Г лава VI Происхождение способности к работе в организме человека

Начав с распределения энергии в мировом про­странстве и на земной поверхности, мы дошли до тру­да человека, как до деятеля, участвующего в этом рас­пределении. Но мы пока еще ничего не сказали о про­исхождении способности к труду в организме, а это со­вершенно необходимо не только для дальнейшего ча­стного рассмотрения роли труда в общественной жиз­ни, но даже и для ясного понимания основного факта, что труд может увеличивать превратимую энергию на земной поверхности. Откуда берется в организме энер­гия, необходимая для совершения действий, которые мы называем трудом? Какими аппаратами производят­ся эти действия? Какими побочными явлениями они сопровождаются? На первый вопрос мы можем отве­тить, зная, что вся механическая работа в организме животных имеет началом энергию, сбереженную в пище в форме химического сродства, которое, насыщаясь в теле человека химическим сродством вдыхаемого им кислорода, переходит в теплоту, а часть последней в свою очередь превращается в механическую рабо­ту. С первого же взгляда понятно, что только часть теп­лоты может подвергнуться такому превращению. Во-первых, как мы знаем, никогда теплота, энергия, мало превратимая, не может целиком превратиться в меха­ническую работу, энергию высшего порядка. Во-вто­рых, теплота, вырабатываемая в организме человека,

87

кроме внешней механической работы, идет еще на внут­реннюю: кровообращение, движение кишок и пр., на поддержку постоянной температуры, испарение воды и т. д. Поэтому неудивительно, что только небольшая часть ее может непосредственно обратиться во вне­шнюю механическую работу или в труд, если эта вне­шняя работа будет иметь результатом увеличение энер­гии на земной поверхности.

Один из самых первых и самых важных опытов, по­казывающих превращение теплоты человеческого организма в работу, был произведен Гирном, и на нем мы остановимся немного долее.

Гирн брал деревянный ящик, герметически закры­тый, во внутренность которого можно было смотреть через несколько застекленных и плотно замазанных отверстий. В ящике мог свободно поместиться чело­век, над которым производился опыт, не прикасаясь телом к стенкам ящика. Воздух, нужный для дыхания, доставлялся трубкой, снабженной краном, а газы, вы­дыхаемые человеком, также выводились из ящика трубкой. При первом опыте человек находился в по­кое, при дальнейших — он посредством особого меха­низма производил столько времени, сколько было нуж­но, движения поднятия на лестницу и спускания с нее. Механизм был устроен следующим образом:

В нижней части ящика было помещено колесо, вра­щавшееся вокруг оси, которая выходила наружу из ящика и там посредством кожаного паса приводилась в движение. Во время движения колеса человек, под­вергнутый опыту, держась руками за перекладину, прикрепленную в верхней части ящика, и упираясь но­гами попеременно на дощечки, приделанные к окруж­ности колеса, должен постоянно производить движе­ние, как будто бы он поднимался на лестницу, для того, чтобы сохранить точку опоры для своих ног. Таким об­разом, в известное время центр тяжести его тела про-

88

ходил путь, равный пути, проходимому в то же время какой-либо точкой на окружности колеса. Если колесо вертится в противоположном направлении, то пациент вынужден постоянно сходить на нижнюю перекладину и, например, через час его центр тяжести как бы спус­кался на все пространство, пройденное окружностью колеса в противоположном направлении.

Количество тепла, образуемого пациентом, по от­ношению к равному весу вдохнутого кислорода, раз­лично в этих трех различных случаях, т. е. при покое, всхождении на лестницу и спускании с нее. Различия как раз соответствуют предположениям механичес­кой энергии тепла. Конечно, следует брать количества тепла, соответствующие равным весам вдохнутого кислорода, потому что сравнивать абсолютные коли­чества тепла, выделенные в трех различных состоя­ниях, было бы совершенно неправильно, а нужно срав­нить количества тепла, соответствующие равному дыхательному действию, т. е. равному количеству кис­лорода, введенного в организм. Измерение это было нетрудно произвести, так как воздух доставлялся че­рез трубку, почерпавшую его из размеренного газо­метра, между тем как испорченные продукты выды­хания также уводились трубкой в газометр, размерен­ный подобно первому, и из которого брался воздух для производства анализа. Гирн определял только ко­личество угольной кислоты, потому что количество во­дяных паров подвержено чересчур большим колеба­ниям вследствие изменения гигрометрического состо­яния внутри ящика.

