Физика и физиология тибетской йоги туммо

Опубликовано в журнале "Химия и жизнь", 2008, №12 - с.28-34.

Р.С. Минвалеев, кандидат биологических наук

«Тибет, страна снегов… В чистейшем разреженном воздухе невесомо рисуются очертания гималайских вершин. Бездонные ледяные озера, прозрачные, как стекло. Скалы, туман, заснеженные перевалы, девять месяцев в году непроходимые для путников. Удивительные люди живут здесь. Они умеют согреваться без огня, идти без устали по горным дорогам дни и ночи напролет, заклинать злых духов гор и вод, читать мысли, летать по воздуху…»

Из подобных вступлений состоит большинство популярных рассказов о Тибете и Гималаях, которыми переполнены книжные развалы, но среди этих фантастических историй одна заслуживает особого внимания. Хотя бы потому, что не такая уж она и фантастическая. Речь пойдет об искусстве согреваться среди снегов без одежды и костра, которое получило название туммо.

Наиболее подробное ее описание принадлежит перу известной французской путешественницы Александры Давид-Неэль, первой европейской женщины, допущенной ко многим тайнам Тибета, в том числе и к практике туммо: «Перезимовать на высоте трех-пяти тысяч метров в пещере среди снегов, будучи облаченным лишь в тоненькую одежду или вообще без таковой, и не замерзнуть – нелегкая задача. Однако ежегодно многие тибетцы успешно проходят это испытание. Такую выносливость они объясняют своей способностью вырабатывать туммо». И вот в чем это испытание состоит: «Тех, кто чувствует в себе силы выдержать этот экзамен, морозной зимней ночью приводят на берег реки или озера. Если водоем замерз, во льду пробивают прорубь. Испытания устраивают лунной ночью, когда дует сильный ветер – зимой в Тибете такие ночи не редки. Сбросив с себя всю одежду, новообращенные садятся на землю и скрещивают ноги. Каждый обматывает вокруг себя простынь, намоченную в ледяной воде, – ее нужно высушить жаром собственного тела. Как только простыня высохнет, ее опять окунают в прорубь, и ученик снова должен сушить ее на себе. Все это повторяется до рассвета. Побеждает тот, кто высушит наибольшее количество простыней…. Могу засвидетельствовать это как очевидец. Ученик должен высушить на себе не меньше трех простыней, прежде чем его признают достойным носить юбку из белой ткани - отличительный признак овладевших искусством «туммо»… «Респа» - человек, всегда одетый в платье из легкой хлопчатобумажной ткани». 

Рис. 1. Александра Давид-Нэель в одеянии буддийской монахини

Практически все остальные авторы просто переписывают это единственное столь подробное описание практики туммо, именно поэтому и мы приводим его почти полностью. Ценность свидетельства Александры Давид-Нэель состоит еще и в том, что французская путешественница была не просто экзальтированной певичкой, очарованной тайнами Тибета, но весьма образованной для того времени женщиной. Помимо университетских курсов санскрита и истории Центральной Азии, Александра Давид­Нэель прослушала в Париже полный курс лекций выдающегося французского физиолога Клода Бернара, с которого, собственно говоря, и начинается современная физиология как объективная наука. Возможно, именно поэтому наблюдательная француженка не забывает отметить, что «"Респа" - человек, всегда одетый в платье из легкой хлопчатобумажной ткани. При этом само собой разумеется, на нем может быть только один покров. Однако на Тибете нет недостатка в "респа", скрывающих под легкой хлопчатобумажной тканью теплую одежду. Эти обманщики либо настоящие мошенники, стремящиеся провести доверчивых простаков с корыстными целями, либо действительно изучавшие искусство "туммо", но слишком недолго, чтобы приобрести прочные навыки».  У нас еще будет возможность убедиться, насколько справедливо это наблюдение отважной путешественницы. Все остальные авторы, упоминавшие о практике туммо и респа, как правило, самих монахов непосредственно не наблюдали, и в лучшем случае просто дают ссылку на описание Александры Давид-Нэель.

Большинство отечественных читателей впервые познакомились с этим явлением, как и вообще с таинственным «учением йогов», в популярнейшем в свое время романе советского писателя-фантаста Ивана Ефремова «Лезвие бритвы». Иллюстрацией к туммо служит известная картина Николая Рериха «На вершинах» (см. рис. 2), на которой мы видим обнаженного монаха-отшельника, сидящего на вершине горы с подтаявшим под ним снегом. 

Рис. 2. Николай Рерих «На вершинах»

Наконец, в журнале «Химия и жизнь» (1978, №1) появляется статья кандидата медицинских наук Алексея Юрьевича Каткова «Голод против холода?», где автор – один из пионеров физиологического подхода к изучению йоги – подробно излагает свои соображения и приводит сводку исследований различных феноменов холодоустойчивости, упоминая, в том числе, практику тибетской йоги туммо. В последующем Алексей Катков проводит на добровольцах и на самом себе такие испытания и исследования холодоустойчивости, перед которыми блекнут не только подвиги тибетских йогов, но и все феномены холодоустойчивости, зафиксированные в книге рекордов Гиннесса, но об этом чуть позже.

Гарвардский проект 

В 80-е годы ХХ века ассоциированный профессор Гарвардского университета Герберт Бенсон получает возможность всесторонне обследовать тибетских монахов, ныне живущих в предгорьях Гималаев. С благословления самого Его Святейшества Далай-ламы и при поддержке ряда научных фондов, Герберт Бенсон с сотрудниками отправляется в отдаленные монастыри для изучения монахов, практикующих туммо.

