимая человеку энергия поступает к нему только из пищи. При нормальной деятельности организма всегда должен соблюдаться энергетический баланс, то есть количество энергии, поступившей с пищей, должно соответствовать количеству энергии, израсходованной организмом.

Естественно, что не все питательные вещества в организме усваиваются полностью, 5-7 % в том или ином виде выделяются из организма. Процесс усваивания и использования пищи в организме человека схож с процессом горения. Действительно, большая часть питательных веществ (углеводы, жиры и белки) в процессе жизнедеятельности разлагаются с выделением тепла (энергии), воды и углекислого газа. Поэтому продукты питания характеризуются энергетической ценностью, то есть количеством энергии (в калориях или джоулях), освобождающееся при окислении в организме веществ, содержащихся в 100 г данного пищевого продукта, с учетом их усвояемости.

Процессы, в результате которых окисляются сложные органические молекулы, разрываются химические связи и освобождается энергия, а из организма выводятся вода и углекислый газ, происходят в тканях организма постоянно. Даже в состоянии покоя, отдыха или во сне организм человека продолжает совершать работу – человек дышит, сердце работает, осуществляется обмен веществ в каждой клетке организма.

Поскольку все необходимые компоненты для получения клеткой энергии поступают с кровью, мы будем использовать термин энергоснабжение как синоним слова кровоснабжение.

Отметим, что энергия может поступать в организм не только с пищей. Дополнительная энергия поступает следующими путями за счет:

- теплообмена (при контакте с теплыми телами, например, грелкой, печкой, батареей и т.д.) человек также получает энергию и при этом согревается;

- поглощения излучения солнца. При нахождении человека на солнце происходит поглощение излучения солнца и, следовательно, человек получает дополнительную энергию;

- приема теплового излучения от любых нагретых объектов;

- приема горячей пищи (чай, суп и т.д.);

- конвекции, т.е. приема тепла от перемещающихся частиц воздуха или воды;

- приема акустических сигналов, музыки и т.д.;

- вдыхания различных веществ (ароматерапия);

- поглощения телом электромагнитных излучений и элементарных частиц.

Как правило, все эти каналы дополнительного поступления энергии в организм не учитываются при энергетическом балансе, но они эквивалентны дополнительным килокалориям, поступающим в организм. Конечно, отдых под лучами теплого солнца не прибавит сытости желудку, но, несомненно, изменит энергетику организма.

В своих качественных расчетах мы также не будем принимать во внимание эти дополнительные энергетические поступления в организм, но отметим, что их учет только усилит правильность наших рассуждений.

Вычислим расход энергии у значительной части населения – людей, занимающихся сидячей работой с минимальной физической нагрузкой.

Для женщины на 1 кг массы тела приходится не менее 120 кДж энергии _в сутки, а для мужчин 140 кДж энергии_ в сутки. Если _ (масса женщины) = 60 кг, то суточный расход энергии _будет равен

_ = 60 кг _ 120_= 7200 кДж = 1720 ккал

Если _ (масса мужчины) = 70 кг, то суточный расход энергии _ составит

_ = 70 кг _ 140_ = 9800 кДж = 2350 ккал

Согласно рекомендациям сторонников системы рационального питания,

среднесуточное потребление энергии (E) женщины средних лет нормального телосложения среднего роста весом 60 кг должно составлять примерно 3000 ккал.

2.2 Удельное энергопотребление и мощность мозга

Как отмечалось выше, энергопотребление обычного человека составляет около 3000 ккал в сутки. Предположим, что масса_ головного мозга примерно 1,5 кг. Мозг в сутки потребляет около 20% всей энергии (_), что будет составлять 3000_ 0,2 = 600 ккал. Это означает, что 1 кг мозгового вещества_ потребляет энергии:

Тело, масса (_) которого 60 кг (без учета головного мозга) потребляет энергии_

_в сутки

В среднем 1 кг тела должен при этом использовать энергии _:

Таким образом, 1 кг мозга потребляет в 10 раз больше энергии, чем остальные участки тела.

