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{32}.
Система кровообращения[5]
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 ярко-алую. 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 Different 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.
Мозг осознает важность дыхания и очень внимательно следит за ним, контролируя уровни кислорода и углекислого газа. Чтобы справляться с потребностями, система способна выдерживать много сбоев, благодаря тому что в наших легких имеется 500 млн альвеол. Если распределить их по поверхности, эти альвеолы покрыли бы примерно 100 кв. м – это размер теннисного корта. Поэтому можно полностью потерять одно легкое и все равно иметь сносную жизнь. Другой отказоустойчивый механизм – это эффективность переноса газов; стенка, через которую должен пройти кислород, выходя из альвеол в капилляры, микроскопически тонка, толщиной в одну треть микрона. Сам микрон – это миллиардная доля метра, или тысячная доля миллиметра. Расстояние, которое кислород должен пройти, чтобы попасть из альвеол в капилляры, может быть в два раза больше без заметного затруднения дыхания в состоянии покоя.
К сожалению, бывают моменты, когда система перегружена и нуждается в помощи технологии. Когда я был интерном в больнице в Бостоне, однажды ночью мне поручили, несмотря на мою неопытность, проследить за тем, чтобы человек с сильно ослабленной функцией легких продержался до утра. К счастью, мне очень помогли люди, которые на самом деле знали, что делают. Врачевание может быть не только наукой, но и искусством. Это был один из тех случаев.
Далеко за полночь я сидел с ординатором на сестринском посту, с тревогой ожидая прибытия Леонарда Джозефа, пациента из глухих лесов штата Мэн, которого свалила тяжелая инфекционная пневмония, вызвавшая в легких массивный прилив воспалительных клеток, забивших альвеолы и сильно нарушивших газообмен. Его подключили к ИВЛ, но даже при такой серьезной поддержке его легкие оставались неэластичными и с трудом расширялись. Нужный ему кислород не попадал в организм, а с другого конца клеточного дыхания не выходил углекислый газ.
Когда двери, наконец, распахнулись и фельдшеры скорой помощи закатили мистера Джозефа из холодной январской ночи, я нервно принял толстую пачку записей из больницы штата Мэн, в которую его сначала доставили. Я проследовал за ординатором в отделение реанимации и интенсивной терапии, куда перевели пациента и где он проведет следующий месяц. Я видел, что через трубку в горле он получал 100 %-ный кислород, это много по сравнению с 21 %-ным, который мы обычно получаем из атмосферы.
Мы оцениваем эффективность переноса кислорода в кровь, измеряя давление, которое кислород создает в артериях и которое является мерой его количества в крови. Образец крови на анализ берется из легкодоступной лучевой артерии – той, что питает руку, – а затем отправляется в лабораторию. Исторически сложилось так, что давление кислорода в крови измеряется с помощью ртутного столба по тому, сколько ртути способен сдвинуть газ. У нормального здорового испытуемого, вдыхающего смесь атмосферных газов, содержащую 21 % кислорода, давление кислорода в артериальной крови составит примерно 95 миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.). Однако у пациента из штата Мэн уровень кислорода составлял всего 60 мм рт. ст., причем в тот момент он дышал 100 %-ным кислородом.
Как только уровень падает ниже 60 мм рт. ст., наши ткани перестают получать достаточно кислорода. С этого момента начинают умирать клетки мозга и возникает раздражение сердца. Понятно, что ситуация была критической, и простого решения не было. Обычно мы просто повышали уровень подачи кислорода в аппарате ИВЛ, но он уже был 100 %-ным. Чтобы стабилизировать этого пациента, нужно было что-то более изобретательное, чем простой поворот ручки регулятора.
Через несколько минут появился курирующий врач, и вместе с ординатором они обсудили более сложные приемы, которые помогли бы поддерживать поступление кислорода и вывод углекислого газа. Последнее, что предложил курирующий врач, это поворот в прон-позицию. Потом он ушел. Первый вопрос, который я задал, был: «Что такое поворот в прон-позицию?» Ординатор Кевин посмотрел на меня устало и сказал: «Поворот в прон-позицию – это когда ты переворачиваешь пациента на живот».