Проблема №1. Найти таких монахов оказалось весьма не просто. Собственный опыт общения с тибетскими буддистами позволяет предположить такую последовательность событий: большинство монахов, с которыми контактировал Бенсон, рассказывали про туммо с неподдельным пиететом, делали акцент на том, что это, дескать, очень сложная медитация, требующая долгих лет обучения. Но при этом в конце всегда резюмировали – сами они этим не занимаются.

Пришлось вновь обратиться к Далай-ламе. В итоге были найдены трое монахов, по их словам потративших более шести лет на освоение туммо. Они дали устное согласие на измерение температуры кожи в разных местах тела, а также ректальной температуры для оценки теплосодержания так называемого «ядра» тела. Замерялась и температура окружающей эксперимент среды. Собственно, последняя характеристика оказалась наиболее информативной, о чем можно узнать из публикации результатов этих исследований в январском номере журнала «Nature» за 1982 год. А именно: все опыты по изучению туммо были проведены при температуре от 16-ти до 23-х градусов… тепла! Если читатель думает, что здесь какая-то опечатка, то может лично перепроверить все по первоисточнику (Benson H. et al. Body temperature changes during the practice of g Tum-mo yoga // Nature, Vol. 295, pp. 234 - 236 (21 January 1982)). Иными словами, это не рождественская шутка, но самое что ни на есть серьезное изложение результатов измерений. И хотя исследования проводились в феврале 1981 года, во всех трех опытах монахи предпочли остаться в относительно теплых помещениях. Говоря по-русски, и носа на улицу не выставили. Это можно было бы назвать проблемой №2, но профессор Г. Бенсон, с одной стороны, не скрывает этот факт, предоставляя подробные температурные графики со всех отведений во всех трех опытах, с другой - никак не комментирует такое очевидное несоответствие в тексте статьи (см. рис. 3.). 

Рис. 3 Изменения кожной и окружающей температуры и частоты сердечных сокращений  до, во время и после практики медитации Туммо у испытуемого Ven. J. T. (Г. Бенсон, 1981) 

В резюме сообщается только о том, что «эти монахи обладают способностью повышать температуру пальцев рук и ног более чем на 8,3⁰С». А поскольку найденный результат вполне укладывался в концепцию самого Г. Бенсона о "релаксационном ответе", который он описывает как "физиологическое состояние, противоположное стрессу", то и претензий к монахам, по-видимому, у авторов статьи тоже не возникло. Могу предположить: американские ученые не настаивали, а тибетские монахи подумали, что так оно и должно быть. Ведь Г. Бенсон изучает самую что ни на есть Медитацию с Большой Буквы, которую монахи и продемонстрировали. И это, конечно, ничего, что не достает только одной несущественной мелочи, а именно: проверки на собственно холодоустойчивость. Говоря прямо, никакого холода в условиях опытов, судя по описанию авторов публикации в журнале «Nature», не просматривается, и в медитации тибетских монахов команда Г. Бенсона не обнаружила ничего, кроме банальных результатов аутотренинга в комфортных условиях.

Надо отдать должное Г. Бенсону – он не останавливается на достигнутом. Опыты по изучению различных форм буддийской медитации продолжаются. В 2001 году Бенсон добивается выделения из известного фонда семьи Гиннессов не много ни мало… скромной суммы в один миллион двести пятьдесят тысяч долларов именно для изучения необыкновенных способностей тибетских монахов согреваться на морозе без огня и одежды. Поступившие денежные средства дали возможность исследователям привезти трех монахов, владеющих туммо, в поместье Гиннессов в Нормандии (Франция) в июле 2001 года для непосредственного изучения их способности противостоять холоду.

На месте выясняется, что «владеющие туммо» тибетские монахи не готовы продемонстрировать свои «чудесные» возможности, и им потребуется минимум «100 дней для достижения полной медитативной способности». Все это время они живут в фамильном поместье Гиннессов вместе с командой Г. Бенсона, пока один из монахов не получает какую-то глазную инфекцию и не выходит из состава испытуемых. Наконец, в ноябре 2001 года ученые проводят необходимые исследования и испытания долгожданной холодоустойчивости легендарных тибетских монахов (см. фото на рис. 4). Насколько можно понять из данного фотодокумента и краткого сообщения в газете Гарвардского университета (никоим образом не претендующей на научную публикацию), «ученые получили ценные данные», но по личному признанию Бенсона, "комната была недостаточно холодной для проведения испытаний должным образом". Иными словами, через двадцать лет Г. Бенсон повторяет ту же ошибку, что и в Гималайских исследованиях 1981 года, из чего следует, что один миллион двести пятьдесят тысяч долларов были потрачены впустую. 

Рис. 4

Что же дальше? Цитирую газету Гарвардского университета: «Его команда этой зимой попытается еще раз провести опыты с шестью монахами. Они начнут практику в конце лета и будут готовы в самое холодное время зимы». На этом доступные мне сведения о 20-летних исследованиях практики туммо группой профессора Бенсона заканчиваются. Научных публикаций по этой теме от группы Г. Бенсона больше не поступало, и мы на время покинем этот проект, оставивший больше вопросов, чем ответов. 

Холодоустойчивость как она есть

И первый вопрос, ответ на который так и не был найден, вполне очевиден: а где она, эта пресловутая холодоустойчивость тибетских монахов? И если такие монахи существуют, то насколько их способности противостоять холоду превосходят возможности рядового европейского (точнее, кавказского как это принято именовать в образованной среде) человека, который не практикует буддийскую медитацию?

