Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
В мочевине содержится больше энергии, чем в аммиаке, поэтому животные, избавляющиеся от азота в виде мочевины, теряют часть своей энергии. Однако преимущества такого механизма выведения азота превышают эти ничтожные потери.
Некоторые насекомые, птицы и рептилии проводят первые несколько дней или недель свой жизни на суше в яйцах. Через скорлупу яиц вода не только поступает в очень ограниченных количествах, но и ее запасы нельзя возобновить при помощи питья. Поэтому способ удаления азота опять должен меняться. Если бы мочевина образовывалась в яйцах, концентрация этого вещества достигла бы в них опасного уровня (даже мочевина может представлять угрозу для жизни, если ее слишком много) еще до того, как зародыш вылупится из яйца. Поэтому азот выводится в виде мочевой кислоты — соединения более сложного, чем мочевина, состоящего из фрагментов четырех молекул аммиака и трех молекул углекислого газа. Мочевая кислота довольно плохо растворяется, поэтому не попадает в воду. Вместо этого она откладывается в особых местах внутри яйца, где не мешает развитию зародыша. Мочевая кислота по сравнению с мочевиной вызывает несколько большие потери энергии, но все равно ее преимущества неизмеримо превышают недостатки.
Млекопитающие, в том числе и человек, которые первые недели или месяцы своей жизни развиваются в материнском теле, приобрели более примитивную систему выведения азота. Мочевина, образующаяся у плода, просачивается сквозь плаценту в кровеносные сосуды матери, которая всегда в состоянии пополнить запасы воды, поэтому млекопитающим не нужен механизм выведения азота в виде мочевой кислоты.
Растения, у которых нет циркулирующей жидкости, также должны как-то избавляться от азота. Некоторые решают эту проблему, вырабатывая сложные азотсодержащие соединения — алкалоиды, которые откладываются в коре, корнях, семенах и листьях. Обычно при попадании внутрь они оказывают мощное воздействие на организм животных и человека, и многие из них вредны для здоровья или смертельно ядовиты, в зависимости от дозировки.
Если бы клетки выбрасывали мочевину в кровеносное русло, то ее количество в крови быстро бы достигло опасной отметки. Однако, совершая свой круговорот в организме, кровь проходит через два органа, имеющих форму бобов и расположенных в области поясницы по обеим сторонам позвоночника, — почки.
Как и легкие, почки представляют собой губчатую ткань, кровеносную систему которых от внешнего мира отделяет лишь тонкая оболочка. Легкие разделяются на крошечные альвеолы, вдоль которых проходит кровь, а почки — на канальцы. Когда кровь проходит по этим канальцам, через их стенку просачивается вода с растворенными в ней мелкими молекулами, в том числе и молекулами мочевины.
Когда раствор двигается по почечным канальцам, некоторое количество воды и почти все вещества вновь возвращаются в кровь. Продукты распада, такие, как мочевина и вода, в которой она растворяется, остаются в канальце. Этот раствор представляет собой мочу. Микроскопические дозы мочи проходят через миллиарды почечных канальцев и попадают в более широкие и длинные каналы (по одному в каждой почке) — мочеточники. По ним моча попадает в мочевой пузырь, где она собирается и откуда периодически выводится. Какую-то часть мочи представляют пигменты, придающие ей желтоватый цвет.
Клетки организма постоянно вырабатывают мочевину, а почки все время ее выводят, и таким образом количество мочевины в крови поддерживается на низком и относительно постоянном уровне. Если почки из-за инфекции или других заболеваний не в состоянии постоянно выполнять очистительную функцию, в крови начинает увеличиваться концентрация мочевины. Это состояние называется уремией и может привести к смертельному исходу. Деятельность почек настолько важна, что у них есть собственный механизм поддержания кровообращения. Если по какой-то причине приток крови замедляется, почка выделяет фермент под названием ренин. Он изменяет один из белков в крови, превращая его в соединение — ангиотезин, который сужает различные кровеносные сосуды, поднимает кровяное давление и ускоряет кровообращение.
В этой главе я упоминал о том, как содержание воды в организме может изменяться посредством выделения более концентрированной мочи в период дефицита воды и более частого мочеиспускания при переизбытке жидкости в организме. Почки управляют этим процессом, контролируя обратное всасывание воды в почечных канальцах. Если в организме не хватает воды, возвращается больше жидкости, при переизбытке — меньше.
