{36}. В настоящее время проводятся новые исследования, и все сообщество специалистов-пульмонологов затаило дыхание в надежде, что этот первый метод лечения улучшит клинический исход для пациентов с ОРДС.
Джон Уэст много думал о вопросах оксигенации и газообмена на протяжении всей своей долгой карьеры, как в тишине лаборатории, так и на продуваемых всеми ветрами высотах горы Эверест[8]. В течение первых пяти десятилетий своей карьеры доктор Уэст изучал один и тот же класс животных – млекопитающих. Но затем он обратил внимание на совершенно другие виды – птиц – и достиг понимания важных аспектов дыхания.
Сегодня на Земле обитает около 10 000 видов птиц, что примерно в два раза превышает количество видов млекопитающих. У них множество различных сред обитания, и они способны длительное время выдерживать невероятно высокие нагрузки, то есть поддерживать высокую скорость обмена веществ. Из птиц особенно выделяются колибри, которые могут совершать до 70 взмахов крыла в секунду, а сердце у них может биться с частотой более 1200 ударов в минуту. Скорость обмена веществ у этих птичек в 30 раз выше, чем у человека. Еще одна примечательная птица – горный гусь, который способен летать на высоте до 9000 м. Такие физиологические достижения для человека немыслимы, и доктор Уэст считает, что именно легкие птиц, радикально отличающиеся от человеческих, делают их устойчивыми к очень высоким нагрузкам{37}.
Интерес доктора Уэста к птицам был подогрет в 1960 г., когда он провел полгода с группой исследователей на Эвересте. Проект получил название «Экспедиция в Серебряную хижину» из-за окрашенного серебристой краской домика, в котором они жили на леднике Мингбо, на высоте 5790 м (находящаяся неподалеку вершина Эвереста имеет высоту 8848 м). На этой площадке Уэст и другие ученые исследовали влияние большой высоты на организм человека. Проведя некоторое время в тех суровых высотных условиях, Уэст начал ощущать крайнюю усталость и сильно похудел. Однажды утром, пытаясь собраться с силами, он выглянул из окна «Серебряной хижины», привлеченный шумным гоготом. Над головой, на высоте около 6500 м, он увидел стаю из 12 довольно обычных коричневых гусей, без особых усилий летящих на эшелоне, обычно зарезервированном для реактивных самолетов. Как Уэст мог объяснить разницу между собственной крайней изнуренностью и легким полетом птиц?
Ответ на его вопрос лежит в устройстве их легких. Несмотря на все явные различия между птицами и человеком, одно из важнейших различий становится очевидным не сразу, хотя именно оно, скорее всего, объясняет успехи птиц в колонизации стольких мест обитания: в их легких работа по насыщению кислородом отделена от вентиляции. Наши легкие устроены просто, в них обе эти функции объединены. Они расширяются и сжимаются, обеспечивая движение воздуха, или вентиляцию, подобно мехам для каминов. В тех же зонах, которые расширяются и сокращаются для обеспечения вентиляции, также происходит газообмен, при котором кислород переходит в кровь, а углекислый газ высвобождается.
Но по своим наблюдениям Уэст сделал вывод, что, если бы инженер проектировал дыхательную машину, он разделил бы в ней функции газообмена и движения воздуха. Птицы имеют именно такую систему. У них с каждым вдохом воздух поступает в воздушные мешки, которые являются большими, легко растягивающимися органами, где не происходит никакого газообмена. Затем этот воздух отводится в отдельную зону для газообмена, называемую воздушными капиллярами. Там, поскольку газообменным ячейкам не требуется изгибаться при дыхании, расстояние между воздухом и кровеносными сосудами невероятно мало, намного меньше, чем одна треть микрона у млекопитающих, и это еще больше облегчает обмен. Последнее различие заключается в том, что воздух в легких птицы движется по кругу, что очень похоже на кровообращение, поэтому птицы получают свежий воздух как на вдохе, так и на выдохе. Мы же, напротив, получаем свежий воздух лишь на вдохе.
Благодаря всем этим различиям, утверждал доктор Уэст, дыхательная система птицы более эффективна, чем человеческая. В то же время наша форма определяется нашей функцией. Имеющиеся у нас легкие прекрасно подходят для большинства наших потребностей. Комплект птичьих легких нам пригодился бы только при подъеме вслед за горным гусем на Эверест без дополнительного кислорода, как пытались некоторые. Биология установила пределы, которые некоторые люди пытаются игнорировать, порой в ущерб себе.
Анатомия легких птицы с воздушными мешками для вентиляции и воздушными капиллярами для газообмена[9]
Устройство наших легких связано с нашим способом передвижения и базовыми потребностями выживания, которые значительно отличаются от тех, что характерны для птиц. Но при всех различиях между нашими классами, стандартные уровни кислорода в крови млекопитающего и птицы, как ни удивительно, являются совершенно одинаковыми – около 95 мм рт. ст. у обоих видов. Системы как птиц, так и млекопитающих, похоже, привязаны к этому оптимальному уровню кислорода, не слишком низкому, но и не слишком высокому.