Известно, что предельная холодоустойчивость изучалась в 1942-43 годах эсэсовскими врачами под руководством доктора Зигмунда Рашера в концлагере Дахау. В частности, предметом исследований была и «актуальная» для нацистов тема холодоустойчивости лиц разных национальностей. Насколько можно понять из доступных нам материалов об этих исследованиях, осужденных на Нюрнбергском процессе в числе прочих преступлений СС, наибольшую устойчивость к холоду проявили именно славянские военнопленные. Может быть, именно по этой причине эксперименты по экстремальной холодоустойчивости (с учетом результатов нацистских испытаний, которые были также тщательно изучены) нашли свое продолжение в СССР. К сожалению, большая часть этих работ засекречена военными, но даже мимолетное ознакомление с некоторыми из этих исследований заставляет тут же позабыть о тибетских респа и даже о нацистских опытах по замораживанию людей. 

Рис. 5. Алексей Юрьевич Катков

Одним из исполнителей этих уникальных работ был упомянутый выше Алексей Юрьевич Катков, ныне незаслуженно забытый. В советское время он настойчиво и планомерно изучал предельные возможности организма человека, в том числе и на предмет экстремальной холодоустойчивости. Работая на военных и Главкосмос, незадолго до своей трагической гибели на Эльбрусе, А.Ю. Катков провёл потрясающие эксперименты на добровольцах, которые смогли выдержать в климатической барокамере не то, чтобы предельные, а лучше сказать, запредельные условия. А именно:

1. будучи практически обнаженными, они в течение часа находились
2. при температуре ни много ни мало -60⁰С, а также
3. в разреженном воздухе, соответствующем высоте 7500 м над уровнем моря, и при этом

обдуваемые воздушным потоком каждые десять минут от двухметрового вентилятора для удаления термоизоляционной воздушной прослойки между телом и окружающей средой. 

Рис. 6. Борис Коршунов

И они не просто выдерживают эти, на первый взгляд, убийственные условия, но и выживают без особых последствий для здоровья, поскольку многие участники тех запредельных испытаний живы и здравствуют поныне. Один из них - Борис Коршунов, известный среди покорителей горных вершин как человек-легенда советского альпинизма, семикратный Снежный барс. В течение многих лет он добровольно участвовал в экспериментах, проводимых Институтом медико-биологических проблем (Москва) по выживанию человека в экстремальных условиях. Удивительные люди, «кролики», как они сами себя называли, а фактически, «супермены» советской эпохи, которые были готовы подвергнуть себя испытаниям, просто за-ради любопытства. Предоставим же им слово, поскольку их рассказы – это практически все, что мы знаем об этих потрясающих опытах: «Много было исследований для выявления резервов человеческого организма. Расскажу об одном из экспериментов, который проводился в году в 1977 или 1978, точно не помню. Я был в той команде из 6 испытуемых… Задача – проверить организм человека на выживаемость при крайне низкой температуре и большой высоте. Нас помещали в барокамеру (высота 7500 м) при температуре – 60⁰С, голыми, на один час… Тепло одетая девушка-врач сидела с нами, фиксировала наши данные. Мы голые сидели в самолетных креслах, и при – 60⁰С все волосы на теле, какой бы длины они ни были, вставали дыбом - понятно, что при этом у поверхности тела образовывался промежуточный слой с более высокой температурой. Тогда врач, которая за нами наблюдала, предложила: в камере включать вентилятор два метра в диаметре каждые 10 минут для того, чтобы сдувать этот промежуточный слой. Надо сказать, что вот тогда нам пришлось очень тяжко при –60⁰С и при вентиляторе в течение часа...»

Это интервью появилось на одном из сайтов, посвященных истории российского альпинизма, и мы перепечатываем его здесь почти полностью, поскольку все численные результаты этих уникальных экспериментов достались военным и вряд ли в ближайшее время станут доступными для более подробного ознакомления. Тем не менее, кое-что посчитать возможно. А для этого сделаем небольшой экскурс в количественную физиологию терморегуляции теплокровного организма. В этом нам помогут уникальные разработки новосибирских теплофизиков (под руководством доктора технических наук Александра Васильевича Чичиндаева) в области компьютерного моделирования системы термостабилизации человека, позволяющие замещать эксперименты над «кроликами» виртуальными опытами над виртуальным же человеком.

Как мы остываем?

Считается, что при низких температурах человеческое тело остывает также, как любое неодушевленное физическое тело, то есть примерно, как труп. При этих допущениях теплообмен животного организма не представляет каких-либо трудностей для приближенного расчета. Известно, что теплоотдача обнаженного тела в состоянии относительного покоя сводится к теплопроведению (конвекции), испарению через потоотделение и тепловому излучению. Потоотделение на морозе приостанавливается, и из теплового баланса на морозе его можно исключить. Тогда потери тепла в условиях холода будут описываться суммой теплоотдачи с поверхности тела за счет конвекции и излучения. Иными словами, организм остывает, нагревая окружающий воздух теплом тела за счет разности температуры с окружающим воздухом и излучая тепло в инфракрасном диапазоне. Аналитические выражения (формулы), по которым можно количественно оценить потери тепла на холоде, хорошо известны. Первый закон, описывающий потери тепла за счет проведения, – закон охлаждения Ньютона. Этот эмпирический закон, установленный на основании лабораторных опытов Ньютона, гласит, что скорость охлаждения тела, более нагретого, чем окружающая его среда, прямо пропорциональна площади поверхности этого тела и разнице температур тела и окружающей среды: 

H = C·S (T - T_в),

где H - скорость теплоотдачи в ккал/час, T - температура тела (37⁰С или 273 + 37 = 310 К (градусов Кельвина)), T_в – температура окружающей среды (273 – 60 = 213 К), S – площадь поверхности тела (для среднестатистического взрослого человека ее принимают за 1.8 м²), C – коэффициент теплоотдачи (для тела человека это примерно 4 Вт/м²·К). Тогда искомая теплоотдача конвекцией в таких условиях составит по приблизительной оценке 700 Вт или 600 ккал/час.

