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

Просветитель

Фото на обложке: Гусев Николай

В оформлении использованы материалы, предоставленные Фотобанком Shutterstock, Inc., Shutterstock.com

©  Проскурина С., 2024

©  ООО «Издательство АСТ», 2024

Глава 1
Эволюция дыхания

Где искать у себя жабры? Как устроено дыхание?

Поиск в себе рыбьих черт – занятие не совсем обыденное. Посмотрев на себя в зеркало, вы абсолютно точно сможете сказать, что у вас нет ни жабр, ни плавников, ни уж тем более хвоста. Однако рыба прячется внутри вас, хоть вы об этом и не подозреваете.

На самом деле часть своих свойств и необходимых в дыхании приспособлений мы позаимствовали у рыб. Интересно, что во многих славянских языках слово «жабры» и слово «ребра» очень похожи. Например, в Праге во многих ресторанчиках можно заказать себе свиные «жебра», и поверьте, ни о каком ГМО или жутких экспериментах животноводов речи не идет. Просто в чешском языке «жабры» и «ребра» еще более схожи, чем в русском языке. И хоть эти слова этимологически никак не связаны, наши ребра действительно прошли очень долгий путь от жабр рыб и умудрились сохранить при этом свое участие в дыхательном процессе.

Ребра человека в процессе эмбрионального развития закладываются вместе с развивающимся позвоночником и от позвонков удлиняются и растут в сторону грудины. Иногда встречаются аномалии развития, и тогда ребрами обзаводятся не только грудные позвонки, но и шейные. Изначально у нас начинают развиваться целых 29 пар ребер, практически на всем протяжении позвоночника (всего позвонков 33), но потом продолжают расти только 12 пар ребер, а остальные 17 пар рассасываются.

Многие люди, имеющие лишние шейные ребра, об этом даже не догадываются, и их наличие никак не проявляется.

Первые ребра возникли у древних примитивных рыб, при этом у многих рыб осталось два набора ребер – спинные и брюшные, но они скорее служат для поддержки мышц и увеличения жесткости тела и не играют особой роли в дыхании. У рептилий же впервые появляется грудная клетка. Коротенькие ребра, с которыми бегали и продолжают бегать амфибии (лягушки, жабы, тритоны), у рептилий увеличились в длину, изогнулись и замкнулись спереди на грудине, создав защитный каркас для нежных легких и сердца и позволив таким образом эффективнее раздувать легкие при каждом вдохе. Обратите внимание на ребра рыб, короткие ребра лягушки, не до конца сходящуюся грудную клетку ящерицы и полноценную закрытую грудную клетку кошки и птицы (см. рис. 1).

Рис. 1. Эволюция грудной клетки

Если вы все еще стоите перед зеркалом, то запрокиньте голову назад и приложите пальцы к горлу прямо под нижней челюстью, там вы сможете нащупать маленькую косточку в форме подковы. Именно она иногда «встает не туда», если вы проглотили слишком большой кусок пищи или неудачно повернули шею. Если пошевелить ее вправо и влево, возможно вы почувствуете легкий хруст. Это подъязычная кость, и когда-то давно она тоже была участком жабр древних рыб. Теперь же она помогает нам глотать, дышать, наклонять голову, открывать, закрывать рот и разговаривать.

Говорят, что у болтливого человека язык без костей, но как раз без этой маленькой косточки или при ее переломе, разговаривать не получится. Нашему языку просто необходима хотя бы одна эта кость для опоры и движения. У хамелеонов тоже есть такая косточка, она работает как спусковой механизм в пружине и помогает ему выстреливать своим языком в добычу. У человека таких сверхспособностей подъязычная кость не имеет, в противном случае социальные взаимодействия определенно вышли бы на новый уровень.

У некоторых людей эта косточка располагается ниже, чем это необходимо, либо спускается вниз из-за увеличения объема мягких тканей в подчелюстной области (именно так изящно можно называть второй подбородок). В таком случае косточка при расслаб лении мышц во сне способствует храпу и обструктивному апноэ, когда человек посреди очередной трели храпа вдруг затихает и кажется, что он не дышит. Вам не кажется, он действительно не дышит в этот момент, но об этом подробнее мы поговорим в следующих главах.