Для сравнения вычислим удельное потребление энергии мозга человека, масса _ которого 120 кг при том же среднесуточном потреблении (3000 ккал):

Отсюда следует, что чем больше масса тела человека (без учета массы мозга), тем меньше энергии необходимо для организма, в то время как для мозга требуется энергии больше. Следовательно, мышление требует больших энергетических затрат.

Известно, что объем серого вещества головного мозга составляет примерно 45% его объема. В силу того, что плотность тканей мозга приблизительно одинакова, можно считать, что масса серого вещества будет составлять около 45% от массы всего мозга. Следовательно, если масса мозга (_) составляет 1500 кг, то масса серого_ и масса белого вещества будут равны:

Следовательно, если масса мозга составляет 1500 кг, то массы серого и белого вещества будут равны соответственно 675 г и 825 г.

Из физиологии известно, что каждый грамм серого вещества потребляет приблизительно в пять раз больше крови (кислорода, энергии), чем один грамм белого вещества. Расчеты показывают, что если в сутки головной мозг потребляет около 600 ккал, то около 480 ккал потребляется серым веществом, а 120 ккал – белым веществом, то есть серое вещество потребляет приблизительно в четыре раза больше энергии, чем белое.

Килограмм серого вещества головного мозга должен потреблять энергии (_):

Разделив энергию _ серого вещества массой 1 кг на энергию _той же массы, получим:

Таким образом, 1 кг серого вещества головного мозга потребляет энергии в 18 раз больше, чем остальные участки тела.

Выясним энергетическую мощность головного мозга при различных условиях жизнедеятельности человека.

Переведем для удобства расчетов t = 24 часа в секунды, _ 600ккал в Дж.

Итак, t = _

Мощность (_) деятельности головного мозга:

Таким образом, каждую секунду мозг потребляет 29 Дж энергии, которые каким-то образом должны быть преобразованы в работу и тепло.

Для примера отметим, что мощность среднего сотового телефона составляет примерно 1 – 2 Вт.

Известно, что организм поддерживает энергоснабжение мозга приблизительно на постоянном уровне (около 20% кислорода, содержащегося в крови, расходуется в мозге). При определенных условиях кровоснабжение мозга возрастает на 50%.

Таким образом, мощность головного мозга при различных условиях жизнедеятельности человека может ориентировочно составлять от 15 Вт до 45 Вт.

Полученные энергетические оценки мощности головного мозга являются, скорее всего, несколько заниженными по сравнению с реальными величинами (напомним: ткани головного мозга отличаются повышенным потреблением кислорода (энергопотреблением) по сравнению с другими органами).

Каждый из нас замечал, что при интенсивной физической работе организм человека сильно разогревается, учащаются пульс и дыхание, работающие органы интенсивно снабжаются кровью. Результаты физической деятельности хорошо видны: это вспаханная земля, перен6сенные предметы, построенные здания и т.д. Если предложить, что степень кровоснабжения органов пропорциональна частоте пульса, а интенсивность снабжения кислородом частоте и глубине дыхания, то даже при сильной физической деятельности мы не можем достигнуть того уровня энергоснабжения (кровоснабжения) рук, ног и других органов, которое мозг имеет при своей обычной работе. Ведь даже при самых больших физических нагрузках нереально увеличение частоты дыхания и пульса более чем в десять раз относительно их нормальных значений. Масса рук, ног, тела человека в десятки раз больше массы мозга, то они и другие близлежащие органы начинают перегреваться, а для отвода тепла начинается сильное потоотделение. Кровоснабжение мозга при его нормальной работе в 16 раз больше, чем рук или ног, то есть там, на единицу массы выделяется во много раз больше энергии, чем в других органах, но тем не менее никто не замечал перегрева головы.

Согласно закону сохранения энергии, который гласит, что во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает, она только превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется. Это значит, что высвобождающаяся в головном мозге энергия должна либо там аккумулироваться, либо трансформироваться в другие виды, либо переходить к другим объектам или в другие формы.