Измерение количества тепла в каждом случае на­чиналось только тогда, когда термометр, поставленный внутри ящика, показывал постоянную температуру. Па­циент в каждое данное время выделял в таком случае ровно столько тепла, сколько терялось через сумму следующих трех причин:

89

1. Лучеиспускание ящика.

2. Прикосновение внешнего воздуха.

3. Тепло, увлекаемое движением внешнего воздуха. Влияние последней причины определялось путем

прохождения газов через змеевик калориметра, кото­рый имел первоначально температуру окружающего воздуха, и затем калориметрическим измерением обыкновенными способами.

Остальные две потери приблизительно исчислялись путем замены человека горелкой Бунзена, которую соразмеряли таким образом, чтобы температура ящи­ка оставалась та же, что была и в присутствии челове­ка. Измерения количества газа, сожженного при та­ких обстоятельствах в данное время, давали возмож­ность вычислить сумму потери через первые две при­чины, за вычетом, конечно, теплоты, унесенной, про­дуктами горения газа.

Цифры, приведенные Гирном, ясно показывают, что результаты опытов совершенно согласны с предусмот-рениями теории. Из них следует: 1) что во время рабо­ты происходит значительное увеличение дыхательной деятельности; 2) что при равной дыхательной деятель­ности (равном весе вдохнутого кислорода) выделение тепла менее при работе, чем в состоянии покоя.

На каждый грамм вдохнутого кислорода выделялось теплоты во время покоя от 5,18 до 5,80 тепловых еди­ниц, во время работы — от 2,17 до 3,45.

Опыты эти дают очень важный результат, хотя он толь­ко может быть приблизительным, именно величину эко­номического эквивалента человеческой машины, т. е. величину процента тепла, превращенного в механичес­кую работу. Величину эту Гельмгольц вывел из результа­тов, полученных Гирном, основываясь на некоторых пред­положениях, вообще принимаемых физиологами.

В состоянии покоя взрослый человек выделяет в те­чение часа средним числом такое количество тепла,

90

которое, переведенное целиком в работу, представля­ет собой механическую работу, необходимую для под­нятия его тела на высоту 540 метров. По замечательно­му совпадению 540 метров есть как раз та высота, на которую человек без особого труда может подняться в течение часа, всходя на гору, не представляющую осо­бых препятствий, т. е. в условиях, подобных которым находился пациент Гирна. Но, возвращаясь к его опы­там, из чисел, приведенных Гирном, видно, что при та­кой работе дыхательная деятельность была усилена в пять раз против величины ее в состоянии покоя. Отсю­да непосредственно следует, что 1/5 и есть величина экономического коэффициента человеческой машины.

Должно казаться весьма замечательным, что тело человека, рассматриваемое как термическая маши­на, представляет такой высокий экономический коэф­фициент, тем более если принять во внимание, в каких тесных пределах температуры, давления и пр. человек вынужден работать. Эта необыкновенная способность к превращению низшей энергии в высшую встречает­ся в некоторых органах человеческого тела в еще боль­шей мере, например в некоторых мышцах внутри тела. Гельмгольц нашел, что, принимая во внимание давле­ние крови в артериях, сердце в один час, употребляя для поднятия самого себя энергию, идущую на движе­ние крови, поднялось бы на 6670 метров. Самые силь­ные локомотивы, употребляемые, например, для под­нятия поездов на крутых скалах Тироля, не могут под­нять свой собственный вес в один час выше 825 мет­ров. Следовательно, как машины они в 8 раз слабее мышечного аппарата вроде сердца⁴⁰.

Откуда же берется такой запас энергии в организме человека и каким образом он распределяется? Так как

⁴⁰ Verdet. Theorie mecanique de la chaletir. Paris. 1868. T. II, стр. 246 и след.

