Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
Кубический миллиметр — очень маленькая единица измерения. В одном литре содержится 1 000 000 кубических миллиметров, а в организме мужчины весом в 70 кг 5,4 литра крови. Таким образом, в крови среднего мужчины находится около тридцати триллионов красных клеток. Если их поделить между всеми людьми на планете, то каждому мужчине, каждой женщине и каждому ребенку достанется более 8000 клеток.
В организме имеется резервуар для крови — селезенка, орган размером с кулак, расположенный справа возле желудка. В ней находятся полости (синусы), наполненные кровью, которая особенно богата красными клетками. В запасе имеется 5 000 000 000 000 (пять триллионов) красных клеток. Сокращение селезенки во время физической нагрузки, в жаркие дни или при внезапном испуге приводит к выбросу красных клеток в кровь.
Вес женщины меньше, чем у мужчины, поэтому у нее также меньше крови и, следовательно, меньше красных клеток. У средней женщины массой 55 кг в организме имеется 17 000 000 000 000 (17 триллионов) красных клеток. Это всего две трети от содержащихся в мужском организме, однако женщины от этого не страдают. Можно сказать, что у них есть преимущества. В Соединенных Штатах средняя продолжительность жизни женщины на три года больше, чем мужчины, и женщина меньше подвержена расстройствам системы кровообращения.
Красная клетка состоит в основном из гемоглобина и воды, покрытых полупроницаемой мембраной.
Гемоглобин — это белок. Белки — сложные и важные молекулы организма. Молекула гемоглобина довольно крупная и состоит из тысяч атомов шести разновидностей. Ее размер, как и размер любой другой молекулы, количественно измеряется молекулярной массой. При этом сравниваются масса молекулы и масса атома кислорода, который, как произвольно установили, равен 16. Таким образом, молекулярная масса молекулы водорода, состоящая из двух самых маленьких атомов, равняется всего 2. Молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода, имеет массу, равную 18. Масса же молекулы гемоглобина — 68 000.
Что касается транспортировки кислорода, то самую важную роль в этом процессе играют четыре атома железа, которые содержит каждая молекула гемоглобина. Оказываясь поблизости от молекул кислорода, гемоглобин связывается с ними, в результате чего получается новое вещество — оксигемоглобин. Точками взаимодействия являются атомы железа, поэтому они так важны. Поскольку в молекуле гемоглобина содержатся четыре атома железа, каждая из них может перенести до четырех молекул кислорода.
Теперь давайте вернемся к маленьким капиллярам, пронизывающим каждую легочную альвеолу. Эти капилляры настолько малы, что даже крошечная красная клетка с трудом проникает в них. Чтобы попасть внутрь, ей приходится немного сжиматься, подобно человеку, ползущему по узкому туннелю на локтях и коленях, поэтому красная клетка по капилляру передвигается медленно.
Молекулы кислорода, проникшие через альвеолярную мембрану и стенки капиллярных сосудов, могут попасть через полупроницаемую мембрану в красные клетки, медленно продвигающиеся по капиллярам. Оказавшись в красной клетке, молекула кислорода притягивается к атомам железа, которые содержат молекулы гемоглобина. Красная клетка настолько мала, что молекулы кислорода могут проникнуть в любую ее часть прежде, чем она окажется вдали от альвеол. У покинувшей легкие красной клетки молекулы кислорода прикреплены примерно к 95 % атомов железа.
Это намного более эффективный способ переноса кислорода, чем его растворение в крови. В одной красной клетке содержится 270 000 000 (270 миллионов) молекул гемоглобина. Если каждая из них будет переносить по четыре молекулы кислорода, то в одной клетке их окажется свыше 1 000 000 000 (1 миллиарда). Если бы красная клетка состояла только из воды, то могла перенести всего 14 000 000 (14 миллионов) молекул кислорода, растворив их в воде. Поэтому в качестве транспортного средства для молекул кислорода красная клетка намного эффективнее воды, и поэтому мы можем надолго задерживать дыхание.
Но мы должны помнить, что гемоглобин крови является единственным резервуаром кислорода в организме. Даже если каждая молекула гемоглобина будет переносить кислород, то его запаса все равно хватит лишь на несколько минут. Поэтому мы должны дышать днем и ночью, год за годом.