Если приглядеться, форма верхней и нижней челюсти – дугообразных костей, тоже похожа на жаберные дуги, из которых они формируются. Первая и вторая жаберные дуги кроме костей и связок, участвующих в дыхании, жевании и говорении, дали нам еще и возможность слышать и сформировали три слуховые косточки – молоточек, наковальню и стремечко. Так слух и воспроизводство звуков совершенствовались на протяжении миллионов лет, и теперь благодаря им мы можем одинаково наслаждаться и оперой, и караоке.

Оставшиеся жаберные дуги – 4 и 5 – пошли на материал для хрящей трахеи. Вы скажете, что все это было чертовски давно, миллиарды лет назад, если вообще было, а я в ответ скажу, что эти чудесные превращения жаберных дуг в челюсти, трахею и слуховые косточки с вами лично произошли совсем недавно, и даже могу назвать точные даты, когда именно. Для этого нужно от даты вашего рождения отнять 8,5 месяцев, и получится как раз тот период, когда вы были больше похожи на рыбку, чем на человека (см. рис. 2). В самом начале нашей жизни мы все были похожи на маленькую рыбку. А из жаберных дуг потом формируются некоторые кости и полости лицевого отдела черепа, мышцы шеи, грудная клетка (см. рис. 3).

Рис. 2. Эмбриональное развитие жаберных дуг

Рис. 3. Жаберные дуги и жаберные карманы у человеческого зародыша в 5 недель

Между жаберными дугами у рыбы, например у акулы, есть щели (см. рис. 4). В процессе эмбрионального развития щели также претерпевали изменения. Наше тело приспособило жаберные щели и жаберные карманы для новых функций. Жаберные карманы – это такие же щели, но, если бы вы их видели уже изнутри, скажем, глотки акулы, скорее всего, это было бы последним, что вы бы увидели. Из них сформировались наружный слуховой проход, барабанная перепонка, евстахиева труба и барабанная полость в височной кости (см. рис. 5), где у вас молоточек стучит по наковальне и раздражает тем самым стремечко, которое колышет овальное окно внутреннего уха, а вы благодаря этому слышите все звуки вокруг.

Рис. 4. Щели между жаберными дугами у акулы

Рис. 5. Строение уха человека

Остатки незарощенных жаберных щелей иногда проявляются такими пороками развития челюсти, как заячья губа и волчья пасть.

Что общего между жабрами акул и заложенной ноздрей?

Некоторые мягкие ткани в жабрах рыб и в носу человека схожи между собой. В слизистой носа, как и в акульих жабрах, есть эректильная пещеристая ткань, снабженная большим количеством кровеносных капилляров. При необходимости капилляры могут расширяться, и ткань от этого набухает. Отек проходит, когда капилляры сужаются. Если акуле нужно увеличить захват кислорода из воды, ее нервная система посылает сигнал капиллярам в пещеристой ткани жабр, они набухают, их объем и кровоток увеличивается, и кислород более эффективно смешивается с кровью. У человека по этому принципу работает назальный цикл.

Сейчас, когда вы читаете эту книгу, какой ноздрей вы дышите? Чтобы проверить, можно закрыть одну ноздрю, сделать пару вдохов и выдохов, а потом закрыть вторую. Почувствовали разницу? Даже если вы абсолютно здоровы, у вас работает в основном одна ноздря, а другая отдыхает.

На снимке МРТ (см. рис. 6) видно, что этот человек сейчас хорошо дышит правой ноздрей, там назальные пути шире, а левая ноздря отдыхает.

Рис. 6. Снимок МРТ

Назальный цикл – процесс носового дыхания – меняется каждые 2,5 часа. Дело в том, что поддерживать слизистую увлажненной, а клетки здоровыми сразу в двух носовых ходах очень энергозатратно. Пока одна ноздря работает вовсю, увлажняет вдыхаемый воздух, фильтрует бактерии, шевелит ресничками слизистой, чтобы гнать сопли и поддерживать здоровье носовой полости, другая половина носа отдыхает, слизистая за это время восстанавливается и готовится к работе. Отдыхающую ноздрю «закладывает» с помощью все той же пещеристой ткани, как в акульих жабрах. К ней приливает кровь, она расширяется и перекрывает частично или полностью носовой ход. Если назальный цикл нарушается из-за нервного влияния или из-за сосудосуживающих капель, слизистая истощается и пересыхает, может начаться хронический насморк или аллергический ринит. Вот что бывает, если не беречь свои пещеристые ткани и пытаться вылечить естественный физиологический процесс, подумав, что это у вас ноздря заложена.

