Фрэнсис Эшкрофт - На грани возможного: Наука выживания

Переключение с кислородной регуляции дыхания на углекислотную не всегда протекает гладко и может приводить к «скачкам» и перепадам, как бывает в плохо отрегулированной отопительной системе. При этом человек то дышит, то не дышит, пугаясь сам и пугая тех, кто рядом. Чаще всего это происходит ночью. Объясняются такие перепады тем, что учащенное дыхание, вызванное низким содержанием кислорода в воздухе, приводит к повышенному сбрасыванию углекислого газа легкими, и дыхание останавливается. Затем в течение какого-то времени углекислый газ снова накапливается в крови, снимая блокировку, и одновременно возрастает потребность в кислороде. Задержку дыхания прерывает резкое заглатывание воздуха – иногда настолько резкое, что человек просыпается, и весь цикл идет по следующему кругу. Эти постоянные пробуждения очень затрудняют существование на высоте, поэтому у альпинистов выработался принцип: «Лезь повыше, спи пониже».

Сокращение доли кислорода в крови, вызванное учащенным дыханием, приводит к уменьшению водородного показателя крови («уменьшению кислотности крови», «увеличению pH крови» или «увеличению щелочности крови», другими словами). Происходит это потому, что углекислый газ соединяется с водой, образуя двууглекислую соль и ионы водорода, а в качестве катализатора реакции выступает фермент под названием карбоангидраза. Предполагают, что частота дыхания регулируется именно ионами водорода, получаемыми в результате этой реакции, а не собственно углекислым газом. Хеморецепторы, улавливающие изменение содержания ионов водорода, расположены в основании головного мозга, на участке под названием «продолговатый мозг».

Почему же человеческое дыхание регулируется прежде всего углекислым газом, а не кислородом? Скорее всего потому, что наш организм развивался в процессе эволюции в основном на уровне моря, и люди очень редко забирались в высокогорье. На уровне моря кислорода в легкие поступает гораздо больше, чем требуется, даже при сильно затрудненном дыхании. С другой стороны, частота дыхания очень сильно влияет на содержание углекислого газа в легких и тканях, и крайне важно, чтобы она соответствовала содержанию газа в организме. Поэтому главным регулятором дыхания выступает именно углекислый газ.

Акклиматизация

Когда человек только попадает на большую высоту, дыхание сперва учащается незначительно, однако уже через неделю или около того учащение станет более ощутимым, а через две-три недели превысит норму в пять-семь раз. Это повторное учащение дыхания – самый важный аспект адаптации к высокогорным условиям, оно определяет, как высоко человек сможет забраться. Чем чаще и глубже мы дышим, тем больше поглощаем кислорода и тем выше можем подняться.

В результате акклиматизации снимается блокировка дыхания, вызываемая снижением количества углекислого газа в крови и сопутствующим уменьшением кислотности крови. В этом случае, конечно, необходимо восстановление кислотности крови, и этим занимаются почки{7}. Несмотря на то что данная функция почек несомненно важна для долговременной акклиматизации, этого недостаточно, поскольку процесс протекает слишком медленно, и воздействие ее слишком незначительно, чтобы вызвать учащение дыхания сразу при попадании на высоту. Значит, должен происходить еще какой-то дополнительный (но пока не изученный) процесс (наблюдается как повышенная чувствительность каротидных телец к низкому содержанию кислорода, так и постепенное восстановление кислотности жидкости, окружающей центральные хеморецепторы мозга){8}. Кажется удивительным, что механизм, ответственный за столь важное явление, как повторное учащение дыхания, до сих пор окончательно не изучен. Тем не менее он дает физиологам отличный повод покорять горные вершины и заниматься его изучением вплотную.

