Мы должны вдыхать и выдыхать кислород, но почему?

Помню, как темной январской ночью, где-то после полуночи, я зашел в спальню и посмотрел на нашего первенца, дочку, лежащую в колыбельке, родившуюся в канун Нового года, которой еще и двух недель от роду не было. Серебристый лунный свет проникал в окно, освещая ее очертания. Ее глазки были плотно закрыты, ручки закинуты за головку в извечном жесте, головка слегка повернута вправо. Ее упоительный запах новорожденного вызвал у меня восторг и умиротворение.

Как и миллионы родителей до меня, я думал о безмятежности сна новорожденного, его восстанавливающей глубине, однако я также инстинктивно проверил функцию, чтобы убедиться, что, несмотря на внешнее спокойствие, жизнь не угасла. Это означало посмотреть на животик, чтобы убедиться, что дочка дышит. Конечно же, она дышала: ее грудная клетка и животик ритмично поднимались и опускались под одеяльцем плавными движениями, которые для всех нас означают жизнь.

Когда мы наблюдаем за спящими любимыми, старыми или юными, людьми или домашними животными, мы инстинктивно обращаем внимание на их дыхание. В этом есть что-то существенное, на что все мы настроены, что-то, что мы автоматически и неосознанно приравниваем к жизни. Каждый раз, когда мы проверяем друг друга, мы подтверждаем слова римского философа Цицерона: Dum spiro, spero, что означает «пока дышу, надеюсь».

Физиологически то, что мы наблюдаем, — это чудо газообмена. Мы забираем из атмосферы невидимый элемент и вводим его в наш организм для потребления. Этот процесс запускается по сигналу от ствола головного мозга, примитивной части мозга в основании черепа. Этот сигнал передается по нервам к мышцам, ответственным за вдох, и дает им команду сократиться. Самая большая и важнейшая из этих мышц — диафрагма, тонкая, в виде купола, плоская скелетная мышца, отделяющая грудную клетку (грудную полость) от брюшной полости.

С каждым сигналом диафрагма сокращается, опускаясь и вытягивая грудную клетку и легкие. При этом в трахее и тканях легких создается отрицательное давление, за счет которого воздух устремляется внутрь, как течет вода в реке. Заходя через рот или нос, воздух проходит по задней части горла, мимо голосовых связок и попадает в трахею. Примерно на полпути за грудиной трахея разделяется на левый и правый бронхи, которые разделяются снова и снова на бронхи меньших размеров, называемые бронхиолами.

Воздух проходит через бронхиолы, уходящие глубоко в легкие, как струйки материи от взрыва звезды в космосе, пока, наконец, не проникает в похожие на пещерки закоулки глубоко в легких. Они называются альвеолами и напоминают пчелиные соты. Именно в этих похожих на виноград кластерах на конце все сильнее и сильнее сужающихся дыхательных трубок происходит газообмен.

Продолжая свой естественный поток из зоны высокой концентрации в зону низкой концентрации, кислород бепрепятственно проходит сквозь тонкую поверхность альвеол, толщиной всего в одну клетку, в соседние капилляры. Там его захватывают тысячи голодных эритроцитов, а сердце перекачивает их в артерии, а затем к тканям органов, которые пронизаны обширной сетью капилляров. На уровне тканей кислород выскакивает из эритроцитов и проникает через капилляры в клетки органа или мышцы, находящихся поблизости.

Внутри каждой клетки находятся митохондрии, специализированные органеллы, в которых происходит клеточное дыхание: там кислород соединяется с глюкозой с образованием углекислого газа, воды и АТФ. АТФ является нашим основным источником энергии. Благодаря молекуле АТФ возможны многие процессы нашего организма, включая сокращение мышц, производство ферментов и движение молекул внутри наших клеток.

АТФ запускает эти процессы путем отщепления одной из своих фосфатных групп, электроны которой находятся в высокоэнергетическом состоянии, и передавая эту энергию для активации необходимых процессов в клетке. Теперь, став аденозиндифосфатом, она возвращается в митохондрии, чтобы снова стать высокоэнергетическим трифосфатом в ходе непрекращающегося процесса клеточного дыхания.

Побочным продуктом использования кислорода и клеточного дыхания является углекислый газ (CO₂), который в процессе диффузии переходит из клетки в кровь и снова в капилляры, по которым кровь теперь поступает в вены. Не используемый организмом, CO₂ доставляется обратно в легкие нашей венозной системой и также за счет диффузии переходит в альвеолы. Оттуда воздух, теперь уже содержащий другую смесь газов, на выдохе при расслаблении диафрагмы выталкивается наружу через сеть бронхиол и бронхов и, наконец, изгоняется изо рта или носа снова в атмосферу. CO₂ легко рассеивается в воздухе, где его концентрации очень низки — 0,04% от всех газов атмосферы.

