Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
Когда речь заходит о воздухе, дело обстоит совсем по-другому. Стоит прекратить доступ воздуха всего на пять минут, и наступит смерть.
Раз кислород так необходим, организм должен обладать специальной системой, которая бы снабжала им все органы. Хорошенько запомните следующее: кислород нужен не только вам и вашему организму в целом. Он необходим каждой из множества миллиардов микроскопических клеток. У каждой клеточки должен быть свой запас кислорода, иначе она погибнет. Клетка не сможет выжить, если кислород есть у ее соседок. Ей нужен свой собственный.
Всем известно, что кислород поступает в организм из воздуха при дыхании. Однако это только первый шаг. Простой вдох приводит всего лишь к тому, что воздух через нос попадает в легкие. Это ни в коей мере не поможет какой-нибудь клетке большого пальца ноги заполучить свою порцию кислорода.
Попав в легкие, кислород начинает свое путешествие. Внутренняя оболочка легких покрыта тончайшей пленкой воды, в которой растворяется кислород. Воздух состоит на одну пятую часть из кислорода и на четыре пятых из азота. Азот, не приносящий пользу организму в том виде, в каком он находится в воздухе, также растворяется в этой водной пленке, но пока давайте поговорим о жизненно важном кислороде.
Только кислород, попавший на водную пленку, успевает раствориться в ней прежде, чем вы сделаете выдох, вытолкнув почти весь воздух из легких, и вдохнете новый. Если бы легкие были просто полыми камерами, похожими на футбольные, кислород не смог бы попасть на внутреннюю пленку и раствориться в ней. К счастью, легкие совсем не похожи на футбольные камеры.
Воздух проходит через рот или нос и попадает в дыхательное горло, или, по-научному, трахею. Ее можно нащупать на шее, над и под адамовым яблоком. У самого основания шеи трахея разделяется на два бронха, каждый из которых входит в легкие. В легких бронхи делятся снова и снова, подобно мелким веточкам дерева. Каждое крошечное ответвление заканчивается полым мешочком, который получил название легочной альвеолы. Легкие сплошь состоят из этих мешочков, что делает их похожими на губку.
Когда вы делаете вдох, воздух попадает в миллионы альвеол. Каждая альвеола снабжена тонкой водяной пленкой, выстилающей внутреннюю поверхность; альвеола настолько мала, что весь кислород находится вблизи от этой пленки. Внутренняя поверхность всех вместе взятых альвеол огромна, и так же огромна площадь водных пленок. Если бы можно было разгладить поверхность всех альвеол, она бы покрыла площадь около ста квадратных метров или пять больших комнат.
Благодаря влажной поверхности, в которой может растворяться кислород, между вдохом и выдохом одна пятая часть кислорода воздуха, попавшего в легкие, растворяется в водной пленке. Мы вдыхаем 20 % кислорода, а выдыхаем только 16 %. При обычном спокойном дыхании в легкие попадает и выдыхается около 500 кубических сантиметров воздуха. Из них 100 кубических сантиметров составляет кислород. 100 кубических сантиметров вдыхается, выдыхается всего 80, а 20 кубических сантиметров поглощается. Конечно, при повышенной мышечной активности или во время сильных эмоций, когда требуется больше кислорода, дыхание автоматически учащается и становится глубже.
Что происходит с кислородом после того, как он растворился во влажной внутренней пленке альвеол? Мембрана, покрывающая альвеолы, очень тонкая. Ее толщина всего около одного микрона. Микрон — одна из единиц системы измерения, используемая учеными всего мира и жителями всех стран, за исключением англоговорящих. Микрон равен одной миллионной части метра или одной десятитысячной части сантиметра.
Итак, эта мембрана слишком тонка, чтобы удерживать воду. Маленькие молекулы, например молекулы воды (состоящие из трех атомов) или кислорода (состоящие из двух атомов), просачиваются сквозь нее, проходя через микроскопические отверстия в мембране или передвигаясь между молекулами, из которых она состоит, или, возможно, при помощи какого-то другого, пока неизвестного нам способа.
Мембрана, которая пропускает молекулы, называется проницаемой. Процесс, во время которого молекулы проходят сквозь вещество (будь то газ, жидкость или твердое тело) или тонкую мембрану, называется диффузией.