Прежде чем продолжить рассказ о кислороде, я должен остановиться и сказать несколько слов о сердце и кровеносных сосудах.
Сердце — полый мышечный орган. Он вертикально разделен на две равные части, правую и левую. В свою очередь, каждая часть разделена горизонтально, так что в целом сердце имеет четыре отделения. Верхние отделения называются предсердиями, а нижние — желудочками. Таким образом, сердце состоит из правого и левого предсердий и из правого и левого желудочков.
Давайте начнем с правого желудочка. По мере сокращения сердца из него выталкивается кровь. Она не может двигаться в предсердие, поскольку между желудочками и предсердиями находятся клапаны, пропускающие кровь только в одном направлении. Кровь легко переходит из предсердия в желудочек, но не наоборот, если только человек не страдает заболеванием сердца. Вытолкнутая из правого желудочка кровь выходит из сердца и попадает в кровеносный сосуд — легочную артерию. Артерией называется любой крупный кровеносный сосуд, переносящий кровь от сердца.
По легочной артерии кровь поступает к легким. Там артерия разделяется и многократно разветвляется, пока не образует сеть капилляров, о которой я уже упоминал. В этих капиллярах молекулы гемоглобина, содержащегося в красных клетках, собирают кислород и превращаются в оксигемоглобин.
Кровь медленно покидает капилляры и начинает движение из легких обратно к сердцу. По пути капилляры сливаются, образуя все более крупные сосуды, пока наконец не превращаются в легочную вену. Веной называется любой крупный сосуд, переносящий кровь к сердцу.
По легочной вене кровь несет к сердцу запас оксигемоглобина и попадет в левое предсердие. Из левого предсердия через клапан кровь попадает в левый желудочек. Сердце опять сокращается, кровь из левого желудочка устремляется вперед со скоростью 25 метров в минуту прямо в самую крупную артерию организма — аорту. В самом начале от аорты ответвляются несколько артерий, включая сонную артерию, и ведут к голове и рукам. Главный ствол аорты тянется по всему туловищу и в области поясницы разделяется на две подвздошные артерии, ведущие к органам таза и ногам. Все крупные артерии делятся на более мелкие артерии, которые, в свою очередь, разветвляются на сеть капилляров, пронизывающих все тело, кроме легких.
В очередной раз красным клеткам приходится проталкиваться по узким капиллярам и двигаться со скоростью всего 2,5 сантиметра в минуту. По другую сторону капиллярной стенки уже нет того скопления молекул кислорода, как это было в альвеолах. Наоборот, там полно жаждущих кислорода клеток. Оксигемоглобин непрочно связывает молекулы кислорода, и они, повинуясь законам диффузии, заставляющим их уравнивать свое количество по обеим сторонам мембраны, отрываются от молекул гемоглобина, проникают сквозь мембрану эритроцитов (красных клеток), стенки капилляров, полупроницаемые мембраны, окружающие остальные клетки организма, и попадают в сами эти клетки.
Постепенно оксигемоглобин красных клеток опять превращается в простой гемоглобин, а кровь теряет свой запас кислорода. Когда она проходит через капилляры, кислорода в ней почти не остается. Капилляры начинают соединяться в венулы, затем во все более крупные вены, пока «использованная» кровь не попадает в нижнюю полую вену, несущую кровь к сердцу от ног и туловища, и верхнюю полую вену, которая несет кровь от рук и головы. Из этих вен кровь попадает в правое предсердие.
Оказавшись в правом предсердии, кровь проходит в правый желудочек и из него вытекает в легочную артерию, чтобы вернуться к легким и начать свой путь заново.
Таким образом, кровь движется по кругу, поэтому мы говорим о системе кровообращения. Стенки правого желудочка сравнительно тонкие, потому что ему приходится подавать кровь только в легкие (малый круг кровообращения). Стенки левого желудочка намного толще, поскольку он снабжает кровью все остальные органы (большой круг кровообращения). Оба желудочка сокращаются одновременно, поэтому оба этих вида кровообращения синхронны.
Однако не следует думать, что весь гемоглобин в крови сразу превращается в оксигемоглобин и наоборот и что в один момент в нашем организме полно кислорода, а в другой — его мало.