Концентрация кислорода в атмосфере остается на сравнительно стабильном уровне — 21%, поэтому на следующем вдохе мы сможем снова наполниться этой молекулой жизни. (Остальную часть атмосферы практически полностью составляет азот, безвредный, но и бесполезный для нас газ.)

Наше ухо так точно настроено на дыхание спящих близких, потому что мы инстинктивно пониманием его важность: питаться мы можем нерегулярно, но дыхание должно быть непрерывным. Эта система должна быть идеально скоординирована, так как концентрации газов в нашей крови не должны выходить за пределы очень узкого диапазона значений.

Рецепторы в аорте и сонной артерии постоянно контролируют уровни кислорода и углекислого газа и посылают сигналы обратной связи в дыхательный центр в стволе головного мозга. Даже малейшее изменение в уровнях газа будет инициировать больше или меньше сигналов на наши мышцы, управляющие дыханием.

В кору головного мозга, высший отдел мозга, также подается сигнал обратной связи о процессах в дыхательном центре ствола мозга, оповещая нас о любой надвигающейся опасности. При этом возникает знакомое всем нам тревожное ощущение, если наш мозг чувствует, что с уровнями кислорода или углекислого газа что-то не так, например, когда мы задерживаем дыхание.

Углекислый газ — это то, что вызывает большинство симптомов при задержке дыхания, потому что при этом он начинает накапливаться в нашей крови и превращаться в кислоту. Эта кислота токсична для наших клеток, особенно когда начинает связываться с белками и другими молекулами, с которыми связываться не должна, препятствуя нормальному функционированию клеток.

Если продолжать задерживать дыхание, проблемой также становится недостаток кислорода, и так как клеточное дыхание в наших митохондриях в случае нехватки кислорода прекращается, наступает клеточная смерть. Особенно чувствительны к этому клетки сердечной мышцы, и в экстремальных случаях, при слишком высокой концентрации углекислого газа или слишком низкой концентрации кислорода, может возникнуть сердечная аритмия. Дыхание — это самый важный процесс из тех, что мы осознаем, и организм строго следит за ним.

Основы нашего понимания этих легочных процессов, да и всей западной медицины, были заложены в Древней Греции. После мифических персонажей, Аполлона и его сына Асклепия, чей жезл является сегодня символом медицины, первой легендарной, но реальной фигурой в истории медицины стал Гиппократ, родившийся в 460 г. до н. э. на греческом острове Кос. Он навеки прославился тем, что придумал клятву, которую все врачи до сих пор дают, когда получают диплом, и заслуженно известен как «отец медицины» за то, что осознал: болезнь является следствием природных процессов, а не результатом действия магии или богов.

Гиппократ размышлял над многими анатомическими системами, а также изучал дыхание. Он понял, что вдыхание воздуха имеет основополагающее значение для жизни. По этой причине Гиппократ и греки считали воздух жизненно необходимым и уникальным. Они называли его пневма (pneuma), что буквально означает «воздух» или «дыхание», но для древних греков это слово также означало «жизненная сила».

Эту пневму вдыхали, она проходила через легкие в кровь и далее в сердце, где становилась пневмой зотикон (pneuma zoticon), или жизненным духом. Затем этот жизненный дух переносился в органы, в том числе в печень и мозг, где превращался в пневму психикон (pneuma psychicon), или животный дух, который считался движущей силой, создаваемой телом из воздуха. От духа (воздуха или пневмы) к жизненному духу и к животному духу — греки и Гиппократ прозорливо считали, что, по сути, наше существование неотделимо от атмосферы.

Следующей великой фигурой, изменившей наши представления о дыхании и кровообращении, стал Клавдий Гален, живший примерно на 500 лет позже Гиппократа. Более известный просто как Гален, он родился в сентябре 129 г. н. э. в городе Пергаме недалеко от Эгейского моря, который сейчас находится на территории Турции. Его отец, богатый патриций, изначально планировал, что сын станет философом и государственным деятелем. Эти планы изменились, когда во сне отцу явился врач Асклепий из мифов и наказал, чтобы его сын начал изучать медицину. Отец не жалел средств, и Гален обучался в самых лучших учебных заведениях по всей Римской империи.

Закончив учебу, Гален начал практиковать в Пергаме. Он стал личным врачом гладиаторов верховного жреца Азии, совершив дерзкий поступок. По его собственным словам, он извлек внутренности из обезьяны, а затем бросил вызов другим врачам — сможет ли кто-то из них устранить повреждения.

