Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
Ученые сумели выделять изотопы и создать азотсодержащие вещества с необыкновенно высоким содержанием азота15. Одним из таких веществ является глицин, который при добавлении в пищу усваивается организмом и включается во все белки, в том числе и в гемоглобин. Он может как включиться целиком в глобин, так и в виде фрагментов, содержащих атомы азота, в гемовую часть молекулы гемоглобина.
Ученый-экспериментатор может выяснить, включился ли глицин в гемоглобин. Для этого требуется выделить некоторое количество гемоглобина от крови (легко проделать), отделить атомы азота от молекул гемоглобина (тоже просто) и определить в них процентное содержание азота15. Последняя процедура уже не столь проста, она требует наличия сложного инструмента — масс-спектрометра, который измеряет массу отдельных атомов и может отличить более тяжелый атом азота15 от более легкого азота14. Если окажется, что молекула гемоглобина необыкновенно богата азотом15, самым простым объяснением этого явления будет то, что содержавшийся в пище глицин по крайней мере включился в гемоглобин.
Из-за того что это необычный изотоп, мы можем проследить за его переходом из одного вещества в другое, мы в состоянии определить его местонахождение и степень включения в те или иные вещества во время их химических превращений в живых тканях. Такие изотопы можно сравнить с ярким ярлычком, который позволяет нам легко отличить свою сумку или чемодан среди чужих вещей в багажном отделении, когда мы путешествуем по железной дороге. По этой причине вещества, содержащие различные изотопы, называются мечеными.
Теперь давайте выясним, как меченый глицин помогает определить срок жизни красной клетки. Допустим, в течение двух дней человек получает его с обычной пищей. У испытуемого через определенные промежутки берут анализ крови и проверяют гемоглобин на содержание азота15. Экскременты также анализируют на содержание этого изотопа. В течение недель в гемоглобине повышается содержание азота15, так как глицин медленно включается в молекулы гемоглобина. Причина такой медлительности кроется в том, что значительная часть глицина сначала попадает в другие белки и только после этого в гемоглобин.
После первых двух недель содержание азота15 в гемоглобине достигает своей высшей точки, после чего в течение трех месяцев или более остается неизменным. В то же время уровень азота15 в экскрементах остается стабильно низким. Это показывает, что красные клетки не расщепляются случайно, поскольку если бы это было так, то азот15 начал бы выводиться из организма сразу же после достижения пика своего содержания. Кроме того, в желчных пигментах накапливалось бы все больше и больше азота15, поскольку эти пигменты представляют собой расщепленные гемы. Они бы выводились из организма, и в экскрементах наблюдалось бы повышенное содержание азота15.
Однако ничего этого не происходит. Наоборот, после примерно ста двадцати дней стабильности наблюдается внезапное уменьшение содержания азота15 в гемоглобине и одновременно резкое увеличение его выделения из организма. Очевидно, прожив около четырех месяцев, красные клетки, образовавшиеся в то время, когда в организм вводили меченый глицин, начинают расщепляться более или менее одновременно.
Этот эксперимент позволил ученым сделать вывод, что средняя продолжительность жизни человеческой красной клетки равняется примерно ста двадцати пяти дням. Некоторые живут немного дольше, некоторые меньше, так же как и средняя продолжительность жизни людей равна семидесяти годам, но одни умирают молодыми, а другие живут до глубокой старости. Результаты, полученные при помощи изотопов, подтверждаются более ранними опытами с использованием менее точных методов. Научные выводы всегда бывают основательнее, если сделаны на основании независимых исследований. Конечно, некоторые красные клетки образуются каждую секунду, а некоторые каждую секунду достигают своей зрелости и погибают.
Если в организме взрослого человека в среднем находится 25 000 000 000 000 (25 триллионов) красных клеток и каждый день разрушается 0,8 % из них, значит, каждый день гибнут 200 000 000 000 (200 миллиардов) клеток, а в секунду — 2 300 000. Само собой, это не должно вас волновать. Организм способен заменять погибшие клетки сразу же после их гибели.
Красные клетки в организме других животных не обязательно живут такое же время, как и в организме человека. Красные клетки собак живут всего около 107 дней, а у кошек и кроликов только 68 дней.