Жизнедеятельность любой клетки немыслима без энергетического обмена между ней и внешней средой. Богатые энергией питательные вещества в результате химических реакций преобразуются и усваиваются в клетках, а конечные продукты распада с более низким содержанием энергии удаляются из них. Отметим: то, что обычно называется энергией, может проявляться в природе в самых различных формах, наиболее известные из них – это энергия тепла, энергия излучения и энергия движения.

В законе сохранения утверждается, что энергия не исчезает, а только переходит из одной формы в другую в эквивалентных количествах. Для живых существ всеобъемлющий закон сохранения энергии также справедлив, и его можно сформулировать следующим образом: в результате окислительных химических реакций в клетках организма высвобождается энергия, которая расходуется на:

- совершение внешней механической энергии;

- пополнение энергетических запасов организма;

- тепловые потери (энергия выделяется в виде тепла в результате всех аспектов жизнедеятельности клеток).

Возможные варианты использования потребляемой головным мозгом энергии.

1. Совершение механической работы. В сутки головной мозг потребляет приблизительно 600 ккал энергии. Этого достаточно, чтобы груз массой 100 кг поднять на высоту 2,5 км. Поэтому, просто невозможно представить, какие механические процессы должны происходить в головном мозге, чтобы была потрачена даже часть этой огромной энергии.

Естественно, что в пределах головного мозга имеют место множество типов движения на молекулярном и клеточном уровне. В силу того, что массы молекул, скорости их движения и амплитуды достаточно малы, то и кинетическая энергия этих движений очень мала и влияет в основном на ткани.

Отметим, что движение крови, лимфы и цереброспинальной жидкости напрямую не связано с деятельностью нейронов мозга, а в первую очередь связано с деятельностью сердца. Поэтому можно утверждать, что энергия потребляемая головным мозгом, практически не тратится на совершение механической работы.

2. Пополнение энергетических запасов клеток головного мозга. Из физиологии известно, что при остановке кровоснабжения головного мозга, энергетических запасов в его клетках хватает приблизительно на 4 – 10 секунд до полной остановки сознания. Таким образом, для поддержания «сознательной» деятельности мозга в нем имеются энергетические запасы в пределах:

Максимальное время, в течение которого нейроны ещё живут (хотя уже и не в состоянии поддерживать работу сознания), не превышает 8 минут (480 с). Каково при этом потребление энергии нейронами неизвестно, но если даже предположить, что оно такое же, как и при нормальной работе сознания, то максимальные энергетические запасы (_) мозга равны:

Получается, что энергетические запасы мозга (_) (постоянно существующие, а не пополняемые) составляют:

от энергии, потребляемой мозгом в сутки.

Иных энергетических запасов в головном мозге нет, в противном случае мозг их обязательно бы использовал для сохранения своей жизнедеятельности. Таким образом, видно, что на пополнение энергетических запасов головного мозга, потребляемая энергия не расходуется (0%).

3. Обеспечение жизнедеятельности нейронов головного мозга. Энергия, необходимая для поддержания жизни нейронов. Нейроны головного мозга ничем принципиально не отличаются от нейронов спинного мозга, поэтому можно считать, что на поддержание их жизни должно тратиться приблизительно одинаковое количество энергии. Поскольку кровоснабжение спинного мозга во много раз меньше по сравнению с кровоснабжением головного мозга, предположим, что на поддержание жизни нейронов головного мозга требуется лишь незначительная часть (13%) от потребляемой мозгом энергии.

Рождение новых нейронов и вывод из организма продуктов распада нервных клеток.

Современная наука утверждает, что срок жизни нервных клеток совпадает со сроком жизни всего организма. Поэтому можно считать, сто у человека в нормальных условиях нервные клетки не погибают и не размножаются, а следовательно на эти процессы энергия не тратится.

Недавние исследования Принстонского университета показали, что вполне вероятно зарождение новых нейронов в коре головного мозга. Однако даже если такие процессы имеют место, энергозащиты на это будут весьма незначительными.

