Введение
Накопление знаний о деятельности, назначении и механике отдельных частей человеческого тела началось в давние времена, когда первобытные люди встречались с необычными проявлениями жизнедеятельности. Можно предположить, что интерес к строению человеческого организма зародился, когда кто-либо из древних людей был тяжело ранен. Соплеменники наблюдали в кровоточащей зияющей ране сородича странные движущиеся образования. Ритмично вздрагивало сердце; густела кровь, стекая на землю; пузырилась светлая ткань легких; темная, почти коричневая, печень показывала свой острый край; болталась на сосудистой ножке почка; источал зеленовато-черную жидкость желчный пузырь; медленно двигались петли окровавленного кишечника. А когда движения внутренних структур прекращались, то организм менял внешний облик, цвет, холодел и умирал. Конечно, загадочные процессы в человеческом организме, в обычных условиях скрытые покровами тела, не могли не заинтересовать невольных наблюдателей. Они анализировали, делали выводы и обобщения, искали объяснения. Так зарождались первые представления о форме, строении и функциях составных частей организма человека. И был сделан первый шаг на широкую дорогу современной науки. Многие из умозаключений древних людей не выдержали критики последующих поколений и были отвергнуты со временем, но, безусловно, правильным был первый вывод о построении человеческого тела – оно так же, как и окружающий мир, состоит из материи, способной к движению и обличенной в разнообразные формы для лучшего функционирования. Прошло несколько тысячелетий, прежде чем ученые разобрались в большинстве химических процессов организма человека, тонкие механизмы которых непосредственно связаны с темой настоящего издания. В давние времена сложилась концепция, что в основе материи окружающего мира лежат первоэлементы-стихии – вода, воздух, огонь и земля. Это учение активно развивалось древнегреческими философами, фактически создавшими базу для современной методологии наук о жизни. Постулируя выше правильность вывода о материальной идентичности окружающего мира и человека, мы обязаны признать, что принципы химизма организма допустимо рассматривать с позиции, например, Аристотеля. Действительно, даже беглое знакомство с достижениями наук о человеке позволяет выделить процессы и реакции, ассоциирующиеся с водой, воздухом, огнем и землей. Именно поэтому в данном издании современные научные достижения расположены в разделах, озаглавленных в соответствии с представлениями древних о стихиях-первоэлементах. Конечно, такое разделение выглядит достаточно условно, однако позволяет легко обобщить обширные и часто разрозненные данные нормальной и патологической физиологии, биохимии, биоорганической химии, а также дать читателю наиболее полное и наглядное представление о современных достижениях наук о жизни. Итак, в раздел «Corpus Aquae» включены факты, связанные с поддержанием постоянства жидких сред организма (кислотно-щелочное равновесие, баланс жидкостей, отеки, свертывание крови и др.). Кроме дыхания в раздел, обозначенный как «Corpus Aeris», включена информация и о связывании кислорода белками, и о гипоксии, и об органах чувств. В «Corpus Ignis» читатель найдет терморегуляцию, ожоги и обморожения, воспаление. Ну, а «Corpus Terrae» среди прочего познакомит с биотрансформацией токсических соединений и экологией человека. Факты о современных достижениях в области управления жизнедеятельности организма размещены в «Elementum Quintum».