Гемоглобин – это глобулярная молекула, состоящая из четырех субъединиц. Каждая из этих субъединиц, в свою очередь, состоит из молекул гема, связанных с полипептидной цепью. В центре гемового кольца находится атом железа, к которому присоединяется кислород. Именно гем отвечает за цвет крови. Гемоглобин, связанный с кислородом (оксигемоглобин), – ярко-алого цвета. Он же обеспечивает алую окраску артериальной крови и румянец на светлой коже представителей белой расы. Дезоксигемоглобин – темно-багрового цвета, характерного для венозной крови. Этот цвет еще называют «циан» – отсюда «цианоз» – медицинский термин, которым обозначают посинение губ и ногтей у тех, кто страдает от недостатка кислорода в крови. Коричневый цвет запекшейся крови и лежалому мясу придает метгемоглобин. Это окисленный гемоглобин (не путать с оксигемоглобином). Он возникает, когда атом железа в центре молекулы гемоглобина окисляется, переходя из закиси железа (Fe2+) в окись (Fe3+), не способную присоединять кислород. Красные кровяные тельца содержат фермент, преобразующий небольшое количество спонтанно формирующегося метгемоглобина обратно в нормальную форму гемоглобина. Ярко-вишневый цвет крови – признак отравления угарным газом, когда молекулы угарного газа замещают пространство в центре молекулы гемоглобина, отведенное под кислород. Плохо отрегулированные газовые приборы, выделяющие угарный газ, могут значительно понизить или даже блокировать способность крови переносить кислород. В таком случае единственное средство помощи – дать больному подышать чистым кислородом. Еще лучше поместить его в гипербарическую камеру, где под давлением в три атмосферы в крови растворится достаточное количество кислорода для поддержания жизнедеятельности, пока угарный газ не отпустит молекулы гемоглобина. Поскольку кислород крайне пожароопасен, сама камера заполнена воздухом, а кислород больному подается через маску.

Гемоглобин – довольно знаменитая в истории науки молекула, неоднократная получавшая титул «первой». Его в числе первых удалось кристаллизовать, точно определить молекулярный вес и выявить особую физиологическую функцию (транспортировка кислорода). Кроме того, именно у гемоглобина удалось первым среди белков определить трехмерную структуру – с помощью рентгеновского анализа кристалла гемоглобина, проведенного Максом Перуцем в 1959 г.

В гипервентиляции и надо искать ответ на вопрос, как акклиматизированному альпинисту удается выжить на вершине Эвереста без дополнительного кислорода. Как подметил Райнхольд Месснер, достигнув вершины, он «весь был одно большое судорожно дышащее легкое». При учащенном дыхании стравливается больше углекислого газа, уменьшая тем самым парциальное давление CO2 в легких и высвобождая больше места для кислорода. Установлено, что у самых опытных альпинистов по мере подъема парциальное давление углекислого газа в легких падает очень значительно – на вершине Эвереста оно составляет всего 10 торр (по сравнению с 40 торрами на уровне моря). Однако не у всех получается достаточно акклиматизироваться и обеспечить такое разительное учащение дыхания, чтобы настолько снизить уровень углекислого газа, и далеко не каждый способен выдержать сопутствующий спад кислотности крови. Этим людям никогда не добраться до вершины, поскольку при невозможности сбрасывать лишний углекислый газ в легких не высвободится достаточного пространства под кислород. Даже при успешном восхождении альпинисту требуется значительный период акклиматизации, чтобы организм приспособился к существованию при пониженном уровне углекислого газа.

Парциальное давление кислорода в легких хорошо акклиматизированного альпиниста, стоящего на вершине Эвереста, составляет около 36 торр – это практически предел для человеческого организма. Любопытное совпадение, но самая высокая на земле горная вершина является также самой высокой точкой, на которой человек способен выжить без дополнительных средств поддержания жизнедеятельности. Поскольку Эверест – это фактически максимальная отметка, которой мы способны достичь, даже незначительные колебания в атмосферном давлении, вызванные, например, сменой времен года, могут повлиять на успех бескислородного подъема.

Другой очевидный способ доставить больше кислорода к тканям – повысить транспортную способность крови. У некоторых животных кислород в крови переносится просто в растворе. Однако объем кислорода, который можно транспортировать таким способом, крайне мал, поэтому организм большинства животных (включая и человека) использует для этой цели молекулы белка. Поскольку белки эти обычно окрашены, их называют «дыхательными пигментами». У большинства млекопитающих за транспортировку кислорода отвечает гемоглобин. Он состоит из четырех одинаковых субъединиц, в центре каждой из которых находится атом железа. К нему с двух сторон цепляется по одной молекуле кислорода. Поскольку сам гемоглобин достаточно мал, чтобы просочиться через почечные фильтры в мочу, он заключен в эритроциты, которые за его счет и получают свой красный цвет. Красная моча – признак гемоглобинурии (если, конечно, вы не переели свеклы накануне).