Выработка гормонов отделами головного мозга, например гипоталамусом или гипофизом.

В эндокринную систему организма входит много желез внутренней секреции, но ни к одной из них не подводится столь большое количество крови, как к головному мозгу. Снабжение кровью гипофиза или гипоталамуса существенно ниже, чем коры головного мозга, поэтому нельзя утверждать, что в них на производство гормонов затрачивается основное количество поступающей в мозг энергии. Даже если на производство гормонов в железах внутренней секреции, находящихся в головном мозге, тратится практически вся подводимая к ним энергия, то с учетом размеров этих желез и их кровоснабжения, на это уходит не более 4% от поступающей в мозг энергии.

Физической деятельностью человека и всеми физиологическими процессами в организме управляет головной мозг.

Головной и спинной мозг являются основой центральной системы. К ним поступает разнообразная информация от окружающего мира и внутренней среды организма. Она анализируется, и затем программируется ответная реакция, осуществляемая с помощью сигналов, посылаемых ко всем органам, системам и тканям организма.

Необходимо отметить, что в управлении деятельностью внутренних органов очень важную роль играет вегетативная нервная система, в которой важнейшую роль играет спинной, а не головной мозг. Тем не менее, можно попробовать качественно представить себе работу головного мозга по управлению организмом.

При такой работе головной мозг:

- принимает сигналы от различных рецепторов;

- расшифровывает полученную информацию;

- анализирует принятую информацию и программирует ответы;

- генерирует ответные сигналы к исполнительным органам и системам;

- получает ответные сигналы, позволяющие контролировать правильность исполнения своих команд.

Из пяти типов операций, осуществляемых в головном мозге, только генерация сигналов управления связана с частичным отводом энергии от него. Во всех остальных случаях оттока энергии от мозга не происходит, либо энергия поступает в мозг с сигналами от многочисленных рецепторов.

Человеческий мозг можно рассматривать как электрохимический орган, который на межклеточном уровне производит очень небольшие электрические токи и напряжения. Согласно закону Джоуля – Ленца который гласит, что количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени, можно предположить, что (по аналогии с электрическими цепями) без выделения тепла электрические процессы в головном мозге невозможны. Поэтому выделяемое в головном мозге тепло может быть связано с «электрохимической деятельностью» мозга.

Даже если предположить, что амплитуды потенциала действия достигают 10 – 100 мВ, частоты генерации сигналов – сотен герц, сила тока – 1 – 100 пА и при этом работают все нейроны головного мозга (до 10 млрд.), то каждую секунду в тепло будет переходить менее 10 Дж, потребляемой головным мозгом энергии.

4. Другие (пока неизученные) виды деятельности головного мозга. Можно предположить, что в результате деятельности головного мозга происходит излучение и прием энергоинформационных сигналов различной физической природы. Качественно рассмотрим возможность использования потребляемой мозгом энергии для этих целей.

а) Излучение головным мозгом электромагнитных волн. Во всех диапазонах частот, где в настоящее время можно проводить измерения, энергетически значимых излучений от головного мозга не обнаружено. Поэтому этот канал рассеивания энергии если и существует, то является весьма незначительным (примерно 2% от потребляемой мозгом энергии).

б) Излучение головным мозгом акустических волн. Насколько нам известно, экспериментально никаких акустических колебаний, исходящих от головного мозга, не обнаружено.

в) Излучение головным мозгом элементарных частиц и квантов энергии. Нет никаких экспериментальных фактов, подтверждающих излучение головным мозгом элементарных частиц или квантов энергии, поэтому даже если такой канал рассеивания энергии и существует, то он весьма незначителен (около 4% от потребляемой мозгом энергии).

г) Прием и анализ различных энергоинформационных сигналов из внешней среды. О природе и механизмах такого рода деятельности головного мозга пока известно немного, но она существует и потребляет около 4% от всего энергоснабжения мозга.

Отметим, что практически все перечисленные выше процессы жизнедеятельности нейронов головного мозга сопровождаются тепловыми потерями, то есть в тканях мозга всегда выделяется тепло.

