Прежде чем мы слишком увлечёмся тем, насколько круты наши системы кровообращения, вы должны знать, что есть некоторые относительно крупные организмы, которые прекрасно обходятся без сложных систем кровообращения. Например, у насекомых открытая система кровообращения, она не замыкается в петлю между органами и сердцем. Гемолимфа (эквивалент крови) циркулирует по телу насекомого под действием сердечных спинных насосов. Она движется по сосудам, которые в итоге приводят к так называемым гемоцелям – пространству между органами. Внутренние органы буквально плавают в питательной жидкости, которая в конечном счёте просачивается обратно и возвращается в сердце через крошечные клапаны, называемые остиями.
Ключевым моментом здесь является то, что в отличие от животных, положим, позвоночных, кровообращение насекомых не участвует в транспортировке газов, таких как O2 и CO2, или в обмене этих газов с тканями организма[46]. Потребности москита в кислороде удовлетворяются через ряд отверстий (спиралей), которые находятся по обе стороны от его грудной клетки и живота. Воздух проходит из окружающей среды в дыхальца (которые также могут быть закрыты для предотвращения потери воды), а затем через систему из трубок, называемых трахеями. Постепенно трахеи становятся всё меньше и меньше и разветвляются в микроскопические сосуды, называемые трахеолами, через которые воздух, наконец, поступает для снабжения тканей и клеток.
Эта система прекрасно функционирует в рамках небольшого организма, но есть ограничения. Например, подобное трахеальное дыхание является основной причиной того, что комары и другие насекомые (постельные клопы) такого маленького размера. Более крупные животные состоят из слишком большого количества клеток, чтобы эффективно снабжаться кислородом через схожую дыхательную систему.
Кто-то из вас может спросить: подождите минутку, а как насчёт тех фотографий древних стрекоз с трёхфутовым размахом крыльев? Как они получали достаточно кислорода?
Есть данные, что в каменноугольный период (290–360 миллионов лет назад) благодаря обильной растительности и значительной площади лесных массивов в воздухе было большое содержание О2, во много раз выше, чем в современном мире. Этого дополнительного O2, по-видимому, было достаточно для поддержания жизнедеятельности крупных видов насекомых, которые использовали ту же трахеальную систему дыхания, что и их гораздо меньшие современные кузены.
Для обеспечения полноценной жизнедеятельности в человеческом организме должно постоянно находиться в среднем 4,5–5,7 литров крови. Плазма крови занимает 55 % этого объёма, а красные, белые клетки и тромбоциты – оставшиеся 45 %. Вода составляет около 92 % плазмы крови, а растворённые вещества – соответственно 8 %. Большинство этих растворённых веществ являются белками, вырабатываемыми в печени.
Чтобы считаться тканью, кровь должна состоять из нескольких типов клеток – и это так. Клетки крови (или корпускулы) бывают двух видов: эритроциты и лейкоциты. Эритроциты (от греч. erythrós – «красный») являются самыми многочисленными, составляя более 99 % клеток крови. Они выполняют одну-единственную функцию: переносят кислород и делают это с помощью гемоглобина, который заполняет клетки. Гемоглобин действует, как кислородный магнит, собирая его там, где он в изобилии (в лёгких), и сбрасывая в местах, где его не хватает (например, в тканях, клетки которых требуют постоянного поступления кислорода и питательных веществ). Гемоглобин настолько эффективен при переносе кислорода (по сравнению, скажем, с водой), что без него человеку потребовалось бы для этой цели 340 литров жидкости, циркулирующей в теле.
Однако гемоглобин, помимо кислорода, так же эффективно притягивает и углекислый газ. Это означает, что гемоглобин переносит потенциально смертельное вещество вместе с кислородом. Если гемоглобин доставит больше углекислого газа, чем кислорода, у мозга начнётся кислородное голодание, а это приведёт к потере сознания и в некоторых случаях даже к повреждению мозга и летальному исходу[47].
Хорошо, вернёмся к клеткам крови.
Белые кровяные тельца очень разнообразны. Прежде всего, у них есть ядро, и они не содержат гемоглобин (поэтому не переносят кислород). Лейкоциты разделяют на две основные группы (гранулоциты и агранулоциты) в зависимости от того, выглядит ли их цитоплазма зернистой при окрашивании для просмотра под микроскопом[48].
Функционально некоторые лейкоциты (нейтрофилы и макрофаги) похожи на амёб. Вместо того чтобы искать пищу, блуждающие фагоциты (или свободные макрофаги) циркулируют по организму, выискивая чужеродные микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, идентифицируя места их скопления. Другой вид макрофагов неподвижен и находится в лимфатических узлах или миндалинах. Подобно солдатам, которым поручено охранять форт, этот вид макрофагов стоит на страже здоровых клеток организма.