Теплопотери излучением вычисляются по закону Стефана-Больцмана:

Р = σ·ε·S·(Т_к⁴ – Т_в⁴),

где Р – теплота, теряемая человеком посредством излучения при взаимодействии с окружающей средой, Т_к – средневзвешенная температура кожи, которую примем на нижнем пороге переносимости человеком в 20⁰С, σ – постоянная Стефана-Больцмана, равная 5.7·10^-8 Вт/м²К⁴, ε – поправочный коэффициент для кожи белого человека, равный приблизительно 0.55 (для абсолютно черного тела ε = 1). Тогда теплоотдача обнаженного человека излучением в течение часа при минус 60⁰С будет равна приблизительно 300 Вт или 250 ккал/час.

Итого, суммарные теплопотери за один час (H+P) обнаженного человека в рассматриваемых условиях составят приблизительно 1000 Вт или 860 ккал/час.

В большинстве учебников физиологии в этом разделе проговаривают еще теплопотери для нагревания вдыхаемого воздуха. Однако точный расчет количества тепла, необходимого для нагревания объема одного вдоха, дает поразительно малые величины. Так, для нагрева 0.5 лвоздуха, составляющего средний объем вдоха, с минус 60⁰С до плюс 35⁰С потребуется всего 15 калорий или 0.015 килокалорий. Для нагрева в течение одного часа соответствующего объема воздуха, который в течение того же самого часа составит примерно500 л, потребуется всего 15 ккал, что дает всего полтора процента от суммарной теплоотдачи в 860 ккал/час. Причина – чрезвычайно малая удельная теплоемкость воздуха: всего 0.241 ккал/кг∙К. Для желающих поупражняться в простейших теплофизических расчетах напомню базовое аналитическое выражение (формулу), применяемую при вычислении количества тепла, необходимого для нагревания тела (или газа) данной массы до заданной температуры:

Q = c m ΔТ

где Q – количество тепла (в ккал), c – коэффициент пропорциональности (удельная теплоемкость в ккал/кг∙К), m – масса в кг, ΔТ – изменение температуры (в градусах Кельвина К), происходящее в результате подвода к телу количества тепла Q.

Как мы греемся?

Принципиально эти теплопотери должны быть скомпенсированы теплопродукцией, иначе наши герои просто не выжили бы в этих запредельных условиях. Согласно общепринятым представлениям тепло производят практически все клетки организма. Строго говоря, общим энергетическим источником всей совокупности тепловыделения служит энтальпия окислительных процессов, составляющих суть дыхания. И хотя теплообразование идет практически во всем теле, но считается, что для поддержания постоянства температуры любого теплокровного организма дополнительное тепло может быть выработано

1)                     скелетными мышцами путем произвольного и непроизвольного сокращения (так называемая холодовая дрожь) – сократительный термогенез, который порождает до 800 Вт;

2)                     за счет усиления внутренних тепловыделений, не связанных с сокращениями мышц – несократительный термогенез, что составляет примерно 400 Вт.

Причем в некоторых монографиях, в частности в отечественных работах, утверждается, что несократительный термогенез, помимо тепловыделений во внутренних органах, также включает в себя неощущаемую дрожь, то есть осуществляется в основном за счет тех же скелетных мышц. Эти источники тепла должны компенсировать теплопотери обнаженного человека в условиях холода, чтобы не допустить охлаждения так называемого «ядра» тела ниже плюс 35⁰С.

Тогда, если мы суммируем сократительный и несократительный термогенез, то получим 1200 Вт или примерно 1000 ккал/час, что как раз ненамного превосходит теплоотдачу организма человека при температуре минус 60⁰С в течение одного часа.

Иными словами, при приближенных вычислениях всё сходится с точностью до принятых допущений. Тогда получается, что никакого «чуда» тибетские монахи не демонстрируют, и адаптированный к холоду человек безо всякой многолетней буддийской медитации принципиально может выдержать эти предельные условия и, собственно говоря, именно поэтому и не «околевает» от такого, на первый взгляд, убийственного холода.

«Гвозди бы делать из этих людей – крепче бы не было в мире гвоздей» 

Однако А.Ю. Катков не останавливается на достигнутом и незадолго до своей гибели значительно усложняет условия испытаний. Более того, в запредельных опытах, которые когда-либо проводились в полевых условиях с научными целями… на добровольцах, он встает рядом с ними. К сожалению, на сегодняшний день мы имеем только непрофессиональное описание этих уникальных экспериментов в уже упомянутом интервью Бориса Коршунова. Вот его краткое изложение:

В начале ноября, они взошли на Эльбрус, практически без одежды (в одной болоньевой куртке) при ураганных ветрах со снегом, который пробивал палатку насквозь так, что за ночь она вся набивалась снегом. Всего провели две такие ночевки. Огонь использовать не разрешалось, сухие зерна овса (выданные в качестве сухого пайка и строго рассчитанные по величине физических нагрузок в ккал за двое суток) засыпáли снегом в пластиковых коробках, которые держали в плавках, чтобы утром съесть оттаявшую и размокшую «кашу». Вечером надо было выпить сырое яйцо. Яйца на морозе превратились в ледышки, и их также пришлось полночи «разогревать» во рту, чтобы хоть как-то отправить яичный белок в желудок…