;
I. Corpus Aquae
Водные ресурсы нашей планеты составляют 1338000км3. Из этого количества более 90% приходится на долю Мирового океана, а запасы пресной компоненты, так необходимой для нормального существования, составляют лишь ок. 2,5%. Зарождение и проявления жизни ок. четырех миллиардов лет назад в нашем мире было связано с водой (Н2О), как уникальным соединением, которое входит практически во все природные структуры. Наверное, неспроста в организме матери окруженный жидкостью человеческий плод в своем развитии всего за девять месяцев повторяет такой долгий эволюционный путь живых существ. «Жизнь – это одухотворенная вода» – так написал в одной из своих тетрадей Леонардо да Винчи (1452–1519). Н2О необходима каждой клеточке тела любого человека, будь он философом-богословом или свинопасом. В организме Н2О всегда находится во взаимодействии с органическими и неорганическими молекулами. В зависимости от структуры биологические молекулы формируют с Н2О разнообразные комплексы. В водной среде происходит большинство биохимических реакций. Далеко не все свойства комплексных биомолекул и механизмы химических реакций в живом теле объяснены современными учеными, однако все единогласны в том, что в организме нет частей, которые бы функционировали без Н2О. Мозг человека на 95% состоит из воды, почки содержат ок. 84%, сердце – ок. 79%, даже кости включают в свой состав до 22% Н2О. Свободными жидкостями организма человека, основу которых составляет вода, являются (л/сут): слюна (0,5–2,0), желудочный сок (2,5); желчь (0,5–2,0), сок поджелудочной железы (0,7); кишечный сок (3). Кроме того, в организме всегда содержится ок. 0,13 л спинномозговой жидкости, ок. 5 л крови и примерно 2 л лимфы. Принято также разделение на внутриклеточную (ок. 70%) и внеклеточную (ок. 30%) воду. Роли Н2О отнюдь не ограничиваются участием в работе биокомплексов, растворением молекул и поддержанием химических реакций. Так, например, она участвует в транспорте соединений, является донором электронов и протонов в системе энергетического обеспечения организма и др. Уникальные молекулярные свойства Н2О определяют многие жизненно важные процессы в человеческом теле. Соотношение свободных жидкостей в организме человека важно знать при постановке диагноза и лечении больных. Лабораторная диагностика, клинические и биохимические анализы всегда строятся в медицинских учреждениях с учетом физико-химических свойств Н2О.
Дополнение1. Нормальный объем потребления жидкости человеком не должен быть меньше 0,8 л/сут. Смерть от обезвоживания организма наступает в течение периода от нескольких дней до нескольких недель. В отличие от других способов самоубийства, сухая голодовка не может быть предпринята под влиянием сиюминутных обстоятельств. Это осознанный уход из жизни. У людей, умирающих от обезвоживания, отмечаются изменения психики, обусловленные нарушением водного баланса.
Дополнение 2. «Я пришел к выводу о существовании четвертого термодинамического состояния воды или, проще говоря, «живой» воды. Я не буду приводить здесь термодинамические расчеты, они однозначно свидетельствуют о том, что нельзя вынуть живую воду из клетки, изучить ее вне клетки невозможно. Возможно, в будущем человеку удастся воспроизвести любой неводный компонент клетки. Но единственное, чего ему никогда не повторить – внутриклеточная вода», – эти слова принадлежат советско-австрийскому врачу-биофизику К.С. Тринчеру (1910–1997).
1. Тело в клеточках
Впервые клетки были описаны в 1665 г. английским естествоиспытателем Р. Гуком (1635–1703). В микроскоп он увидел, что кора пробкового дерева состоит из множества изолированных ячеек. Гук назвал ячейки «клетками» (лат. cella – клеть для хранения ч.-либо). Термин прочно утвердился в биологии, несмотря на то, что ученый наблюдал лишь оболочки, а не живые клетки. Понимание того, что все известные живые организмы на Земле состоят из особых функционально значимых изолированных образований пришло к ученым благодаря серии работ 1838–39 гг. немецких биологов М. Шлейдена (1804–1881) и Т. Шванна (1810–1882). В 1839 г. Т. Шванн распространил представление о клеточном строении на животных и сформулировал клеточную теорию, подчеркивая связь структуры и функции клеток. Клеточная теория очень быстро утвердилась во второй половине XIX столетия во всех науках о жизни, включая медицину. Нет нужды описывать здесь современные представления о внутреннем строении и многообразии клеток человека, достаточно сказать, что с точки зрения химии во всех клетках соблюдается принцип «компартментализации», то есть конкретные превращения соединений больше представлены в одних внутриклеточных структурах и меньше в других. Так, в везикулах клеток печени интенсивно идут окислительно-восстановительные реакции; мембранные сети мышечных клеток обогащены молекулярными машинами, способными транспортировать ионы; около мембран секреторных клеток расположены системы, отвечающие за передачу внешнего сигнала. Внутриклеточная химическая «компартментализация» в ходе эволюции привела к специализации клеток. В телах человека и животных специализированные по функциям клетки образуют ткани (нервная, мышечная, костная и др.) и формируют органы (почки, печень, сердце, мозг и др.) Но всегда информационная коммуникация, как внутренних структур клетки, так и органов, осуществляется с учетом свойств водной среды организма.
Дополнение 1. В 20-е годы XX-го века на схеме клетки, которая тогда больше походила на картину абстракциониста, выделяли всего четыре «компартмента». А через сорок-шестьдесят лет, на вполне реалистических иллюстрациях можно увидеть не менее семи структур. Прогресс в знании? Да, и в искусстве тоже...