При встрече с захватчиком (который распознаётся по чужеродным белкам или специфическим химическим веществам) фагоцит всасывает его внутрь. Внутри фагоцита микроб-неприятель находится в заключении в мембранном мешочке, содержащем неприятное рагу из летальных ферментов, бактерицидов и сильных окислителей. В большинстве случаев результатом этого химического удара является разрушение клеточной стенки захватчика, за которым следует токсическая ванна и в конечном счёте смерть. Любой мусор, который остаётся, выбрасывается из фагоцита в процессе экзоцитоза.
К сожалению, для фагоцитов не всегда всё так просто, и, как мы все знаем, хорошие парни не всегда побеждают. Например, стафилококки вырабатывают собственные токсины, которые могут убивать фагоциты. Другие захватчики, такие как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающий синдром приобретённого иммунодефицита (СПИД), эволюционирует настолько быстро, что нашей иммунной системе всё сложнее распознавать постоянно обновляющийся состав белков. Туберкулёзная палочка, в свою очередь, устойчива к обычно смертельной химической ванне фагоцитов. Эти патогены, ответственные за респираторный туберкулёз, попадают в фагоциты. Там они размножаются прямо в сумке с токсинами, в которую были заключены, чтобы, как инопланетянин Ридли Скотта, убить фагоцит (и травмировать любые фагоциты, которые будут находиться поблизости). Точно так же ВИЧ может скрываться в этих долгоживущих белых кровяных тельцах, иногда появляясь спустя долгие годы покоя.
Некоторые типы белых кровяных клеток защищают организм иным способом. Основная функция лейкоцитов – реагировать на вторжения повышением температуры. Во время этого процесса патогенный агент или повреждённая ткань разрушается и выводится из организма.
Так как же это работает?
После получения сигнала о вторжении инициируется повышение температуры, выделяются химические вещества (такие как гистамин и простагландины), которые заставляют кровеносные сосуды в поражённой области расширяться (увеличиваться в диаметре), а также становиться более проницаемыми. Расширение позволяет усилить приток к воспалённому участку крови питательных веществ, повышающих температуру соединений, называемых пирогенами, и большое количество фагоцитов. Поэтому область поражения становится красной и горячей на ощупь. Значительная проницаемость кровеносных сосудов даёт возможность плазме (и кавалерии фагоцитов) заполнять окружающую повреждённую ткань. В результате появляется регионарный отёк, характеризующий воспаление.
В месте воспалительного процесса макрофаги выслеживают и вступают в борьбу с инфекционными захватчиками, с которыми они сталкиваются. По мере того как продолжается битва, миллионы клеток приносят себя в жертву и им посмертно присуждается титул «храброго гноя». Другие макрофаги зачисляются в менее популярную команду «чистильщиков» (они очищают организм от «храброго гноя»)[49]. Ко всему вышеперечисленному можно только добавить, что нервные окончания в поражённой области реагируют на химические вещества и вызывают болевые ощущения.
К сожалению, лейкоциты и другие защитные клетки также ответственны за аллергические реакции. Чаще всего эта гиперчувствительность является результатом ошибочных (а иногда и угрожающих жизни) попыток организма защитить себя от вредных веществ, например пыльцы или пыли. Реагируя на эти аллергены так, как если бы они были в чрезвычайной ситуации, базофилы выделяют свои химические вещества, вызывающие воспаление, на этот раз там, где приземляются аллергены: в глазах и дыхательных путях.
А иногда наша иммунная система атакует собственные суставы (ревматоидный артрит), трансплантированные органы или тканевые трансплантаты. Чтобы предотвратить обширное повреждение тканей или отторжение трансплантата, пациенты иногда принимают препараты для подавления иммунитета. Одним из наиболее успешных был циклоспорин – вещество, первоначально выделенное из норвежского почвенного гриба. Циклоспорин снижает активность Т-клеток. В связи с тем, что препараты для подавления иммунитета часто назначаются в течение длительных периодов времени, опасность ослабления собственной иммунной системы довольно очевидна.
Некоторые лейкоциты (Т-клетки – киллеры) распознают и атакуют чужеродные микроскопические организмы. Другие лейкоциты (плазматические клетки, которые развиваются из лейкоцитов, называемых Б-клетками) производят миллионы крошечных антител. Антитела, как высокоточные ключи, встраиваются в рецепторы на поверхности антигенов. Несчастный антиген (антитело) теперь обречён на смерть, как тот парень с туалетной бумагой на ботинке обречён на насмешки. Ещё один вид лейкоцитов (Т-клетки – помощники) помогает возникновению иммунной реакции, в то время как Т-клетки – супрессоры подавляют её после завершения битвы. И последний вид – Т-клетки памяти – помогают вызвать необходимую реакцию при повторном появлении патогенного организма