Мембраны, выстилающие альвеолы, пропускают только мелкие молекулы. В человеческом организме есть и более крупные молекулы, состоящие из сотен или даже тысяч атомов. Они не могут пройти через альвеолярную мембрану. Поэтому она называется полупроницаемой. Другими словами, она проницаема для одних молекул, но непроницаема для других.
Все живые клетки окружены полупроницаемыми мембранами, и это жизненно важно. Если бы клетка была не в состоянии удерживать одни молекулы внутри, а другие снаружи, по химическому составу она бы не отличалась от окружающей среды и не могла бы существовать.
Продолжим наш рассказ. Кислород проходит сквозь мембрану альвеол не только в одном направлении, то есть из окружающей среды в альвеолы и организм. На «воздушной» стороне мембраны, контактирующей с окружающим воздухом, достаточно много кислорода, а на стороне, контактирующей с организмом, его меньше, поэтому диффузия молекул идет таким образом, чтобы уравнять количество кислорода с обеих сторон, подобно воде, которая стремится к одному уровню, не важно, течет ли она со склона, как ручей, или вырывается из земли ключом.
В итоге кислород из воздуха переходит в клетки, выстилающие альвеолу. Под этими клетками расположена еще одна мембрана. Она не толще первой и представляет собой стенки крошечных кровеносных сосудов — капилляров. Частая капиллярная сеть плотно охватывает каждую альвеолу. Стенка капилляра также представляет собой полупроницаемую оболочку. Молекулы кислорода проникают сквозь нее, чтобы уравнять количество кислорода с обеих сторон. Как только кислород проходит через стенку, он оказывается в кровяном русле, где начинается другая стадия его путешествия.
Если вам показалось, что самая трудная часть путешествия кислорода из воздуха к клеткам организма осталась позади, если вы думаете, что кровь просто переносит молекулы кислорода из легких в другие органы, что они без труда через стенки капилляров попадают во все клетки организма, то вы ошибаетесь. Перенести необходимое количество кислорода не так легко, как кажется, и для этой цели существует сложный химический механизм.
Прежде чем приступить к обсуждению сложностей и возможностей решения вопроса перемещения кислорода, я бы хотел познакомить вас с еще несколькими единицами измерения.
Литр — единица измерения объема. Миллилитр — одна тысячная литра. Это относительно маленькая единица.
Грамм — единица измерения массы. Это маленькая единица. Миллиграмм — одна тысячная доля грамма.
Если чистый кислород пропустить через литр ледяной воды, то в воде растворится только часть кислорода, далеко не весь. В литре ледяной воды растворится всего 70 миллиграммов кислорода.
Напомню, это происходит, если кислород пропустить через воду. Если бы пропускали пузырьки обычного воздуха, состоящего всего на одну пятую из кислорода, то растворилась бы только эта одна пятая часть. В литре ледяной воды растворилось бы 14 миллиграммов кислорода. Растворилось бы также какое-то количество азота, но пока не будем говорить об азоте.
Может показаться, что 14 миллиграммов на литр воды — настолько незначительное количество, что можно не обращать на него внимания, однако от этого количества зависит жизнь. Рыбы и другие животные, дышащие жабрами, извлекают кислород не из атмосферы, иначе они начинают задыхаться, а из воды, где он растворен.
Конечно, нельзя недооценивать растворенный в морской воде кислород. Его количество в одном литре очень мало, но в океане много литров воды. В кубическом километре морской воды при температуре замерзания будет содержаться целых 60 000 тонн растворенного кислорода, а на Земле сотни кубических километров океана.
Вы заметили, что я все время говорю о ледяной воде. Это потому, что количество газа, который может раствориться в воде, зависит от ее температуры. Чем теплее вода, тем меньше газа в ней растворяется. В литре воды при 37 °C (температура человеческого тела) растворится всего около половины того кислорода, который может раствориться в ледяной воде, — 7 миллиграммов.
Но давайте оставим в покое океан и вернемся к крови. Сколько кислорода может раствориться в крови? Чтобы ответить на этот вопрос, надо сначала задать другой. Сколько крови в человеческом теле?
Это не так уж легко определить. Самым простым способом ответить на этот вопрос было бы взять тело только что умершего человека, выпустить из него всю кровь и измерить ее объем. Беда в том, что из тела выпустить всю кровь практически невозможно. Какое-то количество ее все равно останется в микроскопических капиллярах.
