Дыхательная система человека[3]
Продолжая свой естественный поток из зоны высокой концентрации в зону низкой концентрации, кислород беспрепятственно 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.)
Газообмен на уровне альвеол[4]
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{27}.
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{28}.
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»{29}. 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 причинно-следственных 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»{30}.
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»{31}.
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.