Дополнение 2. За почти двести лет существования постулат клеточной теории «все живое состоит из клеток» подвергался серьезной конструктивной критике. Ведь вирусы, открытые в конце XIX-го века, очень похожи на живые организмы, но вне клетки ведут себя, скорее, как биополимерные комплексы. Некоторые исследователи характеризуют вирусы как «организмы на границе живого».
2. Ключ в замок
В клетках протекает ок. 3 тыс. химических реакций, определяющих общую жизнеспособность организма. Основным отличием процессов синтеза соединений в организме от аналогичного лабораторного процесса является наличие водной среды. В своей работе химик-органик имеет возможность менять условия, умело подбирая по ходу дела, например, обводненность среды или нужный растворитель-углеводород. А в клетке такой возможности нет. Там все многочисленные синтезы происходят в фиксированной среде с постоянными показателями (объем, температура, давление). И растворитель в клетке один, универсальный, – Н2О. При этом все реакции должны протекать максимально быстро, иначе эффективность всех биопроцессов будет низкой. Значит, должен быть общий механизм, обеспечивающий непрерывное и быстрое течение синтетических реакций внутри клетки. Он представлен особыми биологическими «ускорителями» реакций – ферментами (Ф). Разнообразные Ф организма человека всегда принадлежат к одному типу биомолекул – белкам. По химическому строению различают «простые» (состоят только из строительных кирпичиков всех белков – аминокислот) и «сложные» (дополнительно содержат небелковую часть) Ф. В состав Ф могут входить ионы цинка, меди, калия, магния, кальция, железа, молибдена, а также витамины. В процессе биохимической реакции в контакт с исходным соединением (субстратом) вступает не вся молекула фермента, а лишь часть, которая называется «активный центр». Согласно образному определению лауреата Нобелевской премии по химии 1902 года, пионера применения Ф в химии, Э.Г. Фишера (1852–1919) «активный центр фермента совпадает со структурой субстрата как ключ и замок».
Дополнение 1. Особенности Ф как биологических катализаторов химических реакций позволяет в некоторых случаях очень эффективно лечить пациентов. Так, аллопуринул – ингибитор одного из Ф, одновременно является лекарством для снижения патологического уровня мочевой кислоты в крови у подагриков.
Дополнение 2. Способность клеток к продукции с помощью Ф биологически активных соединений нашло применение в современной биотехнологической промышленности. Клетки выращивают в искусственных условиях, обеспечивают возможность синтезировать продукты, а потом собирают, концентрируют и фасуют готовые витамины, гормоны, антибиотики, антитела и т.п.
3. Акватории и конденсаторы
Синтез биологически значимых соединений (БЗС) происходит внутри специальной клетки-производителя. А воздействовать приходится на другие клетки, зачастую находящиеся совсем в другом месте. Словно кораблю в кругосветке, БЗС для осуществления своего предназначения необходимо пересечь границы суверенных акваторий организма. Молекулярный «фрегат» должен преодолеть Внутриклеточные бухты, Межклеточные моря, Кровяные и Лимфатические океаны. Чем же представлены границы этих акваторий в теле человека? Для знакомства с принципами разделения акваторий тела придется вспомнить электрохимию. Фундаментальной величиной, определяющей свойство среды пропускать заряженные частицы является относительная диэлектрическая проницаемость (;), показывающая, во сколько раз взаимодействие зарядов меньше, чем в вакууме. Для воды ; ок. 80. Это означает то, что чем ниже значение ; барьера между водными фазами, тем труднее будет молекулярному «фрегату» БЗС пересечь его. Такой барьер называют «гидрофобный» или «боящийся воды». В первом приближении (помним, однако, что в живом организме многие умозрительные упрощения ученых не работают) можно утверждать, что границы акваторий в организме похожи на… плоский конденсатор. Свойства конденсатора определяются размером пластин и качеством диэлектрического материала. Структурно в организме все границы представлены тремя типами биомолекул (липиды; белки; углеводы. Именно количественный и качественный состав этих молекул определяет ; пограничных участков акваторий организмов – маленьких биологических конденсаторов.
Дополнение 1. В медицинских исследованиях часто измеряют удельное сопротивление тканей (;, Ом.м). Изменения значений ; в ряду 0,55 (спинномозговая жидкость), 1,66 (кровь), 2,0 (мышечная ткань), 14,3 (нервная ткань), 33,3 (жировая ткань) являются доказательствами разделения акваторий тела человека по физико-химическим параметрам.