Кстати, как и в слизистой носа, в жабрах присутствует большое количество иммунных клеток, которые всегда готовы отразить атаку вирусов и бактерий извне. Если акула начнет «сопливить», потому что подхватила в воде какой-то вирус, то это будет происходить в жабрах[1].

Если вы думаете, что видоизмененные жабры – не такое уж роскошное наследство и рыбы могли быть более щедрыми на подарки своим далеким потомкам, не спешите с выводами. Эти ребята порядком наследили в дыхательной системе человека.

Некоторые рыбы, чтобы не утонуть, используют плавательный пузырь, такой надувной круг для плавания, только находящийся внутри тела рыбы. У рыб он формируется из кишечника и помогает держаться в толще воды. Плавательный пузырь – это прототип наших легких, они имеют одинаковое происхождение. Если бы эволюция свернула немного не туда, мы бы тоже ходили с плавательным пузырем. Как и легкие, он формируется из выпячивания кишки. Как и легкие, внутри он смазан особым жироподобным веществом – сурфактантом, которое помогает ему не спадаться и не слипаться его стенкам, а еще с его помощью некоторые рыбы, как и мы с помощью легких, умеют издавать звуки и даже кричать (например, рыбы-жабы).

Некоторые виды рыб используют плавательный пузырь для дыхания, если в водоеме становится мало кислорода. Кстати, наши легкие тоже помогают нам не только дышать, но и плавать. Если задержать дыхание на вдохе, оставаться на плаву в воде намного легче, чем если до конца выдохнуть, потому что в этом случае объем внутреннего «спасательного круга» значительно уменьшится.

До сих пор ведутся споры, дал ли плавательный пузырь рыб начало легким, или они сформировались независимо друг от друга. В ходе эволюции природа перепробовала все варианты дыхания, у некоторых животных для этого используются любые органы, контактирующие с кислородной средой, – кожа, глаза, кишки, жабры, трахея, легкие, плавательный пузырь, слизистая рта и носа. Но одной из самых удачных конструкций, позволяющей жить в богатой кислородом среде, все-таки оказались легкие.

Чем дальше в ходе эволюции развивались легкие, тем на большее количество сегментов они разделялись. Такое деление увеличивало площадь дыхательной поверхности и позволяло легким увеличивать количество кислорода, доставляемого в кровь. У древних рыб, амфибий и рептилий легкие очень простые, не разделенные на большое количество камер, и больше напоминают сегментированные пузыри, обильно обросшие кровеносными капиллярами (см. рис. 7).

Рис. 7. Легкие рыб, амфибий, рептилий и млекопитающих

Площадь поверхности таких пузырей, если развернуть их слизистые оболочки, не очень велика и не способна снабжать организм большим количеством кислорода. Из-за этого такие животные не могут позволить себе отапливать собственное тело. Процесс создания энергии за счет реакции кислорода и глюкозы в их клетках, который сопровождается выделением тепла, не настолько мощный и быстрый, чтобы поддерживать постоянную температуру тела. Уровень метаболизма у рептилий составляет только 10 % от нашего. То есть если человек в сутки тратит 2000 ккал, то крокодил весом с человека – всего 200 ккал. Поэтому он может есть раз в год, а мы нет. Птицам в этом плане еще сложнее, им необходимо намного больше энергии из-за полета и высокой температуры тела (40–41 °C), поэтому их метаболизм в три раза выше, чем у млекопитающих.

Если бы мы летали, нам нужно было бы не 2000 ккал в сутки, а все 6000 ккал. И летали бы мы, видимо, от одного кафе к другому. Голуби так и делают, да и взлетать стараются в крайнем случае, потому что потом придется съесть огромное количество пищи, чтобы скомпенсировать это необдуманное действие. Ходить с метаболической точки зрения «дешевле».

Чем мы дышим?