2.3 Тепловой баланс и регуляция температуры головного мозга

Оценим, что может произойти с головным мозгом, если вся потребляемая им в сутки энергия (то есть около 600 ккал) будет переходить в тепло.

Этого количества энергии достаточно, чтобы нагреть более 9 литров воды от 36 ºС до кипения. Поскольку мозг на 80% состоит из воды, можно предположить, что его удельная теплоёмкость близка к удельной теплоемкости воды. Это означает, что при отсутствии эффективной теплоотдачи выделяемой в процессе окислительных реакций в головном мозге энергии достаточно, чтобы мозг «закипел» как минимум шесть раз в сутки.

Если провести аналогичные расчеты для коры головного мозга (ее масса примерно 675 г, энергопотребление – 480 ккал в сутки), окажется, что выделяемой в ней энергии достаточно, чтобы она «закипела» одиннадцать раз в сутки.

В реальной жизни, естественно, мы этого не наблюдаем, и в голове не требуется специальная внешняя постоянно действующая система охлаждения. Напомним, что если в силу каких-либо причин температура головного мозга превысит 40 ºС, то это смертельно опасно для нейронов головного мозга.

Возможные варианты отвода энергии (тепла) от головного мозга:

1. Отвод тепла от головного мозга за счет конвекции, то есть непосредственно с нагретыми жидкими средами (кровь, лимфа или цереброспинальная жидкость).

Жидкие среды организма, и в первую очередь кровь, из-за своей большой теплоемкости играют важную роль в поддержании теплового баланса в организме.

Ткани головного мозга (особенно серое вещество) имеют очень плотную сеть капилляров. Обнаружено, что при прохождении крови через капилляры жидкость плазмы крови успевает до 40 раз полностью обменяться с жидкостью межклеточного пространства. Таким образом, плазменная и тканевая жидкости постоянно перемешиваются, а это означает, что температура крови должна быть в точности такой же, как и температура тканей, через которые она проходит.

Для качественных оценок различных механизмов отвода энергии от головного мозга введем следующие обозначения:

М – масса головного мозга и близко прилегающих к нему тканей (кровь, лимфа, цереброспинальная жидкость и т.д.). Пусть М=1500 г;

f – частота пульса, то есть количество сердечных сокращений в минуту. Пусть f =60, то есть сердечные сокращения происходят каждую секунду.

Пусть за одно сокращение сердце в среднем выталкивает 60 мл крови.

Как уже отмечалось выше, в головной мозг поступит не менее 20% от 60 мл, то есть примерно 12 мл крови.

а) Отвод тепла от мозга с венозной кровью.

При каждом следующем сокращении сердца новая порция обогащенной кислородом крови будет впрыснута в головной мозг. При этом «разогретая» за счет выделенной энергии венозная кровь выведена за пределы головного мозга. Поскольку по нашему предположению, все ткани головного мозга имели одинаковую температуру, то вместе с венозной кровью от головного мозга будет отведено количества тепла, пропорциональное массе выводимой крови.

При одном сердечном сокращении из мозга уйдет 12 мл (12 г) крови, что составляет:

от массы мозга. Это означает, что 0,8% от выделившегося в мозге тепла за одно сердечное сокращение будет оттуда выведено. То есть, если предположить, что отвод тепла от мозга осуществляется только с венозной кровью, то 99,2% выделившейся в головном мозге энергии должно там остаться. Далее следует новый цикл впрыскивания в мозг крови, ее использования и «разогрева мозга».

Таким образом, с каждым следующим сердечным сокращением мозг должен будет все больше нагреваться, если не будет других более эффективных путей отвода выделившегося тепла.

б) Охлаждение мозга цереброспинальной жидкостью.

Можно предположить, что в качестве системы охлаждения головного мозга выступает циркуляция цереброспинальной жидкости. В течение суток эта жидкость, заполняющая желудочки мозга и со всех сторон омывающая головной и спинной мозг, полностью обменивается около пяти раз, а ее объем составляет от 90 до 150 мл. Эта жидкость постоянно находится в контакте с мозгом, вырабатывается в его желудочках и выводится через венозную систему. Поэтому ее температура всегда соответствует температуре головного мозга, а, следовательно, она не может эффективно отводить от него тепло.

