Человек дышащий. Как дыхательная система влияет на наши тело и разум и как улучшить ее работу

Кровеносная система развивалась вместе с дыхательной

Воздухоносные пути – от самого носа до крошечных альвеол в легких – это только половина нашего дыхания. Чтобы дыхание принесло пользу организму, кислород необходимо доставить до всех органов и клеток. Только там, в клетках, маленькие энергетические станции – митохондрии, смогут из кислорода и глюкозы смастерить для нас энергию. Наличие энергии, ее постоянная выработка дает телу жизнь. Если по какой-то причине произвести энергию нельзя – клетка умирает. Причиной может быть недостаток кислорода, отсутствие питательных веществ, которые можно использовать для окисления, или блокирование ферментов, которые производят энергию. Именно блокирование ферментов, задействованных в клеточном дыхании, происходит после приема такого яда, как цианистый калий, которым так любят отравлять друг друга герои британских детективов. По сути, человек в этом случае умирает от удушья, только яд перекрывает не дыхание в дыхательных путях, а дыхание в клетках. Так же действуют синильная кислота, угарный газ (СО), метанол и некоторые другие яды.

Чтобы кислород дошел до клеток, необходимо сначала перенести его из альвеолы в кровь, а затем с помощью крови доставить в ткань. Легкие отдельно от кровеносной системы были бы полностью бесполезны. Это как построить в глуши гигантский жилой комплекс, но не построить к нему ни одной дороги. Именно поэтому кровеносная система формировалась параллельно с дыхательной – логично строить новую дорогу и инфраструктуру параллельно со строительством жилого района. Чем сложнее становились дыхательные пути и строение легких, тем больше усложнялась система сосудов и само сердце. Осталось множество путей взаимного влияния сердца на дыхание, и дыхания на сердечную деятельность, о чем мы обязательно поговорим в следующих главах.

Если посмотреть на кровеносную систему легких, видно, что она повторяет форму бронхиального дерева. Выглядит это, как будто бабушка заботливо обвязала все легкие и каждую альвеолку красной пряжей. Так как ткани легких очень нежные и тонкие, необходимо контролировать давление крови в их сосудах, чтобы высокое давление не повредило их, кровь не выходила в просвет альвеол, а легкие не отекали. Для этого у позвоночных животных начал формироваться отдельный круг кровообращения, специально для легких, его называют малым кругом кровообращения.

Если давление крови у здорового человека в большом круге кровообращения 120/80, то в легочном – всего 25/10. Легочные капилляры настолько тонкие, что эритроциты часто не влезают в них и им приходится сгибаться и скручиваться, чтобы пролезть за своей порцией кислорода.

Эритроциты вообще профессионалы своего дела, они даже избавились от клеточного ядра, чтобы освободить побольше места для переноса кислорода и стали вогнутыми с обеих сторон, чтобы увеличить площадь поверхности для газа. Правда, без ядра не разделишься и не размножишься, поэтому жизнь эритроцитов относительно недолгая – 120 дней. Для переноса кислорода у красных кровяных телец есть особый белок – гемоглобин, ведь кислород очень плохо растворяется в воде (а значит, и в крови) и просто так с током крови его не унесешь. Гемоглобин имеет в своем «сердечке» железо, которое любит контактировать с кислородом. Результат их взаимной любви можно увидеть в виде ржавчины на гвоздях или старых крышах. В какой-то мере железо в гемоглобине от кислорода тоже «ржавеет», от этого даже кровь меняет цвет и становится светлее и ярче. Но в эритроците этот процесс обратимый и, подойдя к клетке, где кислорода меньше, он «высаживает» в нее своего «пассажира», потому что тканям тот нужнее.

Гемоглобин в 70 раз повышает кислородную емкость крови, то есть, если бы его не было, чувствовали бы вы себя так же, как если бы дышали один раз в 7 минут.

Гемоглобин – довольно древний белок, и он есть у многих позвоночных. Если кровь у животного красная, значит в ней есть гемоглобин. Исследователи из Чикагского университета не так давно определили, что происходило с этим дыхательным пигментом в ходе эволюции. Оказалось, что позвоночные животные 400 миллионов лет назад позаимствовали предка этого белка у древних бесчелюстных рыб. Для того чтобы он превратился в современный гемоглобин, понадобилось всего две мутации, в результате чего гемоглобин стал состоять из четырех частей и выполнять свои современные функции. Если обычно эволюция очень медленно и постепенно меняет и конструирует новые, более удачные варианты белков, то тут она всего за два хода поставила шах и мат[2].