Прежде чем рассказывать об особенностях работы дыхательной системы человека, мне необходимо представить вам главные действующие лица, то есть части, из которых эта система состоит.

У человека в ходе эмбрионального развития паренхима легких – ткань с пузырьками-альвеолами развивается отдельно, а трахея и бронхи – отдельно. Трахея разделяется на два главных бронха – это толстые хрящевые трубки, а они ветвятся на множество бронхиол – трубочек потоньше. Всего у нас около 150 000 бронхиол, на которых, как виноград на ветке, разместились 700 миллионов альвеол – маленьких пузыриков из эпителиальной ткани, достаточно тонких, чтобы газ легко проникал через их стенку. Именно в них кислород переходит из воздуха в кровь.

Если развернуть все альвеолы и сшить из них полотно, им можно будет застелить теннисный корт или пять однокомнатных хрущевок.

Бронхиальное дерево ветвится и заполняет собой всю предоставленную ему площадь, как корень растения, которое много лет не пересаживали. Такое ветвление помогает очень плотно и эффективно упаковать максимальное число альвеол и увеличить площадь поверхности для обмена кислородом между воздухом и кровью. Чтобы понять, как это работает, представьте, что вы открыли бутылку газировки и оставили ее без крышки. Скорее всего, газ выйдет из нее минут за 20–30. Если же вы выльете эту газировку в большое плоское блюдо, то на это понадобится 5–10 минут. Чем больше площадь поверхности этой жидкости, тем быстрее газообмен, тем быстрее газ из газировки перейдет в воздух комнаты. В легких это правило тоже работает, именно поэтому и необходима такая огромная площадь, только там процесс идет наоборот – газ из альвеол смешивается с жидкостью – кровью.

Чтобы альвеолы не слипались и не схлопывались при каждом выдохе, внутри они смазаны сурфактантом. Это особая смесь жиров и белков получилась настолько удачной, что почти не менялась на протяжении миллиардов лет и практически одинакова что у древних и более примитивных животных, что у человека. Ее состав немного меняется только в случае, если животное живет в очень холодном или очень жарком климате или на экстремальной высоте.

К самим легким не приделано никаких мышц, чтобы сжимать их или растягивать, они просто висят на трахее и бронхах в грудной полости, как груша на ветке. Сами-то они легкие, не зря так называются, но они пронизаны большим количеством кровеносных капилляров с кровью, а кровь не такая уж и легкая. Из-за сосудов и крови в них легкие весят 1,2–1,3 кг. Для сравнения, мозг весит примерно столько же. Растягиваются и сжимаются они исключительно за счет работы атмосферного давления и собственной эластичности. Как тугая трикотажная кофточка, которая растягивается на вас, когда вы вдыхаете, и стягивается, когда выдыхаете. Кофточка ничем к вам не прикреплена и не приклеена, но из-за эластичности и давления вашего тела меняет свою форму. Однако изменять объем грудной клетки все-таки нам помогают дыхательные мышцы.

Основная дыхательная мышца – это диафрагма. Внутри тела она перемещается вверх и вниз с амплитудой от 1,5 до 7 см (см. рис. 8). Это действительно уникальная мышца, она и в дыхании занимает центральное место, и пищевод пережимает, чтобы еда не шла обратно, и на внутренние органы брюшины давит, например для опорожнения кишечника, и подкачивает кровь из вен вверх, и лимфу от конечностей к верхней части тела, а сухожильный центр диафрагмы примыкает к сердцу и является одной из его внешних оболочек. По сути, движение диафрагмы и наше дыхание может в той или иной степени влиять на все эти органы. Вдобавок ко всему диафрагма может сокращаться частями, а не вся сразу. Так происходит, например, при рвоте, когда волокна, охватывающие пищевод, расслабляются, чтобы дать выход содержимому желудка, а остальные сокращаются, чтобы надавить на желудок и вытряхнуть из него все, что переварить не получилось.