Дополнение 2. Электронномикроскопическим подтверждением особой структуры границ акваторий тела является трехслойная структура биологических мембран, окружающих клетки. Два пограничных с водой слоя состоят из полярных (гидрофобных) частей, а в середине находятся неполярные участки молекул. А ведь действительно, такая структура очень напоминает маленький электрический конденсатор!
4. Молекулярные фрегаты
В организме человека есть две системы, с помощью которых он приспосабливается к изменениям внешней среды: а) нервная, передающая импульсные электрохимические сигналы через клеточную сеть (о ней пойдет речь в разделе Corpus Ignis); б) эндокринная, осуществляющая свои функции на основе химических законов с помощью особых молекул – гормонов (Г). В зависимости от молекулярного строения Г организма разделяются на 4-5 групп. Одни Г могут вызывать нехватку или избыток производства энергии – человек начинает мерзнуть или испытывать «приливы» тепла; другие – перепады настроения, эмоциональные расстройства, проявляющиеся депрессиями, истериками или плаксивостью; третьи – резкую смену пищевых привычек, вдруг человек начинает потреблять большое количество гамбургеров или хот-догов. Из-за дисбаланса Г люди набирают лишний вес, что повышает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, сахарного диабета и др. заболеваний. Один из химических механизмов действия Г заключается в том, что преодолевший многочисленные акватории тела молекулярный «фрегат» (гормон) причаливает к специальному участку на поверхности клетки. Такой причал называется «рецептор». Связывание Г с рецептором запускает несколько реакций, приводящих к образованию внутри клетки посредников («мессенджеров»). Посредники оказывают прямое влияние на работу ферментов (см. «Ключ в замок»). Посредниками могут служить ионы кальция или циклические молекулы. Для других молекулярных кораблей-гормонов характерен иной механизм действия – доплыв по акваториям организма до нужной клетки, они достигают ядра и стимулируют гены, ответственные за синтез молекул-регуляторов.
Дополнение 1. Врач Дж.Р. Мюррей (1865–1939) первым в 1891 г. использовал вытяжку щитовидной железы овцы для лечения пациентки, страдающей от пониженного уровня гормонов. Пациентка с успехом принимала лекарство Мюррея на протяжении 20 лет.
Дополнение 2. До середины 80-х годов XX-го века необходимый для лечения детей соматотропин (гормон роста) получали из трупного материала. Позже, благодаря методам генной инженерии, наладили производство препарата в количестве, значительно превышающем потребности педиатрии. Возникло перепроизводство, и фармацевты бросились на поиски новых направлений сбыта. И нашли. Популярность гормона роста среди спортсменов-культуристов объясняется и экономическими факторами.
5. Щелочь Сциллы и кислота Харибды
Многие химические процессы, происходящие в живом организме, проходят с участием таких органических кислот, как уксусная, лимонная, молочная и др. Обычно кислые продукты обмена веществ или не накапливаются, или быстро выводятся во внешнюю среду, ведь живой организм очень чувствителен к колебаниям уровня ионов водорода (избыток Н+ делает среду кислой) и, соответственно, гидроксила (ОН- обеспечивает щелочную реакцию), во внутренних жидкостях. Нормальное соотношение Н+/ОН- в крови человека называется кислотно-щелочным равновесием (КЩР) и жестко регулируется химическими буферными системами (БС). Они способны и связывать Н+, и выводить излишек. Так происходит поддержание наиболее благоприятного для биологических процессов соотношения Н+/ОН- во внутренней среде организма. В крови человека самой сильной является бикарбонатная БС. В результате взаимодействия избытка Н+ с бикарбонатом образуется угольная кислота, которая затем переводится в СО2, выделяемый в атмосферу через легкие. Фосфатная БС поддерживает постоянство уровня Н+ внутри клеток тела. Многие белки, благодаря наличию и кислотных, и щелочных молекулярных участков, тоже способны образовывать стабильные БС. Буферные свойства конкретных белков зависят от концентрации, пространственной структуры и количества определенных химических групп. Для расчета БС организма Л. Дж. Хендерсон (1878–1942) и К. А. Хассельбах (1874–1962) предложили математическое уравнение. Все современные приборы определения КЩР сконструированы с учетом уравнения Хендерсона-Хассельбаха. Как умелый расчет помог гомеровскому Одиссею преодолеть пролив между ужасной Сциллой и кошмарной Харибдой, так же и все БС организма, подчиняясь числовым химическим законам, поддерживают нормальное соотношение Н+/ОН- – важный показатель жизнеспособности тела. И понятно, почему во время хирургической операции под общим наркозом врач анестезиолог-реаниматолог всегда строго следит за КЩР организма пациента.