91

человек питается почти исключительно веществами, заключающими в себе много свободного химического сродства, и притом вдыхает соответствующее своей пище количество кислорода, то понятно, что при дей­ствительном соединении питательного материала с кис­лородом должно освобождаться много тепла, часть ко­торого переводится и в способность к механическому движению. Количество тепла, производимого в теле человека этими процессами, можно приблизительно рассчитать, зная количество тепла, выделяемое при сго­рании разными веществами, употребляемыми челове­ком в пищу. Так, например, 1 грамм белковины дает при полном сгорании 4,998 единиц тепла, при сгорании до степени мочевины — 4,263. Один грамм говядины, освобожденный от хлора, при полном сгорании — 5,103 единиц тепла, до степени мочевины — 4,368; один грамм говяжьего жира - 9,069 единиц тепла⁴¹. Углеводы также дают при сгорании количества тепла, близко подходя­щие к величинам, даваемым белковиной. В организме не все тепло сохраняется в неизменном виде; оно пре­вращается отчасти в электричество, у некоторых живот­ных даже в свет (светляки, светящиеся мухи) и у всех животных в механическую работу. Есть приблизитель­ный расчет для определения того, сколько из общей теплоты человеческого организма расходится теми раз­ными путями, которыми человек теряет свою теплоту. Расчет этот сделан в том предположении, что в конце концов все потери энергии организма переходят в теп­ло. Из общего количества тепла 1 %—2% идет на потерю тепла испражнениями (мочей и калом), от 4%—8% на потерю дыханием, от 20%-30% на потерю испарением воды, а остальные 60%-75% на лучеиспускание и ме­ханическую работу⁴². Мы видели, что в механическую

⁴¹ Hermann, Grundriss der Phylosiologie. 6-е издание. 1878, стр. 211.

⁴² Hermann, 1. с, стр. 215.

92

работу, т. е. собственно мышечную, при не слишком уси­ленном труде превращается около 20% образующего­ся тепла. При некоторых обстоятельствах величина эта может быть и более.

Упомянем только вкратце остальные движения, про­исходящие в человеческом организме, и остановим­ся затем на мышечной работе и отчасти на психичес­ких отправлениях. Электрические явления, происходя­щие в мышечной и нервной системе, не обнаружива­ются, по всей вероятности, вне человеческого тела, иначе как превратившись в теплоту (за исключением ничтожно слабых токов поверхности тела); поэтому мы можем оставить их здесь без дальнейшего рассмотре­ния. Это относится и к проявлениям движений, совер­шающихся в организме помимо работы гладких и по­перечно-полосатых мышц, а именно: 1) движение со­кратимых клеток, 2) мерцательного эпителия. 3) зоо-спермий, 4) почти незаметных движений, сопровожда­ющих рост, развитие и пр.⁴³. Все эти движения по их незначительности не могут быть в настоящее время приняты нами во внимание.

«Мышечное движение составляет главное отправле­ние животной жизни, и, следовательно, мышечная сис­тема есть центр явлений, обнаруживаемых живыми су­ществами»⁴⁴. Казалось бы, прибавляет Марей к этим словам Кл. Бернара, что мышечные отправления дол­жны разделить такое первенствующее положение с ощущением, не менее важным свойством организма. Но эта способность ощущать обнаруживается наблю­дателю только посредством двигательной реакции, ею вызываемой. Каким образом биолог узнает, что он про­извел ощущение у животного? Только через движение, явившееся последствием ощущения. Без движения,

Hermann, 1. с, стр. 212-213.

CI. Bernard. Lecons snr les proprietes des tissue vivants, p. 157.

93

его обнаружившего, ощущение осталось бы вполне субъективным и почти всегда ускользало бы от иссле­дования путем опыта⁴⁵. Слова эти получат для нас боль­шую важность при рассмотрении отношений, существу­ющих между психическими функциями и мышечным движением и вообще при вопросе о нервном труде.