Мы знаем, что низкие уровни кислорода представляют проблему, но при более высоких уровнях, выше 100 мм рт. ст., кислород может стать токсичным. Он будет захватывать электроны, что нам совершенно не нужно, в процессе, подобном окислению, от которого образуется ржавчина на машине. Законы и ограничения химии действуют во всех наших биологических системах, включая общее анатомическое строение легких.
Воздушные пути в легких устроены так, чтобы обеспечивать максимальный поток[10]
Но нашу физиологию определяют не только законы химии. Действуют и другие силы природы. Как описано в прологе, наши легкие похожи на разветвляющееся дерево, заканчивающееся листьями наверху и корнями внизу. Легкие также можно сравнить с притоками реки, впадающими в главное русло. Нейроны мозга, расходясь усиками от главного аксона, следуют аналогичной конфигурации. Человеческое тело само по себе является еще одним примером, разделяясь от туловища на конечности, которые затем делятся на пальцы рук и ног.
Нам так привычно это разветвляющееся строение, потому что, похоже, оно подчиняется закону физики, впервые описанному в 1996 г. физиком из Университета Дьюка Адрианом Бежаном. Этот закон, названный конструктивным законом, устанавливает, что «для того, чтобы система выжила, она должна эволюционировать со временем, увеличивая доступ к потоку»{38}. Оказывается, наши легкие имеют именно такую идеальную структуру, когда множество маленьких веточек соединяются с одной большой. Легкие увязаны с вселенной физики как никакой другой орган, идеально используя выделенное для них пространство для максимального потока. А оптимизация потока и движения определенно является одной из целей жизни с биологической точки зрения.
Глава 3Первый вдох младенца
Легкие не только способствовали началу сухопутной жизни на нашей планете, они также способствуют началу жизни каждого отдельного человека. В последнем триместре беременности легкие остаются единственным неработающим органом у плода. Сердце совершает колоссальные 160 ударов в минуту, почки производят мочу, причем младенец писает прямо в амниотическую жидкость (которую затем снова проглатывает, повторяя цикл). Мозг и мышцы бодрствуют, младенец пинается, кувыркается и переворачивается. Но легкие остаются совершенно неподвижными и не функционируют.
Все это меняется, и резко, когда младенец появляется на свет из утробы матери. Легкие должны включиться мгновенно, чтобы приступить к своей работе по извлечению кислорода и выделению углекислого газа. Для оценки успешности такого превращения во всех больницах по всему свету используют так называемую шкалу АПГАР, названную по имени выдающегося профессора хирургии из Колумбийского университета Вирджинии Апгар. Доктор Апгар, первая женщина, получившая статус профессора в Медицинской школе Колумбийского университета, придумала этот удивительно простой и элегантный способ оценки здоровья новорожденных в 1953 г.
Спустя одну минуту и пять минут после рождения оцениваются внешний вид, пульс, мимика, активность и дыхание (APGAR – Appearance, Pulse, Grimace, Activity, Respiration), и по каждому выставляется оценка 0, 1 или 2, в сумме дающие максимум 10 баллов. Большинство младенцев легко получают 8 или 9 баллов. Цель оценки по Апгар – выявить тех младенцев, для которых существует угроза жизни, и принять активные меры по компенсации имеющихся нарушений. Можно просто тормошить младенца, пока он не оживет, или дать ему больше кислорода, или вставить эндотрахеальную трубку в легкие. В медицине иногда предпочтительнее бездействие по принципу «прежде всего не навреди». Низкая оценка по шкале Апгар не тот случай. Состояние новорожденного, получившего 6 или 7 баллов, обычно улучшается само по себе. Оценка меньше 5 означает, что пора начинать паниковать.
Шкала Апгар отражает на самом базовом уровне способность легких, сердца, мозга и мышц грудной клетки мгновенно перестроиться от жизни в жидкой среде к жизни на воздухе. Но из этих четырех систем на долю легких приходится больше всего работы, потому что, когда младенец был в утробе матери, они, как мокрая губка, были пропитаны амниотической жидкостью. Источником кислорода для плода является плацента, эта ярко-красная похожая на медузу структура, исторгаемая после рождения младенца. Плацента аккуратно забирает богатую кислородом кровь из сосудов матки и направляет ее к плоду по пупочной вене.
Попав в пупочную вену, кровь проходит через ряд открытых протоков: один, идущий через печень, а другой через сердце справа налево, в обход незадействованных легких. Затем кровь выходит с левой стороны сердца в аорту и питает органы. Забрав кислород, ткани возвращают кровь в вены, откуда она в конце концов возвращается в организм матери по пупочной артерии.