Дополнение 1. Кислая Харибда организма – ацидоз (Ац), высокий уровень Н+. Ац наблюдается при некоторых лихорадках, кишечных расстройствах, беременности, длительном голодании. В тяжелых случаях Ац приводит к коме.
Дополнение 2. Щелочная Сцилла организма – алкалоз (Ал), высокий уровень ОН-. При Ал происходят нарушения циркуляции крови в органах, снижается артериальное давление, могут возникнуть обморочное состояние и судороги скелетных мышц.
6. Кочки Пэ Аш
В отличие от внутренних акваторий организма, где всегда поддерживается определенное соотношение Н+/ОН-, в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) человека химические буферные системы отсутствуют. Наоборот, слабощелочная среда ротовой полости сменяется очень кислой в желудке, а затем пища попадает в двенадцатиперстную кишку с щелочным содержимым. То есть, пища, проходя через ЖКТ, должна преодолеть несколько своеобразных кислотно-щелочных «кочек», на верхушках которых стоят строгие протоны, а в межуточных ямках плещутся гидроксил-ионы. Это нужно для того, чтобы эффективно переварить пищу, состоящую из белков, жиров и углеводов. В ротовой полости (слабо щелочная ямка) активно работают ферменты, расщепляющие углеводы, кислый желудочной сок (верхушка кочки) способствует разрушению белков, а в двенадцатиперстной кишке (очень щелочная ямка) расщепляются жиры. С помощью колебания соотношения только атомно-молекулярных компонентов воды (Н+/ОН-) поддерживается одна из эволюционных особенностей человека – всеядность, ведь мы можем вкушать практически весь ассортимент съедобных продуктов от бараньего шашлыка (белок, жир) до салата из овощей (в основном углеводы). Также кислотность биологических жидкостей (крови, мочи, желудочного сока и др.) является важным показателем здоровья. В клинике внутренних болезней, для диагностики целого ряда заболеваний, например, пищевода и желудка, одномоментная или средняя величина кислотности не является значимой. Гораздо важнее динамика кислотности в течение суток. В норме ночная кислотность должна отличаться от дневной – еще одна причина не наедаться вечером.
Дополнение 1. Датский ученый С.П.Л. Сёренсен (1868–1939) впервые использовал в 1909 г. обозначение рН, где p – начальная буква слов Potenz (нем.) и puissance (фр.), близкое русское слово «показатель». В дальнейшем символ рН был заменён на рН (произносится «Пэ Аш»). Это и есть водородный показатель, характеризующий кислотность биологических жидкостей. Он определяется строгой математической формулой, но врачи часто спрашивают у медсестер так: «а какой там Пэ Аш крови?».
Дополнение 2. Часто от переевшего человека можно услышать: «ох, мне плохо, у меня нулевая кислотность в желудке, ничего не переваривается». Это не более чем оборот речи, поскольку рН, по логарифмической формуле определения, не может быть равен 0. Кроме того, когда говорят о кислотности, важно помнить, что в различных частях одного органа она может значительно отличаться. Для просвета желудка рН ок. 1,5 (очень кисло), а слизь со стенки – нейтральная (рН=7,0).