Кроме гемоглобина связыванием кислорода занимается еще и миоглобин – это такой же дыхательный пигмент, но содержится он в мышцах, и из-за него мясо приобретает красный цвет. Миоглобин куда более жаден до кислорода и не готов с ним так легко расставаться, как это делает гемоглобин, а потому на роль переносчика он не подошел. Он себя ведет скорее как почтальон Печкин: «У меня есть посылка, только вам я ее не отдам». У более древних животных сложно отделить гемоглобин крови от миоглобина мышечной ткани, эти белки очень похожи, но со временем миоглобин будет использоваться как склад кислорода для мышцы, а гемоглобин – для транспорта.

Конечно, были и альтернативные варианты дыхательных пигментов крови. Так, у моллюсков кровь стала голубой из-за гемоцианина, в котором железо заменено на атом меди. Есть даже уникальные животные, которые вообще потеряли гемоглобин и не переживают по этому поводу. Это ледяные рыбы. Кровь их абсолютно бесцветная, как жидкое стекло, а мясо белое и полупрозрачное. Как понятно из названия, они обитают в очень холодных водах вблизи Антарктики, где кислорода в воде из-за низкой температуры очень много и его можно впитывать всем телом, кожей и жабрами сразу в кровь. Этим рыбам гемоглобин бы только мешал. При такой низкой температуре этот белок придавал бы крови слишком большую вязкость и ее невозможно было бы протолкнуть по сосудам. Вместо него рыбы обзавелись более полезным в их случае приобретением – специальным гликопротеином-незамерзайкой, который не позволяет их прозрачной крови замерзнуть и разорвать сосуды. Чего только не сделаешь, чтобы выжить в таком суровом климате.

Как дышит клетка

Клеточное дыхание – последний этап дыхательного процесса, но в случае с клеткой, это похоже не на вдох и выдох, а скорее на разгон пламени печи кузнечными мехами. Кислород здесь нужен для того, чтобы поддать жару и сжечь сахар и жир, превратив их в тепло и энергию. Обычное горение, например, дров, это тоже реакция с кислородом. В клетке, конечно, не зажигается маленький огонек, но по своей сути реакции действительно похожи. Отчасти поэтому энергия, которая поступает в наше тело и указывается на упаковке любого продукта, выражается в калориях. Калории – не что иное, как количество тепла, которое выделяется при сгорании продукта в специальной камере, калориметре. Энергия, которая образуется при окислении в клетке, запасается в виде особенных молекул АТФ. Эти молекулярные батарейки при расщеплении выделяют энергию. А дальше эта энергия может тратиться на движение сократительных белков в мышцах, транспорт молекул в клетку или из клетки, на разрушение некоторых продуктов или на синтез новых веществ. Только эта энергия отделяет живое от неживого. Именно она удерживает наши клетки и органы от хаоса и разрушения. Если есть энергия, мы способны отогнать смерть и восстановиться, но, если ее нет, наступает конец. Так привычный вдох и выдох, которые мы совершаем по 23 000 раз в день, дают энергию и жизнь каждой клетке нашего тела[3].

И все же кислород – очень активное вещество, и реакции с кислородом – это по сути горение. А что, если кислород – это медленный яд, который отравляет нас год за годом с каждым вдохом, и в итоге мы стареем и умираем? Предположение кажется абсурдным, ведь каждый знает, что кислород для нас необходим, тем не менее оно в целом верно.

Когда на Земле возникли первые одноклеточные живые существа, кислорода в атмосфере почти не было. Но из-за геологических процессов и из-за особенностей жизнедеятельности некоторых микроорганизмов (не будем показывать пальцем на сине-зеленые водоросли) кислорода в атмосфере становилось все больше и больше. Он начал отравлять маленькие древние клетки. Кислород крайне токсичен для живых организмов. Это очень активный элемент, который вступает в химическую реакцию даже с малоактивными поверхностями и соединениями.

Одни клетки погибли, не выдержав яда, другие обзавелись мощными наружными покровами и средствами защиты, чтобы обезвреживать кислород или не допускать его внутрь клетки, а третьи пошли по другому пути. Они напросились «в гости» ко вторым, залезли внутрь и стали жить как симбионты, вырабатывая энергию для своего благодетеля и получая взамен защиту от кислорода. В наших клетках до сих пор есть эти бывшие свободноживущие клетки – это наши энергетические станции – митохондрии[4]. В процессе их работы используется кислород, из него и глюкозы митохондрии производят энергию.