В экспериментах над животными можно использовать радиоактивные изотопы, которые обычно не существуют в природе, их получают в лабораторных условиях. Радиоактивные изотопы неустойчивы и постоянно расщепляются, освобождая обладающие высокой энергией субатомные частицы, которые можно легко заметить с помощью специальных приборов — счетчиков. Наиболее известным из них является счетчик Гейгера.
Радиоактивные изотопы легко определить количественно, и для анализа их нужно совсем немного. Определение не требует наличия дорогого и громоздкого масс-спектрометра. Поэтому большинство экспериментов проводятся с радиоактивными изотопами, а не с необычными, но безвредными, как, например, азот15. К тому же одним из величайших преимуществ атомных исследований является то, что ядерные реакторы способны производить радиоактивные изотопы в таких количествах, что вещества, в состав которых они входят, можно купить по сравнительно невысокой цене.
Радиоактивные изотопы людям не вводят, кроме особых случаев. Излучение субатомных частиц, высвобождаемых при расщеплении изотопов, может повреждать ткани и вызывать лучевую болезнь, если его доза слишком высока. Ученые, работающие с радиоактивными изотопами, должны следить, чтобы уровень радиации никогда не превышал безопасных для жизни значений. Эта работа не опаснее, чем работа бактериолога, принимающего все меры, чтобы не заразиться патогенными бактериями, которые он изучает, или мясника, которому следует беречь пальцы от своего топора.
Если организму достаточно запасенного впрок железа, а к тому же еще и с пищей поступает небольшое количество этого элемента, то зачем беспокоиться об анемии? Взрослому мужчине обычно это делать и не приходится. Создав в организме достаточный запас железа, можно не беспокоиться о будущем, все должно идти гладко.
В случае чрезвычайной ситуации, если человек получил травму и у него развилось кровотечение, бывает необходимым возместить потерянную кровь и все содержащиеся в ней элементы, в том числе атомы железа. Тогда-то и пригодятся атомы железа, входящие в состав ферритина, и тогда поступление железа с пищей пополнит запасы этого белка.
Ситуация с женщинами моложе пятидесяти лет обстоит менее благополучно. Мужчина может вести себя осторожно и избежать кровотечения, однако женщина теряет кровь регулярно (обычно каждые четыре недели) в результате менструального цикла. Таким образом, ее потребность в железе выше, чем у мужчины. Поэтому простая железодефицитная анемия намного чаще встречается у женщин (особенно молодых, которые, ко всему прочему, хотят сохранить стройную фигуру при помощи самостоятельно разработанной и не контролируемой врачом диеты с недостатком минералов и витаминов).
Проблема дефицита железа особенно остро встает во время беременности. В это время менструации прекращаются и происходит формирование плода, который получает все питательные вещества из материнского организма, в том числе и необходимые для создания запасов крови. Материнский организм должен не только поставлять железо для крови плода (даже ценой опасного для здоровья будущей матери дефицита этого микроэлемента), но и запасы железа, которые будут служить резервом для ребенка в течение первых месяцев после рождения. Переход железа в растущий плод примерно на 60 % больше, чем количество, которое потерялось бы при менструациях в течение девяти месяцев, если бы женщина не была беременна. Понятно, почему таблетки, в состав которых входят легко усваиваемые вещества, содержащие неорганическое железо, прописываются почти каждой беременной женщине.
Ребенок рождается не только с запасом железа, но и с необычайно высокой концентрацией красных клеток в крови, другими словами, с легкой формой полицитемии. Это может быть результатом нехватки кислорода, испытываемой плодом до появления на свет. Находясь в утробе матери, он лишен доступа воздуха и живет только за счет кислорода, попадающего с кровью матери.
В любом случае запасы железа и дополнительные красные клетки необходимы в течение первых месяцев жизни младенца, когда он растет и в его организме происходит нарастание количества красных клеток без поступления железа с пищей. В молоке, которое, скорее всего, является его единственной пищей в течение нескольких месяцев, очень мало железа. Это один из немногих недостатков молока. Другой недостаток заключается в том, что в нем содержится очень мало витамина D. Как можно раньше в рацион надо вводить яйца или кашу. В них достаточно железа для удовлетворения потребностей детского организма.