Обратимся же теперь к аппарату, посредством ко­торого в человеческом организме совершается меха­ническая работа, т. е. к мышцам. Мы должны предпо­ложить известными читателю их морфологическое строение и химический состав, по крайней мере в об­щих чертах, и перейти непосредственно к самому про­изводству механической работы в мышце. Более част­ный механизм мышечного сокращения состоит, по-ви­димому, в образовании на каждом первичном волокон­це небольшого припухания, совершающегося за счет длины этого волоконца. Укорочение всех волоконец, т. е. всего мускула, производит двигательную силу мышцы. Утолщение занимает только небольшую часть длины каждого волоконца, но оно подвигается по каж­дому из них, перемещаясь наподобие волны, бегущей по поверхности воды. Когда эта волна пробежала по всей длине мышцы, она исчезает, и мышца принимает свою первоначальную длину⁴⁶. При сокращении мыш­ца становится не только короче, но и немного меньше в объеме, и упругость ее уменьшается⁴⁷. Мышца во время своего сокращения обнаруживает всем извест­ную силу, которую можно измерить, привешивая к мыш­це определенную тяжесть, заставляя ее затем сокра­щаться и отмечая посредством миографа высоту под­нятия тяжести при сокращении мышцы. Таким обра­зом, максимум работы одного грамма мышцы лягуш-

⁴⁵ Marey. Du mouvement dans les fonctions de la vie. Paris. 1878,
стр. 205.

⁴⁶ Marey, 1. е., стр.. 219.

⁴⁷ Rosenthal. Les nerfs et les muscles. Paris, 1878, стр. 41-42.

94

ки найден равным 3,324 до 5,760 граммометров. Обык­новенно же определяют силу мышцы наибольшей си­лой сокращения, которую она может дать при сильней­шем раздражении. Для квадратного, сантиметра попе­речного сечения мышцы лягушки эта сила выражает­ся весом в 2800 до 3000 граммов, а для квадратного сантиметра человеческой мышцы около 6000 до 8000 граммов⁴⁸. Сравнительная мышечная сила птиц и на­секомых больше силы человека⁴⁹. На основании этих, данных уже можно было приблизительно вычислить ко­личество, работы, могущей быть доставленной челове­ком и домашними животными. Обыкновенно это коли­чество приравнивают к работе, доставляемой паровы­ми машинами, причем за единицу принята паровая ло­шадиная сила, или 75 килограммометров в секунду. Работу человека обыкновенно оценивают в 0,1 паро­вой лошадиной силы, но такая оценка относится толь­ко к общей работе человека. В отдельных случаях, на­пример, поднимая собственное свое тело на руках, человек на короткое время может обнаружить работу, равную работе паровой лошади или даже ее превосхо­дящую⁵⁰.

Чтобы ближе ознакомиться с источником механичес­кой работы, даваемой мышцами, нам нужно обратить­ся к физическим и химическим явлениям, сопровож­дающим сокращение мышц. Уже Беклар ⁵¹ нашел, что температура двуглавой мышцы руки человека возвы­шается во время сокращения. Далее Гейденгайн при помощи весьма чувствительного термоэлектрическо­го аппарата нашел, что при столбняке температура мышцы лягушки возвышается на 0,15°, а при отдель­ных сокращениях - от 0,001° до 0,005°. Позже Нава -

⁴⁸ Hermann, I.e., стр.245.

⁴⁹ Marey. La machine animate. Paris, 1873, стр. 66.

⁵⁰ Marey. La machine animate, стр. 71.

⁵¹ Archives generates de medecine. 1861, Janvier-Mai.

95

лихин пришел к следующему очень важному положе­нию: количество теплоты, образующейся в мышце, воз­вышается быстрее, чем увеличивается произведенная работа. При сокращении со значительными тяжестями отделение тепла происходит не только во время сокра­щения, но и во время расслабления мышцы⁵². Все эти факты указывают на то, что при сокращении мышц часть превратимой энергии их не переходит в механи­ческую работу, а превращается в теплоту, т. е. рассеи­вается. Работы Навалихина прямо указывают на то, что при усиленной работе эта потеря энергии значитель­нее, чем при умеренной. Последние работы Фика и Гар - тенека ⁵³ вполне подтверждают эти данные. Так, меж­ду прочим, эти исследователи нашли:

1) Количество совершенной в мышце во время сокра­щения химической работы зависит не только от силы раз­дражения, но и от напряжения мышцы. Количество про­изведенного тепла увеличивается, если во время само­го сокращения увеличивается привешенная тяжесть.

2) Химическая работа, необходимая для производ­ства механического эффекта, должна быть тем боль­ше, чем большая сила сопротивляется сокращению мышцы.