Рис. 8. Движение грудной клетки и диафрагмы при вдохе и выдохе

Наружные межреберные мышцы дополнительно поднимают грудную клетку при вдохе и обеспечивают нормальную глубину дыхания. Также вспомогательными дыхательными мышцами служат лестничные мышцы и грудино-ключично-сосцевидные мышцы, которые поднимают грудную клетку, особенно при затрудненном дыхании или после тяжелой физической нагрузки. Поэтому люди, которым тяжело дышать, стараются упереться руками в бедра или какую-то опору, это помогает включить эти мышцы и облегчить подъем самых верхних ребер. Кстати, именно так отдыхают бегуны и другие спортсмены, упирая руки в бедра и сгибая немного колени. Это наиболее быстрый способ восстановить дыхание и обеспечить себе глубокий вдох.

Выдох может происходить пассивно, в этом случае мышцы расслабляются, а грудная клетка опускается под действием силы тяжести. Но мы можем и активно выдохнуть. Помогают нам в этом внутренние межреберные мышцы, которые подтягивают каждое ребро к тому, что располагается ниже, словно складывают мехи гармошки. Внутренние мышцы брюшного пресса тоже помогают выдохнуть резко и сильно, не дожидаясь милости от гравитации, пока она соизволит опустить тяжелую грудную клетку и выжать из нее воздух.

Почему воздух идет в легкие, а еда – в желудок, или Что общего у нас и Русалочки?

Голосовая щель и надгортанник регулируют, куда пойдут вещества из гортани дальше – если это вода или еда, их надо направить в желудок, а если воздух – в легкие. На рис. 9 мы видим строение ротовой полости и глотки. Надгортанник снабжен мышцами, которые отклоняют его, как стрелку на железнодорожных путях, по сути он делит горло на две части – одна трубка для еды, вторая – для воздуха. При глотании пищи или рвоте, он отклоняется в сторону дыхательного горла и перекрывает его, чтобы пища не попала в легкие, а голосовая щель дополнительно сжимается. При этом пищевод остается открытым, и пища идет в него. Надгортанник при глотании прикрывает голосовую связку и голосовую щель, и поэтому говорить и глотать одновременно практически невозможно. Щитовидный хрящ, который у мужчин образует кадык (адамово яблоко), тянет за собой голосовую связку, удлиняя ее. Из-за деформации этого хряща голос у мальчиков ломается и становится ниже.

Но когда вы разговариваете, между фразами вы набираете воздух, да и голосовая щель то открывается, то смыкается, чтобы выдавать звуки. Если одновременно с этим есть, надгортанник пытается вовремя отклоняться, чтобы в легкие не попала пища, но это все начинает напоминать игру в тетрис на очень высокой скорости. В какой-то момент он может не успеть, и крошка печенья полетит в легкое. Дальше вы будете долго кашлять и особенно ясно осознавать смысл фразы «когда я ем, я глух и нем». Правда, «глухота» вряд ли поможет работе надгортанника, но зато может улучшить пищеварение.

Рис. 9. Органы пищеварительной системы

Если человек теряет сознание, контроль над надгортанником теряется, в этом случае при рвоте в бессознательном состоянии частицы еды могут попасть в легкие и вызвать их воспаление, поэтому человека без сознания нужно укладывать не на спину, а на бок или живот, чтобы он не захлебнулся в случае рвоты. В состоянии опьянения также человек не способен контролировать мышечные сокращения диафрагмы и не управляет своим надгортанником, помните об этом.

А сейчас я расскажу вам интересную историю про надгортанник. Мы, взрослые, не умеем пить и есть лежа на спине. Если вдруг прикинуться младенчиком, лечь и попробовать попить из бутылочки, скорее всего, вы захлебнетесь. А грудничкам это нипочем, они не захлебываются молоком. Эта история похожа на историю Русалочки. Там, как вы помните, героиня отдала свой голос в обмен на ноги. Тут произошло наоборот. Мы обменяли возможность пить лежа на голос. Когда ребенок маленький, его надгортанник расположен очень высоко, он соприкасается с увулой – тем самым маленьким язычком, который трясется в задней части рта при громком крике. Анатомически дыхательное горло у младенца почти полностью отделено от глотательного, а значит, захлебнуться он не сможет, даже когда пьет лежа, а еще он может сосать и дышать одновременно. Но у такого положения надгортанника есть свой минус. Звуки, которые выдают маленькие дети, совсем не похожи на взрослый голос. И дело не в высоте звука, а в его прижатости и утробности, звуки как будто идут из глубины маленькой грудной клеточки. Из-за положения надгортанника, звуки не могут сформироваться в полноценную речь, и ребенок может выдавать только простые слоги. Ближе к двум годам шея удлиняется, надгортанник опускается и это позволяет голосовой щели и связкам работать активнее, их движения становятся разнообразными, а ребенок приобретает возможность говорить, но теряет способность не захлебываться. Вот такой обмен.

