На рис. 10 показана модель работы легких. Только у нас вместо пластиковой бутылки – грудная клетка, вместо резиновой мембраны – диафрагма и плевральная полость, а вместо шариков – сами легкие. Когда мембрана снизу оттягивается и места в бутылке становится больше, в шарики набирается воздух. Когда мембрана не оттянута, шарики сдуваются, ведь нет никакого отрицательного давления вокруг и дополнительного места, куда им можно было бы расширяться.

Рис. 10. Модель работы легких

Внутри плевральной полости, между легкими и грудной клеткой, давление ниже атмосферного, что совсем уж странно. По законам физики, воздух из области высокого давления идет в область низкого давления, именно поэтому на земле существуют ветра. Та же история, но в меньшем масштабе, происходит в легких. Так как внутри давление ниже, чем в атмосфере, воздух легко заходит в легкие. Например, сегодня, когда я пишу эту книгу атмосферное давление 757 мм рт. ст., а значит, давление внутри моей грудной клетки 754,5 мм рт. ст. При этом на вдохе грудная клетка расширяется, диафрагма опускается, а значит, объем внутри грудной полости увеличивается и давление внутри плевральной полости становится еще более отрицательным, а воздух затягивается внутрь, то есть вот сейчас я вдохну и давление внутри моих легких упадет до 751 мм рт. ст., если вдохнуть очень глубоко, оно может упасть даже до 727 мм рт. ст.

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.

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 – 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.