Когда никто не вызвался, он самостоятельно провел операцию, успешно восстановив обезьяну и завоевав расположение верховного жреца. Позднее он переехал в Рим и стал личным врачом нескольких императоров, в частности Коммода, который правил с 161 по 192 г. н. э. Гален внес свой вклад во многие области медицины, а также расширил наше понимание легких и системы кровообращения. Он заметил, что «кровь, проходя через легкие, впитывает из вдыхаемого воздуха качество тепла, которое затем переносится в левое сердце».

Римский закон запрещал анатомирование человеческих тел, но Гален делал вскрытия приматов и свиней. Он первым описал две отдельные системы кровообращения — артерии и вены. Он считал, что печень, темно- фиолетовая внутри, является местом, где образуется кровь. Из печени, предположил он, половина крови выходит в вены, доставляется к тканям и поглощается. Другая половина идет по вене в легкие, где захватывает пневму, затем к сердцу, артериям и к тканям.

Несмотря на то что теории Галена о кровотоке окажутся частично ошибочными, его работы были важны, как и у Гиппократа, благодаря своей методологии. Гален зацементировал представление о том, что лечение и болезни не результат божественного вмешательства, а могут быть распознаны по эмпирическим свидетельствам и путем умозаключений на основании наблюдений и анализа причинноследственных связей. Тем не менее прошло более тысячи лет, прежде чем его идеи о движении кислорода в кровообращении были исправлены.

По несколько ироничному контрасту с принципами Галена на протяжении веков его идеи воспринимались как доктрина, в частности, идеи о потоке крови как в артерии и вены, так и в печень, эпицентр производства крови. К счастью, мысль о важности дыхания также не изменилась, о чем свидетельствуют слова ученого эпохи Возрождения Алессандро Бенедетти, поэтически написавшего в 1497 г.: «Как печень превращает лимфу, так легкое превращает дыхание в пищу для жизненного духа».

Человеком, который изменил наше понимание кровотока, был Уильям Гарвей, английский врач, получивший образование в Падуе, Италия. Он, как и Гален, был масштабной личностью и часто ходил с кинжалом на поясе, как это было в моде в хаотичной Италии эпохи Возрождения. Он был невысокого мнения о своих собратьях, а биограф, живший в то же время, утверждал: «Он имел обыкновение говорить, что человек — это всего лишь большой шаловливый павиан».

Завершив обучение в Италии и обосновавшись в Англии, Гарвей опубликовал в 1628 г. книгу «О движении сердца и крови» (De Motu Cordis et Sanguinis), тем самым закрепив свою репутацию гиганта в истории медицины. Эта работа была основополагающей для нашего понимания основных физиологических принципов движения крови в организме.

У Гарвея было два революционных озарения. Он отмечал, что от своего итальянского наставника узнал: все вены имеют клапаны одностороннего действия, направленные от тканей и органов в сторону сердца. Почему венозная система, которая, согласно постулату Галена, приносила кровь к органам так же, как это делали артерии, имела обратные клапаны, не подпускающие кровь к этим частям тела, было нелегко объяснить.

Второе важное наблюдение Гарвей сделал, усердно анатомируя людей и животных. Он подсчитал, что сердце перекачивает намного больше крови, чем считалось ранее, примерно 5 л в минуту. Он правильно рассудил, что ткани не могут потреблять такой объем крови каждую минуту, как считал Гален.

Ему требовалось более разумное объяснение, простая, но элегантная система — и это противоречило догмам, существовавшим в течение 1500 лет. Поэтому он предложил нечто часто встречающееся в природе: систему повторного использования и переработки, систему непрерывного потока, кругооборот, или, как мы ее сейчас называем, кровообращение. Кровь не потребляется тканями — она используется снова и снова.

Как правильно заключил Гарвей, кровь движется по кругу. По артериям она попадает в ткани, где кислород выпрыгивает из молекул гемоглобина, а углекислый газ запрыгивает в них, затем по венам уносится в правую часть сердца, оттуда через легочную артерию в легкие, где углекислый газ, образовавшийся в процессе тканевого дыхания, высвобождается, а кислород захватывается, потом в левую часть сердца и снова наружу через обширную артериальную систему обратно к тканям. Кровь непрерывно циркулирует в красивой петле, при этом костный мозг (а не печень) создает новые красные и белые кровяные клетки по мере необходимости.

Эта идея сначала была воспринята как научная ересь из-за главенствовавших тогда взглядов Галена. В ответ на широко распространенные сомнения в мае 1636 г. Гарвей прочитал лекцию, которая примечательна тем, что была столь же поучительной, сколь и шокирующей. В развевающемся белом халате для препарирования, он обращался к собравшимся в Альтдорфском университете в Баварии, Германия, профессорам, студентам и широкой публике на латыни.