Что находится между легкими и ребрами?

Легкие – очень нежная ткань, вместе с тем они очень активно движутся внутри грудной клетки при каждом вдохе и выдохе. Сила трения очень быстро стерла бы их о ребра в сплошную кровавую мозоль, если бы не несколько хитрых приспособлений. Во-первых, легкие обернуты в специальную очень мягкую ткань – плевру. Это своеобразная пупырчатая пленка для упаковки хрупких легких, только она еще и скользит. Такой же слой ткани выстилает изнутри ребра и грудную полость, а между слоями этой защитной оболочки есть жидкость, которая как смазка уменьшает трение легких и бережет их от стирания, она называется плевральная жидкость. Ее совсем немного – 15–20 мл, тонкий слой между двумя слоями ткани. По сути, легкие, как игла со смертью Кощеевой, которая в яйце, которое в утке, которая в зайце, – упакованы максимально бережно. С одной стороны, легкие скользят внутри грудной клетки, с другой стороны, благодаря жидкости-смазке они очень плотно прилегают к внутренней поверхности ребер. Это заставляет легкие двигаться вместе с грудной клеткой, не будучи прикрепленными к ней. Вспомните, как иногда блюдце присасывается к донышку чашки чая, особенно если чай немного пролили, вот тут такой же принцип. При дыхании не воздух раздувает легкие и они расширяются, а легкие увеличиваются в объеме, потому что их растянула грудная клетка, и в этот объем засасывается воздух, как в резиновую грушу, которую вы сперва сжали, а потом отпустили.

На рис. 10 показана модель работы легких. Только у нас вместо пластиковой бутылки – грудная клетка, вместо резиновой мембраны – диафрагма и плевральная полость, а вместо шариков – сами легкие. Когда мембрана снизу оттягивается и места в бутылке становится больше, в шарики набирается воздух. Когда мембрана не оттянута, шарики сдуваются, ведь нет никакого отрицательного давления вокруг и дополнительного места, куда им можно было бы расширяться.

Рис. 10. Модель работы легких

Внутри плевральной полости, между легкими и грудной клеткой, давление ниже атмосферного, что совсем уж странно. По законам физики, воздух из области высокого давления идет в область низкого давления, именно поэтому на земле существуют ветра. Та же история, но в меньшем масштабе, происходит в легких. Так как внутри давление ниже, чем в атмосфере, воздух легко заходит в легкие. Например, сегодня, когда я пишу эту книгу атмосферное давление 757 мм рт. ст., а значит, давление внутри моей грудной клетки 754,5 мм рт. ст. При этом на вдохе грудная клетка расширяется, диафрагма опускается, а значит, объем внутри грудной полости увеличивается и давление внутри плевральной полости становится еще более отрицательным, а воздух затягивается внутрь, то есть вот сейчас я вдохну и давление внутри моих легких упадет до 751 мм рт. ст., если вдохнуть очень глубоко, оно может упасть даже до 727 мм рт. ст.

На такое низкое давление в грудной полости реагирует не только воздух, но и жидкости организма. Они тоже намного легче идут туда, где давление ниже, так сказать по течению. Поэтому каждый вдох притягивает лимфу и венозную кровь из нижних отделов тела наверх и служит дополнительным насосом, без которого сердцу пришлось бы очень туго. Сердце, кстати говоря, тоже чувствует снижение давления и если на выдохе оно смотрит своим нижним краем влево, то на вдохе отклоняется вниз и встает практически вертикально в грудной полости. И так оно колеблется каждый раз при вдохе и выдохе.

Вы же не думали, что оно прочно намертво закреплено? Внутри вообще все довольно подвижно, но чаще всего находится на своих местах.

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.

Примечания

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

Вернуться

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.

Вернуться

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.

Вернуться

4

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

Вернуться

5

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

Вернуться