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.