Если читатель думает, что здесь какое-то преувеличение, что этого никак не может быть, что это какие-то альпинистские байки, то могу вас заверить: на самом деле, все было еще экстремальнее. Более того, наши испытатели прекрасно осознавали, на что они идут, фактически кладя свои жизни на алтарь науки. Рассказывает Борис Коршунов: «Давались ли нам какие-нибудь гарантии в случае потери здоровья во время экспериментов? Нет. Каждый из нас подписывал бумагу, сформулированную в очень обтекаемой форме - в любых вариантах, как нам объяснил юрист, при предъявлении наших претензий возместить ущерб здоровью как следствие эксперимента, ничего бы не вышло. Мы все официально находились на больничных листах, и там стоял такой диагноз, что даже медики с громадным опытом не могли понять, о чем именно речь». Истинные мотивы этих самоотверженных людей кратко и точно выразил тот же Б. Коршунов: «Мне, к примеру, было крайне интересно, на какой скотине я езжу. Хотелось знать свою границу возможностей».

Количественная оценка теплопотерь при этом эксперименте практически невозможна, поскольку мы не располагаем какими-либо протоколами этих испытаний пределов человеческой холодоустойчивости. Одно можно сказать совершенно точно, если бы результаты этих испытаний были опубликованы, то многие положения современной физиологии терморегуляции пришлось бы пересмотреть, но об этом чуть позже.

Второе начало термодинамики или почему «оболочка» не может согреть «ядро» 

В 1850 году профессор Берлинского университета Рудольф Юлиус Иммануил Клаузиус формулирует один из фундаментальных законов природы, просто обобщив наблюдаемые явления передачи тепла:

 «Различные соображения, касающиеся природы и поведения теплоты, привели меня к убеждению, что проявляющееся при теплопроводности и обыкновенном излучении тепла стремление теплоты переходить от более теплых тел к более холодным, выравнивая таким образом существующие разницы температур, связано так тесно с самой ее сущностью, что оно должно иметь силу при всех обстоятельствах. Поэтому я выдвинул в качестве принципа следующее предложение

Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому»

Последнее положение больше известно под названием Второго начала термодинамики в изначальной формулировке Клаузиуса, и оно приведено здесь в виде дословной цитаты именно для того, чтобы показать, как этот постулат Клаузиуса игнорируется в большинстве работ по физиологии терморегуляции теплокровного организма.

Дело в том, что постоянство относительно повышенной температуры у теплокровных (гомойотермных) животных распространяется только на так называемое «ядро» тела, окруженное «оболочкой» периферических тканей, температура которых ниже и в бóльшей степени зависит от окружающей среды. Иными словами, наша «оболочка» остывает так же, как и у хладнокровных (пойкилотермных) животных. Деление тела на «ядро» и «оболочку» несколько грубовато, но очень полезно для некоторых качественных и отчасти количественных оценок механизмов терморегуляции. Прошу взглянуть на известные рисунки, иллюстрирующие соотношение гомойотермного «ядра» тела с постоянной температурой 37⁰С и его пойкилотермной «оболочки», температура которой меняется в зависимости от внешней температуры.

Рис. 7. Температура различных областей тела человека в условиях холода (а) и тепла (б). Заштрихованная область – «ядро» тела.

Легко видеть, что в условиях холода практически вся скелетная мускулатура находится в области с пониженной температурой, соответственно вектор теплопередачи может быть направлен только от «ядра» тела наружу, но никак не наоборот. Согласно только что приведенному в наиболее простой форме второму началу термодинамики ВСЯ теплопродукция мышц должна идти на разогрев "холодильника", то есть внешней среды, но не "ядра" тела. Иными словами, сколько бы тепла мышцы не производили, согреть внутренние органы они смогут только при наличии теплоизоляционной наружной прослойки. Это может быть мех, шерсть, или теплая одежда из той же шерсти или меха, которые создают теплоизолирующий слой воздуха вокруг тела и возвращают тепло внутрь организма. Для обнаженного человека всё тепло, производимое скелетными мышцами, будет уходить на обогрев окружающей среды, но никак не на согревание «ядра» тела. Организм, конечно, пытается поднять весь имеющийся волосяной покров напряжением специализированных подкожных мышц, поднимающих волос, что на латыни значится как «пилоэрекция». На бытовом языке мы называем это явление «гусиной кожей». Однако пилоэрекция  не более чем атавистическая рефлекторная реакция организма, когда-то имевшего меховой покров. Генетически заданный безусловный рефлекс продолжает работать, но волос у нас на теле явно недостаточно, чтобы обеспечить эффективную задержку теплоизолирующей воздушной прослойки непосредственно у тела. Более того, даже легкий ветерок практически мгновенно сдувает эту эфемерную теплозащиту.

Так каким же образом скелетные мышцы человека участвуют в терморегуляции "ядра" тела? И можем ли мы суммировать теплопродукцию в мышцах с внутренними тепловыделениями ядра тела при экспонировании его на морозе? С учетом второго начала термодинамики, задающего направление теплопередачи от тепла к холоду, мы должны дать отрицательный ответ на этот вопрос. Сократительный термогенез в мышцах может быть сколько-нибудь эффективен только при наличии теплоизоляции (мех, шерсть, теплая одежда). Именно поэтому известные канадские исследователи холодоустойчивости человека, А. Бартон и О. Эдхолм, авторы классического труда с титульным названием «Человек в условиях холода» называют температуру окружающей среды всего в плюс два градуса Цельсия абсолютно смертельной для обнаженного человека.