Естественно, часть тела будет отводиться с этой жидкостью, как и с лимфой, но даже без расчетов видно, что это будут чрезвычайно малые величины.

в) Охлаждение мозга артериальной кровью.

В силу того, что отходящие от головного мозга жидкости не могут обеспечить достаточно эффективного охлаждения мозга, можно предположить, что его охлаждение осуществляется артериальной кровью. Это может иметь место только в том случае, если температура артериальной крови будет несколько ниже средней температуры мозга. Если предположить, что в тепло переходит 50% используемой головным мозгом энергии, то расчеты показывают, что температура артериальной крови должна быть на 0,3 ºС ниже средней температуры мозговых тканей. В литературе данных о столь заметной разности температур венозной и артериальной крови мозга не обнаружено. Поэтому артериальное охлаждение головного мозга считается маловероятным, тем более что в этом случае головной мозг будет напоминать реальную печь для обогрева организма и внешней среды.

Таким образом, показано, что за счет отвода тепла от головного мозга жидкими средствами уберечь его от быстрого перегрева невозможно, поскольку отводиться от мозга таким путем может только несколько процентов от поступившей в мозг энергии.

2. Теплообмен головного мозга с прилегающими тканями и окружающей средой.

Считается, что температура головного мозга и органов в грудной и брюшной полости тела практически постоянна при любых видах деятельности человека и не зависит от температуры внешней среды. Это означает, что все окружающие головной мозг ткани (кровь, цереброспинальная жидкость, нервные волокна и т.д.) всегда имеют приблизительно одинаковую температуру, близкую к температуре головного мозга. А поскольку нет заметной разницы температуры, нет и значительного теплообмена.

Теплообмен возможен между головой человека и окружающей его средой, так как температура внешней среды, как правило, ниже температуры тела. Отметим, что кожный покров головы ничем принципиально не отличается от кожи на других частях тела. Температура поверхности головы приблизительно соответствует температуре тела, поэтому можно предположить, что от головы идет такая же теплоотдача в окружающую среду, как и от других участков тела. Поэтому один килограмм массы головы будет рассеивать в окружающую среду столько же энергии, сколько и один килограмм тела, то есть от 20 до 40 ккал в сутки.

Таким образом, можно качественно подсчитать, что если масса головы примерно 3 кг, то она будет в сутки за счет теплообмена выделять в окружающую среду около 100 ккал.

Уменьшает теплоотдачу также и волосяной покров от поверхности головы в окружающую среду, то есть он выполняет роль тепловой защиты головы.

Для теплообмена важна площадь поверхности, отдающей тепло. Поскольку плотность тела человека и его головы приблизительно одинакова, то и площади излучающих тепло поверхностей можно считать пропорциональными их массе.

Таким образом, за счет теплообмена с окружающей средой от головного мозга может быть отведено около 100 ккал, что соответствует приблизительно 17% от выделенной там энергии.

Расчеты показывают, что в процессе жизнедеятельности мозга в тепло переходит около 23% (от 16% до 31%) от всей потребляемой мозгом энергии.

Необходимо в соответствии с законом сохранения энергии выяснить применим ли он к деятельности головного мозга. Согласно этому закону вся энергия в головном мозге должна пойти на совершение механической работы, пополнение энергетических запасов мозга или выделиться в виде тепла. Приведенные ниже оценки показывают, что реально потребляемая мозгом энергия может только частично (до 30%) уходить в тепло, а оставшиеся 70% энергии, поступившей в мозг, согласно закону сохранения, должна переходить в новые формы энергии, чего и не происходит. Поэтому данный вопрос о проблеме энергии головного мозга остаётся открытым.

Выводы

1. Суточный расход энергии для женщин и мужчин, занимающихся сидячей работой составляет соответственно 1720 ккал и 2350 ккал.