Они по-прежнему, как и в древности, не выносят слишком много кислорода, а потому задача нашей дыхательной системы – не принести как можно больше кислорода внутрь клетки, а принести его не меньше и не больше определенного количества. Так, в артериальной крови парциальное давление кислорода 60–80 мм рт. ст. Пока эта кровь дойдет до ваших бегущих ног, часть кислорода потеряется в пути и в мышечной ткани его станет в 30 раз меньше – 2,4 мм рт. ст, а в митохондриях его будет меньше еще в 10 раз, всего 0,2 мм рт. ст.[5] И этого для них достаточно. Именно столько кислорода было в атмосфере 2 миллиарда лет назад, митохондрии так к новым условиям и не привыкли.

А наше тело, в свою очередь, продолжает защищать этих малюток от кислорода. Видимо, их договор аренды наших клеток был бессрочным. Кислород, попадая в клетки из молекулярной формы, в которой он летает в воздухе (О2), превращается в активные атомарные формы (О2-), их еще называют активные формы кислорода (АФК). Именно против них борются антиоксиданты, которые сейчас есть повсюду – от фруктовых соков до БАДов и кремов.

Активные формы кислорода способны окислять и повреждать белки, липиды, клеточные структуры, но, что хуже всего, они могут повреждать молекулы ДНК клеток, базу данных о том, какой вообще должна быть клетка, чем она должна заниматься, как расти и размножаться и какой продукт производить. Без этой информации у клеток начинается анархия и они либо гибнут, либо перерождаются в неконтролируемые раковые клетки, которые отказываются выполнять свои прежние функции, никому не подчиняются и только едят, растут и размножаются. Очень зловредные нахлебники.

У клеток есть целый набор средств против активных форм кислорода. В основном это металлопротеины – специальные ферменты, содержащие в своем центре металл, который умеет связывать кислород по рукам и ногам и безопасно выводить его из клетки, пока он не начал дебоширить и разрушать интерьер.

А теперь потренируем артикуляцию. Вот наши невидимые герои: глутатионпероксидаза – в центре у нее селен, умеет нейтрализовать перекись водорода, которая выделяется как побочный продукт при производстве энергии.

Супероксиддисмутаза – в «сердце» у нее медь и цинк, иногда марганец, она превращает активный кислород в перекись и передает ее глутатионпероксидазе.

Каталаза – с железом в «сердечке», помогает очень быстро превратить все ту же перекись в воду и кислород.

Вы не представляете, сколько раз эти ребята спасали вам жизнь! Каждый раз при чрезмерном воспалении именно они уберегают клетки от гибели. Они спасают ткани, чтобы их не уничтожил наш собственный иммунитет и, если они не работают как должно, в организме развиваются аутоиммунные заболевания, такие как аутоиммунный тиреоидит, сахарный диабет 2-го типа, волчанка, ревматоидный артрит и т. д. При ишемии, инфаркте, инсульте и атеросклерозе, нейродегенеративных и многих других заболеваниях активные формы кислорода также являются основной причиной смерти клеток. Когда вы слишком много загораете, когда действуете на свой организм ядами из сигареты, алкоголя или вредной пищи, каждый раз они приходят на помощь, спасая ваше тело от рака, а клетки – от разрушения и дегенерации.

Если кислород так опасен, зачем же мы с ним вообще связались? Жили бы прекрасно без него, как какие-нибудь бактерии, типа ботулиновой, в закрытой баночке с грибочками. Но кислород, хоть и яд, дал нам огромное преимущество. С ним можно производить в 18 раз больше энергии, чем без него. Ситуация почти как с нефтью. С одной стороны, она загрязняет окружающую среду, выхлопы и газы сокращают нам жизнь в городах, с другой стороны, нефтепродукты позволяют отправляться нам на дальние расстояния, запускать двигатели, огромные механизмы, самолеты и даже космические корабли. Вряд ли все это было бы возможно на сжигании дерева и водяных парах.

В нашем случае без кислорода невозможны были бы ни быстрые движения, ни рост большого многоклеточного тела, которым каждый из нас может похвастаться. Кислородное дыхание для нас – это контракт с дьяволом. Прямо сейчас по такому контракту мы получаем все прелести человеческой жизни – разнообразие движений, теплую кровь, активный рост, развитый интеллект. Но из-за накопления активных форм кислорода и мутаций в клетках, из-за ослабления антиоксидантной защиты с возрастом, однажды мы будем вынуждены столкнуться со старением, раком и смертью. Про это в контракте было мелким шрифтом, под звездочкой. Не знаю, сможет ли вас это утешить, но одновременную борьбу за кислород и против кислорода ведут почти все живые существа на земле, мы в этом плане не одиноки.