Гомойотермия это не только теплокровность

Самое интересное, что впервые способность мышц производить тепло была зафиксирована на изолированных мышцах лягушки, т. е. типичного хладнокровного животного, и собственно до сих пор количественные соотношения между слагаемыми теплопродукции известны только для мышц земноводных. И хотя неизвестно, насколько они приложимы к мышцам теплокровных животных, в большинстве работ по физиологии терморегуляции подразумевается универсальность этих отношений. Соответственно, после того, как в 1949 году английский физиолог Арчибальд Вивиен Хилл (удостоенный в 1922 году Нобелевской премии «за открытия в области теплообразования в мышце»)  нашел, что теплопродукция одиночного сокращения портняжной мышцы лягушки составляет 3 мкал/г, именно эта величина в научной литературе стала фигурировать как энергетическая константа одиночного мышечного сокращения, свойственная всем остальным животным, включая человека.

Однако способность мышц лягушки рассеивать энергию в виде тепла (диссипация) никоим образом не делает лягушку теплокровным животным. Большинство летающих насекомых также способны продуцировать достаточное количество тепла за счет сокращений летательных мышц. К примеру, шмель первым среди медоносов отправляется на сбор нектара, поскольку его известная мохнатость позволяет лучше сохранять вырабатываемое летательными мышцами тепло. А бабочка ванесса, размахивая крыльями, даже в прохладную погоду, при температуре всего лишь в 10⁰С, за несколько минут умудряется согреться до 35⁰С, а во время полета ее температура достигает 37⁰С, совсем как у теплокровных. Но это опять-таки не делает их всех истинными теплокровными, способным поддерживать постоянную температуру тела – то, что и называется гомойотермией.

Собственно суть гомойотермии состоит не в том, что мышцы теплокровных животных производят тепла больше, чем мышцы лягушки, но в принципиально иной схеме реагирования на изменения температуры окружающей среды. У холоднокровных животных при повышении температуры окружающей среды обмен веществ возрастает за счет ускорения химических реакций. При понижении температуры среды обмен веществ падает, и активность животного уменьшается, вплоть до полного анабиоза. Именно поэтому Вы можете безбоязненно засунуть свою голову в пасть крокодилу при условии, что предварительно его (крокодила) часа три продержат в холодильнике. Но стоит только крокодилу отогреться, и он без колебаний оторвет Вам голову.

Совсем иная реакция метаболизма у теплокровных животных и человека: при повышении температуры среды обмен веществ у них должен снижаться, а при понижении температуры окружающей среды обмен веществ, наоборот, увеличивается для соответственно бóльшей выработки тепла и поддержания требуемого постоянства теплосодержания «ядра» тела. Вопрос только в источнике этого дополнительного тепла, который в большинстве работ по физиологии терморегуляции принято связывать с мышечным термогенезом, как сократительным, так и несократительным («неощущаемая» дрожь).

Но тогда опять же получается, что именно периферия («оболочка») вносит основной вклад в согревание «ядра», и  кровь, притекающая к мышцам из «ядра» должна иметь более низкую температуру, чем в мышцах, для того, чтобы там согреваться. После чего нагретая в мышцах кровь, опять таки не отдавая тепло в окружающее пространство, "бережно" понесет мышечное тепло внутрь «ядра» тела. Последнее просто противоречит второму началу термодинамики как одному из фундаментальных законов природы. Иными словами, этого не может быть, потому что этого не может быть никогда. Мышечная и соединительнотканная "оболочка" принципиально не могут согревать "ядро" и, в лучшем случае, выполняют роль теплоизолятора. Для этого и предусмотрены сосудодвигательные реакции холодовой адаптации, резко снижающие периферийное кровоснабжение, что и в самом деле значительно снижает теплоотдачу. Однако для нашего случая, то есть для обнаженного человека, выставленного на мороз с пронизывающим ветром, «голая оболочка»  – явно плохой теплоизолятор.

Тогда, если что и может согреть «ядро» тела человека, то этот источник может находиться только глубоко внутри тела. В качестве возможных претендентов на эту роль – главного органа внутренней теплопродукции – довольно часто называют в порядке очередности: печень, кишечник, бурый жир. Однако прикидочные расчеты не оставляют никаких надежд на то, чтобы считать количество тепла, вырабатываемое в этих органах, достаточным для покрытия теплопотерь обнаженного человека в условиях пронизывающего холода. Температура в печени действительно на два-три градуса больше, но этим же и ограничивается тепловой напор, необходимый для нагревания "ядра" тела. Иными словами, слишком мала разница температур внутри и вне органа. Такое же возражение может быть выдвинуто и в отношении теплопродукции в кишечнике. Приблизительные расчеты доказывают, что тепловыделение из одной только брюшной полости явно недостаточно для поддержания гомойотермии, особенно при ­ 60⁰С…

Так мало бурого жира

Не годится на эту роль и бурый жир. На протяжении последних 50 лет появилось большое число сообщений, так или иначе касающихся чрезвычайно высокой терморегуляторной активности бурой жировой ткани. И действительно, бурый жир в заметных количествах встречается только у млекопитающих, и представляет собой разбросанные по организму скопления жировых клеток бурого цвета. В отличие от обычного белого жира, который окисляется в печени, бурый жир окисляет свои составные части сам, тут же, на месте и практически вся энергия окисления идет на образование тепла. Бурый цвет он имеет на разрезе из-за обилия митохондрий, в которых и происходит интенсивное окисление жиров с выделением большого количества тепла. Именно бурый жир позволяет плавать животным в холодных морях, а так же выживать в условиях зимней спячки. Более того, довольно большие скопления бурого жира спасают детенышей млекопитающих от переохлаждения вследствие резкой смены температур при рождении. Этот же механизм недрожательного термогенеза в бурой жировой ткани найден и у человеческих новорожденных. К сожалению, у взрослого человека относительная масса бурой жировой ткани составляет едва ли 1% от массы тела, и точный расчет максимально возможного вклада теплообразования из бурого жира доказывает, что даже прямое его сжигание не согреет тело человека массой в 70 кг более чем на полградуса. Если же исходить из предельно допустимой внутриклеточной температуры в 42⁰С, то диффузия тепла от имеющегося бурого жира сможет повысить температуру всего тела едва на 0,05⁰С. Очевидно, для организма человека и бурый жир не может рассматриваться как эффективный источник тепла для защиты от холода. 

