Лошадиная сила человека

Идея визуализировать энергетический эквивалент работы человеческого мозга сегодня используется даже в рекламных объявлениях.
Источник: фрагмент рекламного объявления из журнала Nature

Они как будто сговорились! У Есенина: «Коль гореть, так уж гореть, сгорая». А вот у Маяковского: «Светить всегда, светить везде»... И, как итог, фактически парафраз этих строк из репертуара Пугачевой: «Жить, гореть и не угасать!» Но самое интересное начинается, если все эти строчки начать расшифровывать буквально.

Поразительно, но процесс дыхания аналогичен процессу горения, только это – «холодное» горение топлива (водород), взаимодействующего с окислителем (кислород воздуха). И в этом смысле аналог дыханию – это процессы медленного окисления: образование ржавчины, гниение, брожение...

А источником водорода как раз и служит пища: в желудке, кишечнике пища разлагается под действием ферментов до жирных кислот, которые, в свою очередь, распадаются в клетке до воды, углекислого газа и атомарного водорода. Образующийся в этой реакции электрон и запускает все идущие в живом организме процессы. В итоге, по существующим оценкам, мускульная энергия, развиваемая человеком, эквивалентна электрической лампочке мощностью в 150 Вт.

«...при работе мускула происходит почти такое же сгорание его тканей (то есть соединение этих тканей с кислородом), какое происходит с топливом в котельной топке паровой машины или в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, – растолковывает профессор Б.Вейнберг в заметке «КПД человека». – Таким образом, для работы мускула ему необходимо доставлять и материал для восстановления его тканей, и кислород для сжигания их. И то и другое доставляется посредством крови» («Техника – молодежи», № 2, 1935).

Все это дает основание физиологам теплопродукцию живых систем приравнять, с некоторым приближением, интенсивности потребления кислорода. Зафиксированные здесь рекорды, в энергетическом эквиваленте, таковы: максимальный обмен – у альпинистов и горцев: 250–280 МВт/г; жители равнин отстают почти на «корпус» – 160–200 МВт/г. То есть при адаптации человека к различным географическим условиям происходит увеличение мощности дыхательной системы на клеточном уровне. Ничего удивительного в этом нет, если учесть, что подъем в горах на 305 м приблизительно равен прохождению 480 км на север или на юг от экватора.

Любопытно, что согласно наставлениям каждый военнослужащий армии США должен получать 4,5 тыс. калорий в день, тогда как финские военные рекомендуют 6 тыс. калорий в день.

Но вообще-то нормальному взрослому человеку в день нужно с пищей потреблять 2500–3000 ккал. (За год же человек потребляет количество энергии, эквивалентное сжиганию 100 кг угля – sic!) Если этот энергетический прожиточный минимум обеспечен, человек способен с помощью своих мускулов совершить механическую работу, эквивалентную 500–600 ккал. Коэффициент полезного действия (КПД) человека, как нетрудно убедиться, 20%. Между прочим, это больше, чем у лошади (ее КПД около 10%), и значительно больше, чем у быка. (Может быть, интересно: одна лошадиная сила – подъем на 1 м 75 кг за 1 с.)

В то же время человек со своими мышцами далеко не лучший двигатель: его мощность, измеренная в лошадиных силах, составляет всего 0,03–0,04. Очень редко «мощность» взрослого мужчины доходит до 0,2–0,25 л.с.

Однако достоинством человека как энергетической установки является его большая выносливость. Так, например, по подсчетам академика Леонида Милова, через каждые четыре дня работы на пахоте лошади был необходим день выгула. В отличие от лошади русский крестьянин в XVIII веке с 22 апреля по 6 июня работал на поле без единого выходного, практически без отдыха и почти без сна.