Сначала на секционный стол положили и закрепили на нем ремнями живую собаку. Далее Гарвей заявил: «Очевидно, что наблюдать за движением и функцией сердца легче на живых животных, чем на мертвых людях». Сказав это, он вскрыл ножом грудную клетку извивающейся собаки, чтобы обнажить бьющееся сердце, а затем перерезал у сердца кровеносный сосуд, чтобы показать зрителям, какое огромное количество крови начало выплескиваться наружу. Он стремился втолковать свою идею о том, что сердце — это насос и что такое количество крови не может быть потреблено тканями, а должно циркулировать.

Несмотря на это эффектное представление, многие современники Гарвея продолжали сомневаться. Каспар Гофман, ученый, присутствовавший на его лекции в Альтдорфском университете, заявил: Video sed non credo («Вижу, но не верю»). Другие критики указывали на то, что его теория не заработает, если Гарвей не объяснит два важнейших, но пока необъяснимых момента. Первым было то, что между артериями на одном конце и венами на другом должна была существовать какая-то сеть сосудов.

Сейчас мы знаем о капиллярах, но у Гарвея не было инструментов, с помощью которых можно было бы увидеть или открыть эти крошечные кровеносные сосуды. Он сделал обоснованное предположение, которое так часто необходимо в науке. Подтверждение последовало вскоре, в 1661 г., когда Марчелло Мальпиги опубликовал свою работу «Анатомические наблюдения за легкими» (De Polmonibus Observationses anatomicae), подтвердив с помощью микроскопа, что капилляры действительно существуют.

Второй неизвестный момент — почему и как кровь изменяет окраску от темной на светлую. И здесь Гарвей смутно подозревал, что что-то существенное в атмосфере, втягиваемой легкими, превращало синеватую кровь в яркоалую. Тогда никто не имел представления о роли кислорода, но Гарвей интуитивно понимал это и описал в «Лекциях по полной анатомии» (1653), когда сделал проницательное наблюдение: «Жизнь и дыхание дополняют друг друга. Все живое дышит, а все, что дышит, — живет».

Установить, что же такое легкие и тело должны были захватывать из атмосферы, удалось нескоро. Древние греки считали воздух одним из четырех классических элементов, наряду с огнем, водой и землей. На протяжении последующих веков считалось, что воздух — это единое вещество.

Только в XVIII в. ученые начали эксперименты по выделению различных химических элементов, в том числе содержащихся в воздухе. Одним из первооткрывателей кислорода считается Джозеф Пристли. Он проводил эксперименты в 1774 г., а затем в течение следующих нескольких лет публиковал информацию о них в журнале «Эксперименты и наблюдения о различных типах воздуха» (Experiments and Observations on Diff erent Kinds of Air).

Один из этих экспериментов документально подтвердил, что в запечатанной банке с воздухом умирает мышь и затухает пламя свечи. Затем Пристли создал новый газ, фокусируя свет с помощью аппарата, похожего на лупу, на куске оксида ртути, и заметил, что этот новый газ поддерживал и горение свечи, и мышь живой намного дольше, чем обычный воздух. Пристли поделился своими наблюдениями с французским ученым Антуаном Лавуазье, который проведет дальнейшие эксперименты по очистке воздуха и подарит нам термин кислород.

Базовая модель циркуляции Гарвея остается неизменной и сегодня. Мы улучшили наше понимание воспаления, генетики и клеточного движения, но наши представления о том, что и зачем делает наше кровообращение, не изменились. Разорвать устоявшуюся за много веков догму было нелегко, но из анализа методов Гарвея становится понятно, как совершается большинство научных прорывов.

Во-первых, Гарвей проигнорировал доминирующую теорию (в данном случае ту, что царила в течение предшествующих 1500 лет). Затем он сделал несколько прозорливых наблюдений и, основываясь на ограниченных данных, выдвинул уникальную теорию. Он проверил свою гипотезу, собрав больше данных, и увидел, что, похоже, ее ничто не опровергало. Он не отступал от нее, несмотря на два пробела в его модели (отсутствие знаний о капиллярах и кислороде). Обладая этими знаниями, мы сегодня понимаем важность поддержания циркуляции у пациента при помощи свежего кислорода. Нам также до боли знакомы тяжелые последствия, когда этот круг разрывается.

_{Отрывок из книги Майкла Стивена «С каждым вдохом: Удивительная история наших легких». М.: Издательство Альпина нон-фикшн, 2024.}