Однако запомним эту замечательную способность жиров служить потенциальным субстратом для прямой теплопродукции у млекопитающих, поскольку мы уже подошли к кульминации нашего повествования.

А вместо легких пламенный мотор

В 1960 году в издательстве Академии Наук СССР выходит монография отечественного биофизика австрийского происхождения, старшего научного сотрудника Института биофизики АН СССР, Карла Сигизмундовича Тринчера под весьма замысловатым, на первый взгляд, названием «Теплообразовательная функция и щелочность реакции легочной ткани». Опасения автора, давшего своей монографии несколько завуалированное название, были не беспочвенны. Хорошо известна роль дыхательных путей и легких в охлаждении перегретого собственным теплом гомойотермного организма. Ближайший пример – легко наблюдаемое у домашней собаки в жару частое дыхание с высунутым до земли языком, что и спасает от перегрева одетое в собственную шубу животное, лишенное потовых желез. Но вот участие легких в теплопродукции – явление, фактически открытое К.С. Тринчером, – игнорируется в современной физиологии до сих пор. 

Рис.8. Карл Сигизмундович Тринчер (1910-1997)

Тем не менее, исследуя судьбу жиров, поступивших в организм теплокровных животных, К.С. Тринчер останавливается на давно известном в экспериментальной физиологии факте исчезновения жиров из крови при прохождении оной через легкие, то есть в малом круге кровообращения. Это открытие было сделано теперь уже почти 100 лет  назад французскими физиологами Л. Бине и М. Роже. И с тех пор был накоплен огромный экспериментальный материал и уточнено, какие именно жиры, жирные кислоты и жирообразные вещества (включая и холестерин!) окисляются в легких. Заинтересованный читатель сможет ознакомиться с этим вопросом в короткой заметке самого К.С. Тринчера, опубликованной в славном журнале «Химия и жизнь» (№1, январь, 1973) под названием «Мороз горячит кровь (термостатирующая функция легких)». Это была практически последняя попытка отчаявшегося ученого обратить внимание академической общественности на найденные им доказательства прямого неферментативного окисления жиров в легочных альвеолах, которое он в последних работах уже на родном немецком языке, будучи профессором Венского университета, называл прямым словом Fettverbrennung ‘сжигание жира’. И в самом деле, как еще можно назвать окисление жиров крови внутри альвеолярного пузырька (конечной терминали дыхательных путей) до углекислого газа и воды, выделяемых с выдыхаемым воздухом как конечные продукты? Но не будем углубляться в академические споры и интриги, фактически похоронившие эти интереснейшие разработки отечественной биофизики, а просто примем их как наиболее приемлемый механизм поддержания постоянства температуры «ядра» теплокровного животного, собственно, гомойотермии.

И в самом деле, именно легкие как полый орган, через который за короткое время проходит вся масса циркулирующей крови, наилучший претендент для поддержания температурного гомеостазиса – постоянства теплосодержания «ядра» тела гомойотермного организма. В условиях жары легкие будут охлаждать кровь, а в условиях холода, наоборот, согревать ее как главный теплообменник внутренней среды теплокровного организма. Существенное отличие легких как главного органа теплопродукции состоит еще и в том, что в легочном пузырьке (внутри альвеолы) нет физико-химического запрета на превышение предельно допустимой температуры внутриклеточных окислений (не более 42⁰С – температуры сворачивания белка).

Более того, на этом «чудеса теплотворности» организма человека не заканчиваются. Природа оказалась очень мудрым исполнителем второго начала термодинамики. Она вложила в организм человека дополнительный механизм, называемый в науке сухо как «гемодинамическая терморегуляция организма». Его суть проста: нагретая в малом круге кровообращения (в легких) кровь, как «подогретый» жидкий теплоноситель, подается в «оболочку» тела для ее немедленного подогрева, препятствующего преждевременному «окоченению» конечностей теплокровного животного. Другими словами «ядро» - не только заботится о сохранении себя, но и спасает «оболочку» от преждевременной смерти. Мощность такого источника тепла – «спасителя от холода», должна значительно превосходить  обычно упоминаемые в этой связи сократительный и несократительный термогенез.

А как же туммо?

Вот теперь мы можем вернуться к таинственной практике тибетских йогов, поскольку ответ на вопрос, что же согревает кровь на морозе, уже фактически изложен.

Именно эта недыхательная функция легких и позволяет нам свободно дышать на лютом морозе, поскольку холодный воздух согревается одновременно с кровью за счет внутрилегочных окислений жиров, выделяющих тепло, углекислый газ и воду, которую мы и видим на морозе в виде привычных клубов пара.

Впрочем, главный научный результат К.С. Тринчера, даже не в том, что он теоретически и экспериментально доказал факт неферментативного окисления жиров в легких, но в нахождении условий, вызывающих этот процесс: 

Рис. 9. Схема легочного термогенеза по К.С. Тринчеру (1991)

Впрочем, наиболее существенный из научных результатов К.С. Тринчера состоит  даже не в том, что он теоретически и экспериментально доказал факт неферментативного окисления жиров в легких, но в нахождении условий, вызывающих этот процесс. Обнаружив при острой кровопотере у экспериментальных животных повышение температуры внутри легких, К.С. Тринчер перечисляет и находит экспериментальные подтверждения прочих условий, при которых запускается внутрилегочный термогенез (см. Рис. 9).   