Или вот еще пример ветхозаветной «безотходной» технологии. Пирамиду Хеопса строили 100 тыс. человек, заменявшиеся новыми каждые три месяца на протяжении 30 лет. Поднимались громадные тяжести: гранитные балки перекрытия склепа пирамиды Хеопса весят 500 тонн каждая, а в пирамиде Хефрена есть монолиты весом до 423 тонн. И все это ворочали вручную!

Когда находишься рядом с этими рукотворными исполинскими мегалитами, первое, что приходит на ум, – какая же чертова уйма обезличенного человеческого труда овеществлена в этих склепах! Тем более это тяжело представить себе, если знать (благодаря расчетам все того же профессора Б.Вейнберга), что 1 кВт может заменить собой 150 умеренно работающих людей, 33 тяжелоработающих или 20 очень тяжело работающих людей.

Но человек – это не только хороший генератор энергии, но и вполне сносный ее аккумулятор: он может работать, не получая пищи, в течение одних-двух суток. При массе в 75 кг взрослый мужчина способен накопить более 2–3 кВт-ч энергии (примерно 30 Вт-ч на 1 кг веса). Если пересчитать эти показатели на единицу массы, то «человеческая машина» окажется в иерархии энергий выше сжатых газов и всевозможных механических пружин. Но ниже кипящей воды. Так что с физической точки зрения не вполне понятна этимология широко распространенного определения непрофессионала – «чайник». Какой же это чайник, если он не может вскипятить стакан воды!

В культовом киберпанковском фильме «Матрица» (время действия – 2199 год, Земля) человеческие существа используются захватившими власть машинами в качестве обычных батареек... Тут создатели картины немного перемудрили. Ведь известно, что для производства одного джоуля энергии, содержащегося в пище, которую потребляет человек, затрачивается 10 Дж энергии. Машины просто не смогли бы прокормить свои биологические «батарейки». Игра не стоит свеч.

Впрочем, у этого сюжета есть варианты. Например, такой. «Скорее всего машины используют резервную мыслительную силу человечества в качестве громадного распределенного процессора для контроля над реакциями ядерного синтеза», – считает британский математик Питер Б.Ллойд. Вот это уже теплее!

Человеческий мозг, возможно, самый сложный объект во Вселенной. А вот для работы этому чуду живой «механики» нужно всего 10 Вт энергии! Правда, мозг очень привередлив в выборе топлива-пищи: просто жиры ему не подходят, хотя в 1 г жира запасено 37,7 Дж энергии. Мозгу подавай глюкозу и кислород. Видите ли, глюкоза «сгорает» полностью, не оставляя после себя в мозгу никаких «шлаков». В состоянии покоя мозг потребляет около двух третей всей циркулирующей в крови глюкозы и 45% кислорода. Снижение концентрации глюкозы в крови ниже 0,5–0,2 г/л приводит к потере сознания и коме.

На этом фоне вполне правдоподобно выглядит гипотеза, согласно которой именно особенности пищевой, то бишь энергетической, стратегии Homo sapiens’ов позволили им опередить неандертальцев в эволюционной гонке. Так, некоторые антропологи (Sorensen, Leonard, 2001) сравнивают средний уровень физических нагрузок неандертальцев с нагрузками атлетов, фермеров и грузчиков. По расчетам этих авторов, необходимые ежедневные энергетические потребности неандертальцев превышали таковые у современных эскимосов – людей с наибольшими энергетическими затратами среди современного человечества, с очень высоким уровнем основного обмена. Прокормиться было очень трудно. Исторической перспективы – никакой, увы...

А хитрые sapiens’ы взяли да изобрели приготовление пищи на огне. Сразу качественно возрастает энергетическая и питательная ценность, ее усвояемость. Не случайно приготовленная на огне пища – возможно, наиболее ранний объект кражи в обществе человека.

Как будто специально под этот случай сказал еще один поэт, Андрей Вознесенский:

Стоило гроши, и вдруг алтын.

Ложная растет дороговизна.

Ценность измеряется одним –

Единицей Вложенности Жизни!

Ну и еще, энергетической ценностью пищи...