 

3) Общее количество тепла, образованное во вре­мя одного сокращения, вычислено равным 3,1 микро­калорий. По другому расчету найдено, что если горю­чее вещество мышцы есть углевод, то во время одно­го сокращения со значительной тяжестью его сгорает не более 0,0008 миллиграмма.

4) При энергичном сокращении количество совершив­шейся химической работы приблизительно в четыре раза превышает величину совершенной механической рабо­ты. Когда сопротивление слабо, тогда механическая pa-

Hermann, 1, с, стр. 250. Pflugers Archiv. 1878. XIV, стр. 59.

96

бота представляет собой меньшую дробь химической.

Что касается химических процессов, то во время сокращения мышцы в ней замечается следующее:

1) Мышца образует углекислоту. Это видно уже из опы­тов Гирна, так как работающий человек в этом случае выдыхал в 5 раз более углекислоты, чем в покое. По ис­следованиям Э. Смита ⁵⁴, выдыхание углекислоты при усиленной работе может в 10 и 12 раз превосходить нор­мальное. На вырезанной мышце выделение углекисло­ты при работе было также непосредственно доказано.

2) Мышца во время сокращения потребляет больше кис­лорода. Также и весь организм во время работы потреб­ляет более кислорода, хотя, по-видимому, и не в такой мере, как увеличивается образование угольной кислоты.

3) Мышца делается при работе кислой: в ней накоп­ляется молочная кислота.

4) Мышца по своему химическому составу изменяет­ся от деятельности в таком направлении, что водный эк­стракт ее уменьшается, а алкогольный увеличивается⁵⁵.

Вся сумма этих явлений в работающей мышце сво­дится на распадение химических соединений, сопровож­дающихся насыщением более сильного сродства и ос­вобождением известного количества энергии, принима­ющей форму механической работы. Какие именно ве­щества при этом распадаются и какие образуются — в точности неизвестно. Прежде принимали, что работа мышц совершается главным образом за счет азотистых веществ, т. е. белковины и т. п. Но в последнее время пришли к совершенно противоположному заключению. При умеренной работе количество выделенной мочеви­ны не растет, между тем как количество выдыхаемой уг­лекислоты бывает уже очень увеличено. Только при очень усиленной работе там, где можно предположить разру-

Е. Smith. Die Nahrungsmittel, 1873. Hermann, 1. с, стр. 260-261.

97

шение некоторых мышечных волоконец, замечается воз­растание выделяемой мочевины. Вследствие этого те­перь думают, что работа совершается за счет безазотис­той пищи, а азотистая идет только на возбуждение само­го мышечного аппарата и других содержащих азот час­тей тела и, может быть, на нервную работу.

Мы не будем здесь рассматривать аналогии, суще­ствующие между сокращением мышц и окоченением их, и не будем останавливаться на гипотетической роли миозина, то свертывающегося, то опять растворяюще­гося, так как эти вопросы в данном случае слишком специальны и, кроме того, еще не привели ни к каким обобщениям, которые могли бы быть приняты с доста­точной вероятностью. Желающим ближе ознакомить­ся с этими предметами указываем особенно на рабо­ты Гейденгайна, Фика, Германа, Йог. Ранке и др.

Если так мало достоверного известно о физических и химических, явлениях, сопровождающих мышечную де­ятельность, то еще далеко менее мы знаем о психичес­ких процессах и их отношении к общему энергийному бюд­жету нашего организма. Все, что до сих пор известно на этот счет, сводится приблизительно к следующему: пси­хическая деятельность так же, как и мышечная, сопро­вождается образованием тепла, именно в нервных клет­ках⁵⁶. Выделение фосфорных солей при ней увеличива­ется⁵⁷; обмен азотистых веществ, по-видимому, также увеличивается. Кроме того, психическая деятельность, утомляя человека, делает его не только менее способ­ным к продолжению умственной работы, но ослабляет также его способность к мышечной деятельности. В свою очередь и мышечная работа обнаруживает подобное же влияние не только по отношению к мышечной же дея­тельности, но и по отношению к психической работе.

Schiff. Archives de physiologie. Т. II, 1870. Byasson. Journal de pharmacie, 1867.

98