2. 1 кг мозга потребляет в 10 раз больше энергии, чем остальные участки тела.

3. Чем больше масса тела человека (без учета массы мозга), тем меньше энергии необходимо для организма, в то время как для мозга требуется энергии больше. Следовательно, мышление требует больших энергетических затрат.

4. 1 кг серого вещества головного мозга потребляет энергии в 18 раз больше, чем остальные участки тела.

5. Каждую секунду мозг потребляет 29 Дж энергии, которые каким-то образом должны быть преобразованы в работу и тепло.

6. Мощность головного мозга при различных условиях жизнедеятельности человека может составлять от 15 Вт до 45 Вт.

7. На пополнение энергетических запасов головного мозга, потребляемая энергия не расходуется (0%).

8. Все процессы жизнедеятельности нейронов головного мозга сопровождаются тепловыми потерями, то есть в тканях мозга всегда выделяется тепло.

9. При отсутствии эффективной теплоотдачи выделяемой в процессе окислительных реакций в головном мозге энергии достаточно, чтобы мозг «закипел» как минимум шесть раз в сутки.

10. За счет отвода тепла от мозга жидкими средствами уберечь его от быстрого перегрева невозможно, поскольку отводиться от мозга таким путем может только несколько процентов от поступившей в мозг энергии.

11. Реально потребляемая мозгом энергия может только частично (до 30%) уходить в тепло, а оставшиеся 70% энергии, поступившей в мозг, согласно закону сохранения, должна переходить в новые виды энергии, но этого не происходит.

Заключение

На основе анализа использованной литературы и качественных расчетов энергии, потребляемой мозгом и телом человека, мы пришли к выводу о том, что полученные энергетические оценки являются приближенными и несколько заниженными по сравнению с реальными величинами. Но даже и эти величины являются довольно впечатляющими.

Качественные расчеты затрат энергии показали, что 1 кг мозга потребляет в 10 раз больше энергии, чем остальные участки тела. Чем больше масса тела человека (без учета массы мозга), тем меньше энергии необходимо для организма, в то время как для мозга требуется энергии больше. Следовательно, мышление требует больших энергетических затрат.

Согласно закону сохранения энергии в процессе деятельности головного мозга, энергия должна либо аккумулироваться, либо трансформироваться в другие виды. Однако, в результате исследования, мы предположили, что закон сохранения энергии не выполняется, так как реально потребляемая мозгом энергия может только частично (до 30%) уходить в тепло, а оставшиеся 70 % энергии, поступившей в мозг, должна переходить в другие виды энергии, но этого не происходит.

Список использованной литературы

1. Анастасова Л.П. и др. Человек и окружающая среда. – М.: Просвещение, 1997. – 320 с.: ил.

2. Атлас анатомии человека. Р.Д.Синельников, М., «Медицина», 1978, 472 с., ил.

3. Здоровье женщины: Полная энциклопедия / Сост.И.А.Филиппова. СПб.: ИД ВЕСЬ, 2001.

4. Лепаж К., Пажес Ф. Женщина. Большая медицинская энциклопедия / Пер. с франц. Д.Акулова и др. Под ред. Проф. Ю.К.Малевича. Смоленск: ТОО Эхо, 1999.

5. Макаров В.А.Физиология. Основные законы, формулы, уравнения. М.:ГЭОТАР-МЭД, 2001.

6. Мифология. Большой энциклопедический словарь / Гл.ред. Е.М.Мелетинский. 4-е изд.М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.

7. Полная медицинская энциклопедия / Сост.Е.Незлобина. М.: КРОН-ПРЕСС, 2000.

8. Резанова Е.А., Антонова И.П. Биология человека (анатомия, физиология и гигиена человека с основами медицинской экологии) / В таблицах и схемах. – «Издат-школа», М., 1998.

9. Фомин Н.А. Физиология человека: Учеб. пособие для студентов фак. физ. воспитания пед.ин-тов.-М.: Просвещение, 1982. – 320 с., ил.