В установлении такого рода закономерностей и заключается главная задача науки. Когда явления, на первый взгляд, никак не связанные друг с другом, оказываются объединенными в одной новой, доселе неизвестной закономерности, в данном случае описываемой всего одним словом – гипоксия, или пониженное содержание кислорода. Точнее сказать, гипоксемия – пониженное содержание кислорода в крови – запускает термогенез в легких не только на холоде, когда гипоксемический сигнал порождается спазмом периферических сосудов (сосудодвигательная часть адаптации к холоду), но и во время физической работы, когда мышцы, активно потребляющие кислород из крови, быстро создают все тот же самый гипоксемический сигнал, запускающий все тот же процесс теплопродукции в легких. И, к примеру, разогретые до пота, мы скидываем одежду на морозе, чтобы удобнее было колоть дрова. На всякий случай повторим еще раз: мышечный (сократительный) термогенез, на первый взгляд, ответственный за повышенную теплопродукцию во время интенсивной физической нагрузки, отправляет все вырабатываемое тепло на обогрев окружающего морозного воздуха, но никак не внутреннего «ядра» тела. А вот вызванный рабочей гипоксией термогенез в легких разогревает нас в любых условиях - и на холоде, и тем более в жару.

Туммо в режиме автоэксперимента

Вооружившись вышеизложенными сведениями, разобраться в таинственной практике туммо теперь уже становится возможным без привлечения тибетских учителей.

Рис. 10. Слева направо: Иванов А.И., Минвалеев Р.С., Архипова И.В., Справа налево: Демин А.В., Васильев А.К.

Для решения этой задачи был создан неформальный научный коллектив (Рис. 10), в котором каждый участник вносит свой вклад в разработку нового метода повышения холодоустойчивости. Развивая термодинамический подход К.С. Тринчера, питерский математик Анатолий Иванович Иванов (научная школа проф. Вл.И. Зубова) создает термодинамическую модель легочного термогенеза, из которой следует, что с понижением температуры окружающей среды, температура в легких, как главном органе теплопродукции, может значительно возрастать. Физиолог Артём Валерьевич Дёмин, нынешний научный сотрудник Института медико-биологических проблем (Москва), ранее изучавший специфическое динамическое действие барсучьего жира и легочный термогенез при пищевых нагрузках, на свои средства организует переводы индийских и тибетских текстов закрытых традиций, посвященных йоге внутреннего огня. Переводы, выполненные востоковедом и биофизиком по первому образованию Алексеем Константиновичем Васильевым, позволили в деталях освоить набор физических и дыхательных упражнений, необходимых для значительного увеличения собственной теплопродукции.

В сочетании с вновь найденными результатами математик А.И. Иванов и автор этих строк достигают такого управления собственной теплопродукцией, что 31 января 2007 года в Токсово под Санкт-Петербургом при температуре –20⁰С высушивают на себе мокрые простыни, повторив тибетские испытания на холодоустойчивость, описанные Александрой Давид-Неэль. Уникальный эксперимент фиксирует на видео съемочная группа киностудии исторического фильма «Фараон» во главе с Ириной Владимировной Архиповой. Она же организует две научноисследовательские экспедиции в рамках авторского проекта «В поисках утраченных знаний», направленного на поддержку отечественной науки. Первая, посвященная памяти проф. Вл.И.Зубова, отправляется на Эльбрус в июле 2007 года, вторая - в Гималаи в мае 2008 года. Мы изучили, как высотная гипоксия и практика повышения теплопродукции влияют на липидный профиль крови. У всех испытуемых с подъемом на высоту, при постоянной практике повышения теплопродукции, снижался уровень атерогенных жиров и холестерина. Кроме того, у них резко уменьшалось содержание в крови главного стрессового гормона кортизола. Это подтверждает, что такой метод повышения холодоустойчивости не включает механизмы стрессовой адаптации.

На весну 2009 года запланирована очередная экспедиция в Гималаи, где мы все же надеемся найти хотя бы одного монаха, владеющего туммо, для проведения совместных испытаний по наработанным протоколам.

Все больше убеждаемся, что легендарная практика туммо - это не чудо, но выработанный веками метод противостояния холоду, который вполне может быть применен для значительного повышения холодоустойчивости лиц опасных профессий (военных, сотрудников МЧС, альпинистов). Да и лечебные эффекты почти забытых ныне горных санаториев в свете наших исследований приобретают весьма интересные перспективы для лечения и профилактики таких серьезнейших заболеваний как атеросклероз и даже туберкулез, о чем мечтал еще К.С. Тринчер, когда пытался достучаться до отечественных фтизиаторов… Но это уже совсем другая история.

Что почитать: 

1. Давид-Неэль Александра. Магия и тайна Тибета. Перев. с англ. В.Ковальчук. – К.: «София», 2003; М.: «София», 2003.
2. Бартон А., Элхолм О. Человек в условиях холода // Пер. с англ. – М.: Издательство научной литературы, 1957.
3. Тринчер К.С. Теплообразовательная функция и щелочность реакции легочной ткани. – М.: Изд-во АН СССР, 1960.
4. Иванов А.И., Савельев Е.В. Математическая модель термогенной функции легких в условиях низких температур. Термодинамический подход. // Спортивна медицина (Украина), 2008, №1, с. 170-173.