Кроме этого, мы научились использовать токсичность кислорода против наших врагов. Клетки иммунитета с его помощью уничтожают бактерии, которые порой хуже защищены от кислорода, а также убивают клетки, которые перестали подчиняться приказам из-за заражения вирусом или перерождения в раковую клетку. В организме ничего не пропадает зря, в таком хозяйстве находится применение даже яду.

Кто дышит круче всех?

Мы по своему человеческому обыкновению привыкли думать, что все лучшее в природе досталось нам. Альпинисты, поднимающиеся на Эверест, точно так не думают, особенно когда стоят на вершине с кислородными баллонами и горной болезнью в обнимку и видят пролетающих над ними горных гусей. В этот момент становится понятно, что природа изобрела гусей, чтобы спасать Рим и бесить альпинистов, других задач у этих птиц нет. Легкие птиц насыщают их кровь кислородом не только на вдохе, но и на выдохе, они куда более стойкие к механическим повреждениям, чем наши, и вместе с тем сама ткань, где происходит газообмен, намного тоньше и нежнее, чем в человеческих легких, поэтому газам легче переходить из воздуха в кровь и наоборот. Более того, упаковка легких у птиц более плотная, поэтому количество альвеол и площадь поверхности легких намного больше. У человека (см. рис. 11) кровь прокачивается кислородом только на вдохе, при этом мы выдыхаем воздух, в котором еще довольно много кислорода (на вдохе – 21 %, а на выдохе – 16 %, то есть за один дыхательный цикл мы поглощаем только 5 % кислорода). У птиц же воздух идет на вдохе через легкие в воздушные мешки, а на выдохе выжимается из воздушных мешков и снова проходит через легкие, то есть снабжение крови кислородом происходит и на вдохе, и на выдохе (см. рис. 12).

Рис. 11. Процесс дыхания у человека

Рис. 12. Двойное дыхание у птиц

Сравнивать возможности дыхания человека и птицы – это все равно, что сравнивать веер с вентилятором. У нас, увы, не самая последняя версия легких, недостатки не устранены, оптимизация не очень, износ высокий, энергозатраты тоже. Но и не самая плохая, но есть на порядок лучше. Благодаря более высокой эффективности дыхательные пути птиц помогают им выживать на большой высоте не только в условиях недостатка кислорода и углекислого газа, но и при экстремально низких температурах. Если человек выйдет из самолета на высоте 11,5 километров и какое-то время проведет на этой высоте, он замерзнет и задохнется. Но это не мешает сипам (крупным птицам семейства ястребиных) летать, а значит, и дышать на такой высоте. Например, африканский сип, такой же, как на рис. 13, попал в турбину самолета на высоте 11 277 метров над Кот-д’Ивуаром.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

1

По материалам Monteiro SM, Oliveira E, Fontaínhas-Fernandes A, Sousa M. Fine structure of the branchial epithelium in the teleost Oreochromis niloticus. J Morphol. 2010;271:621–633

2

По материалам Pillai AS, Chandler SA, Liu Y, Signore AV, Cortez-Romero CR, Benesch JLP, Laganowsky A, Storz JF, Hochberg GKA, Thornton JW. Origin of complexity in haemoglobin evolution. Nature. 2020 May;581(7809):480–485. doi: 10.1038/s41586-020-2292-y. Epub 2020 May 20. Erratum in: Nature. 2020 Jul;583(7816):E26. PMID: 32461643; PMCID: PMC8259614.

3

По материалам Hsia CC, Schmitz A, Lambertz M, Perry SF, Maina JN. Evolution of air breathing: oxygen homeostasis and the transitions from water to land and sky. Compr Physiol. 2013 Apr;3(2):849–915. doi: 10.1002/cphy.c120003. PMID: 23720333; PMCID: PMC3926130.

4

По материалам Lake JA. Evidence for an early prokaryotic endosymbiosis. Nature. 2009;460(7258):967–971.doi:10. 1038/nature08183.

5

По материалам Wittenberg JB, Wittenberg BA. Myoglobin function reassessed. J Exp Biol. 2003;206(Pt 12):2011–2020. doi:10.1242/jeb.00243.