它一动不动,却是你身体里功率最高的部分

作者: 云销雨霁

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-06-20

本文探讨了生物体能量消耗与结构复杂性的关系,特别是大脑作为人体功率消耗最高的器官,以及这种能量分配对生物体结构和功能的影响。

生物体常常具有种种神奇的特性与功能,有时候甚至超越了人类的精心制造的仪器。有的生物点满了化工天赋,比如变身塑料生产器的变形菌;有的则点满了种植天赋,比如这个在体内“放牧”藻类的草履虫;有的侦查天赋登峰造极,比如猎食的猛禽。一切生命活动都需要消耗能量,也就是做功,所以生物体的很多特性受到了可支配功率的限制。

根据细胞结构,细胞生物可以分成有细胞核的真核生物,和没有细胞核的原核生物。对比下图中真核的眼虫与原核的细菌,很明显的一个差别是,眼虫体型虽小,但是细胞内部的结构看起来十分复杂;大型细菌的体型很大,但是内部结构看起来却很简单,大部分体积都被液泡填充,只是“虚胖”;大多数原核生物体型都很小,只有几个微米长,也没有复杂的细胞内部结构。为什么会有这样的差异呢?

形成复杂的结构,需要生物体编码合成相关的蛋白质,并进一步合成这些结构所需的脂类、糖等其他分子。这一切都要从细胞的能量预算里面出。细胞可以支配的能量,大多数来源于一种名为ATP(三磷酸腺苷)的分子。

在原核细胞,ATP主要在细胞膜的部分区域合成,细胞可支配的功率通常处于0.1~0.5 pW;在真核细胞,ATP的合成转移到了细胞内被称为线粒体的结构内,一个细胞可以拥有大量线粒体,ATP合成大大加快,可支配的功率通常在20-2000 pW。真核细胞的可利用功率,比原核生物高了几个数量级,因而有足够的能量合成、维持更加复杂的细胞结构,并且细胞之间可以进一步组织成为复杂的多细胞生物。

为什么一定要比较功率,而不是做功的多少呢?对于单细胞生物来说,时间就是生命。如果一个细胞比其他细胞生长、分裂更快,它就能更好地自我复制,抢占资源。如果功率不如别人,就只能在能量开销上尽量节俭,让自身的结构更加简单从而更容易复制了。

类似的制约在高等生物中也存在。人类似乎天生就不太容易获得强壮的肌肉。健硕如施瓦辛格,一旦不再撸铁健身,很快就从肌肉男变成隔壁老大爷。其他动物似乎要容易得多。雄狮在捕猎中出力有限,大多时候靠雌狮 carry,抓到猎物之后,大吃一顿就去睡,从来不会考虑健身。但是,雄狮的肌肉状态却保持得相当不错。

其中一种解释就是,人类的大脑过于庞大,以至于原始社会中的人类难以维持能量供给。

在静息状态,人体几类组织的每日能量消耗如下表所示。成年人的大脑重量大约是1.3~1.5 kg,约占体重的1/50,总功率消耗大约是15~20 W,高居器官能耗榜首位;与之对比,人类全身功率大约为80~100 W。也就是说,人体五分之一的功率需要供应给大脑,这是非常惊人的数字。相比之下,狮子的大脑只有200-300 g,成年雄性狮子的体重可以达到200 kg,大脑消耗的能量占全身的比例很小。

前面表格的数据是静息状态的能量消耗,骨骼肌处于“节电模式”,然而大脑不存在“节电模式”,只要正常工作,功率就不能降低,人类的祖先在有限的食物供给下,就只好减少肌肉,增加脂肪,开源节流。这些性状或许帮助我们的祖先渡过了食物短缺的困难时期,但是却有些不适应物质充裕的现代社会了。

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