Эта функция почек, в свою очередь, управляется химическим веществом — вазопрессином, вырабатываемым в малых количествах гипофизом[3] — маленьким органом, расположенным в основании мозга. У некоторых людей гипофиз не в состоянии выполнять эту функцию. В таком случае вазопрессин не образуется и контроль над деятельностью почек утрачивается.
Следовательно, вода в почечных канальцах плохо всасывается обратно или не всасывается совсем, и у больного человека учащается мочеиспускание — до трех литров в день или больше. Эта болезнь называется несахарным диабетом. Слово «диабет» происходит от греческого «сифон», и, действительно, вода просто откачивается из организма больного, который, постоянно испытывая жажду, много пьет. «Несахарный» указывает на то, что в этом случае моча настолько разбавлена, что представляет собой практически одну воду. Больным несахарным диабетом можно помочь, их состояние можно значительно улучшить (хотя болезнь полностью вылечить нельзя) при помощи инъекций вазопрессина, полученного из гипофиза крупного рогатого скота.
Вазопрессин — это гормон, химическое вещество, вырабатываемое специальным органом — железой, которое попадает в кровь и участвует в химических реакциях в организме. Многие гормоны являются белками и имеют довольно маленькие молекулы. Например, молекула вазопрессина состоит из восьми аминокислот, по сравнению с шестьюстами аминокислотами в молекуле гемоглобина. В 1953 году группа биохимиков из медицинской школы Корнелльского университета в Нью-Йорке под руководством Винсента дю Виньо синтезировала этот гормон — первый пептидный гормон, полученный не из гипофиза животного.
Синтез вазопрессина стал последним штрихом в доказательстве точной структуры молекулы этого гормона и явился важным шагом к пониманию механизма действия гормонов вообще. Принимая во внимание чрезвычайную важность гормонов для организма, последствия, вызываемые избыточной или недостаточной продукцией того или иного гормона, и их роль в лечении различных заболеваний, изучение гормонов широко и интенсивно продолжается до сегодняшнего дня. За свои открытия в этой и других областях биохимии Винсент дю Виньо в 1955 году получил Нобелевскую премию в области химии.
Глава 9
Соль земли
Пока мы рассмотрели два способа контакта крови с внешним миром, естественно, сквозь мембраны: в легких и почках. Легкие служат входом и выходом для газов: в кровь поступает кислород, а выходят углекислый газ и пары воды. Почки служат выходом только для жидких веществ — воды, в которой растворены мочевина и другие продукты распада.
Есть еще одна точка соприкосновения крови и внешнего мира: пищеварительный тракт. Это длинная трубка, идущая ото рта к заднему проходу. С обоих концов она открыта внешнему миру, поэтому нельзя сказать, что содержимое пищеварительного тракта находится в организме. Таким же образом предмет, находящийся в дырке пончика, не находится в самом пончике, или вода, текущая по трубе, не проходит через металл, а лишь по внутренней поверхности трубы.
Когда мы едим, пища попадает в пищеварительный тракт, проходя через рот, горло и пищевод, под конец попадая в желудок, где может находиться часами. Организм не в состоянии усваивать твердую пищу. Только газообразные или жидкие вещества, в том числе и твердые вещества в растворах, могут проходить сквозь мембраны и попадать в организм. По этой причине мы пережевываем пищу и смешиваем ее со слюной, прежде чем проглотить. В желудке пища смешивается с желудочным соком — жидкостью, выделяемой маленькими железами, находящимися в оболочке желудка, тогда как слюна выделяется несколько более крупными железами, расположенными в щеках, под языком и под нижней челюстью. В слюне и желудочном соке содержатся ферменты, ускоряющие расщепление крупных молекул. Когда пища из желудка попадает в тонкую кишку, где в основном происходит пищеварение, она представляет собой густую массу.
Некоторые животные, например коровы, питающиеся грубой пищей, такой, как трава, постоянно жуют. У плотоядных животных, таких, как собаки и кошки, которые питаются мясом, а мясо легче превращается в желудке в более жидкую массу, чем трава, слюны недостаточно, и они проглатывают куски пищи целиком. У птиц, также проглатывающих пищу целиком, обычно есть зоб и мускульный желудок, иногда наполненные маленькими камешками, которые птицы специально глотают и которые действуют как жернова, размалывающие пищу. В каждом случае пища покидает желудок в разбавленном виде.
