实际上大脑“不工作”的时候消耗的能量并没有比“工作”的时候少多少。
神经系统主要的能量消耗在维持静息电位上,神经元的细胞膜传递神经冲动与否,实际上对神经元能量消耗的影响不大。
静息状态下,神经元膜上的钠钾转运蛋白不厌其烦的不断消耗能量,把钠搬运到膜外,把钾搬运到膜内,维持内钾外钠的离子浓度差。每运进两个钾离子就运出三个钠离子,钾离子和钠离子都相当于一个正电荷,这样细胞膜外正电荷多于细胞膜内,就产生了电势差。
这样,当神经元上受体被激动,神经冲动产生时,不用很麻烦很累,不耗费一点能量,直接开放钾离子通道和钠离子通道。
钾离子通道和钠离子通道开放,此时外侧的钠离子明显高于内侧,通道开放以后两的钠浓度会快速达到相同(然后还会“惯性”的达到短时间钠离子内多外少的情况),钠内流的过程只需要利用这个提前制造出来的势能。钾外流的情况也相似。这个区域的电势差也就会消除,与周边还有电势差的区域之间产生电流,进一步引起周边的电受体被激动。神经冲动就可以在一个神经元内部传递下去。
沿着轴突方向传递的神经冲动,最终会激动末端的突触释放递质,激动下一级神经元或激动肌肉 / 腺细胞等效应器细胞。
而在突触的位置,神经递质也是平时被合成,并储存在突触小泡内,神经冲动传到神经末梢诱发突触激活和抵制传递时,也只是开放了钙离子通道使突触小泡内早就储存好的神经递质被释放。
大部分能量都是平时合成时所消耗的,神经冲动经过突触与否对能量消耗的影响不大。
神经元输出的电子是从哪里源源不断获取的?
这些日常的过程已经消耗了大量的能量,即使是龙虾这样大脑只有针尖大小而不是人这样大脑占体重如此之大的动物,神经系统都消耗了大部分的能量。
此外,大脑内存在称为默认网络(Default Network)的系统。
默认网络在平时活跃,维持临时的记忆无法形成长期稳定的神经元连接,所以其对应的神经冲动在神经元之间不断循环,从而被维持下来,这些被称为工作记忆的结果使我们能够持续完成工作,而不会在完成一项工作时忘记刚刚做过哪些部分,这个系统平时吸引大量的供血,消耗大量的能量。
在我们休息的时候,乃至我们睡眠的时候,这个系统都在持续工作,如果这个系统不工作了,我们的意识就无法连续,就会出现意识丧失。
不论“人脑只开发了 10%”这种说法是怎么来的,大概都受到过这些基础知识的影响,在传播的过程中以讹传讹,魔改为“人脑只开发了 10%”。实际上,大脑全面放电的效果只会导致癫痫,而离开了上述这些基础的支持,神经系统也无法完成那些被我们人类认为是“高级、有意义”的工作。
此外,消化系统吸收营养的过程确实也是消耗了大量能量的。其中大部分较大分子需要通过细胞膜上专门识别的转运体转运出入肠壁细胞,否则大分子物质将会随意的进入动物的体细胞及血液内。这种转运过程通常都是需要能量的。虽然一部分转运体通过钠钾等离子浓度梯度协同运输,可以直接利用肠内的高离子浓度,但是大部分还是需要消耗 ATP 主动运送完成,此外分泌出消耗液内的酶和离子,也需要消耗能量。
不过这样仍然是最高效利用能量的方式之一了,大部分发电装置把燃料、动能、光转化为电的能量利用率,都要远低于动物把食物吸收并最终通过线粒体转化为 ATP 的利用率。
实际上,那些食物利用率更高的反刍动物,乃至把叶绿体养在肠道细胞内可以源源不断获得能量的绿叶海天牛,也没能发展出比人类占身体更大比例的神经系统。
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