7. Молекулярная помпа
Одним из основных условий жизнедеятельности клеток является неравномерное распределение ионов натрия (Na+) и калия (K+) в акваториях тела. Клетки активно накапливают K+ и выбрасывают Na+. Для чего это нужно? Разность концентраций катионов необходима организму для проведения возбуждения в нервных и мышечных клетках, нормального водно-солевого обмена и процессов молекулярного синтеза. В большинстве случаев K+ ускоряет, а Na+ замедляет внутриклеточные ферментативные реакции. Прохождение нервного импульса на клеточном уровне обеспечивается противотоком Na+ и K+. При столь частом следовании импульсов по нервной клетке, как это обычно бывает в организме, потери катионов, суммируясь, должны были бы привести к катастрофическому изменению ионного баланса всего организма. Однако такой катастрофы не происходит, поскольку в клеточной мембране существует механизм, обеспечивающий активное выведение наружу Na+ и «нагнетание» внутрь K+. Этот механизм называется натрий-калиевый «насос» или «помпа» и представляет собой молекулярную «машину», встроенную в клеточную мембрану. Любая машина требует горючего для своего функционирования. «Высокооктановым» топливом для поддержания натрий-калиевой разности являются соединения, содержащие фосфатную связь. Если каким-либо образом прекратить выработку таких соединений в клетке, то внутренний ионный состав сразу начнет меняться. В конце концов, соотношение Na+ и K+ станет таким же, как и в окружающей среде, – признак того, что клетка погибла. Словно доблестный пограничник, обеспечивающий суверенитет государства, стоит мембранный молекулярный насос на страже разности концентраций Na+ и K+, обеспечивая самую главную функцию организма – способность жить.
Дополнение 1. Кроме натрий-калиевой в организме существуют и другие молекулярные ионные помпы. Так, кальциевый насос, находящийся во внутренних мембранах мышечных клеток, обеспечивает транспорт Ca2+. Протонная помпа участвует в производстве клеточной энергии. Все молекулярные насосы являются сложноорганизованными ферментами.
Дополнение 2. Резко изменив соотношение Na+ и K+ снаружи клетки, можно временно остановить работу молекулярного насоса. Мышечная клетка в таких условиях перестанет сокращаться. Во время операции хирурги помещают сердце в раствор с большим содержанием калия. Сердце останавливается, что облегчает манипуляции. Конечно же, процедура проводится только после подключения пациента к аппарату искусственного кровообращения.
8. Иногда она сладкая
Исследователи во все времена проявляли интерес к жидким естественным выделениям человеческого тела. Понятно, что количество и доступность биоматериала во времена неразвитости химических методов анализа определяли развитие лабораторного теста. В нормальных условиях легче и больше всего жидкости из человеческого организма можно получить в виде мочи (М). Широкое распространение получила в Средние века уроскопия – диагностика болезней по М. Врачи «уроскописты» пользовались большой популярностью. В европейской медицине XIII—XIV веков различали несколько сотен типов этой биологической жидкости. Появились специальные трактаты, посвященные искусству органолептического исследования М. Для своей работы уроскописты пользовались спецсосудом, к которому предъявляли особые требования по форме, толщине, прозрачности, а также особой круговой диаграммой, названной «мочевым колесом» и содержавшей 20 цветных секторов, соответствовавших определенным симптомам. В «мочевом колесе» огромное значение уделялось запаху и вкусу исследуемого материала. Один из английских врачей тех времен писал о М пациента-диабетика: «удивительно сладкий вкус, словно жидкость насыщена медом». Дело дошло до того, что врачи стали рассматривать М как всеобъемлющий источник информации о больном. Некоторые из них даже отказывались от визита к больному, ограничиваясь исследованием доставленной курьером мочи. Средневековое исследование М заложило методические основы организации современных лабораторных анализов, а спецсосуд уроскописта прочно утвердился среди таких традиционных символов медицины, как чаша, змея и красный крест.
Дополнение 1. На одном из рисунков XIV века неизвестный художник изобразил врача, педагога и переводчика Константина Африканского (ок. 1010–1087), к которому стоят в очереди пациенты. Одни бережно держат спецсосуды, другие экспрессивно ими размахивают. Такие же сценки сейчас можно наблюдать в поликлиниках какого-нибудь российского города...
Дополнение 2. В ноябре 1845 года один лондонский доктор собрал посылку и написал следующее письмо. «Посылаю Вам образец человеческой М, обладающей высоким удельным весом. При кипячении мутнеет. Но при охлаждении принимает первоначальный вид. При добавлении кислоты пузырится, становится красной. Ответьте, что это?». Адресатом был известный химик Г. Бенс Джонс (1813–1873), который заинтересовался феноменом и открыл белок, ознаменовавший начало эры молекулярной иммунологии. В наше время наличие белка Бенс Джонса в М является золотым стандартом диагноза «миеломная болезнь».
9. На страже наводнений
Отеки (О) – избыточное накопление жидкости в тканях организма, проявляющееся увеличением размера и изменением таких физических свойств, как плотность и эластичность тканей, можно сравнить с природными стихийными бедствиями – наводнениями. О – признаки процессов, связанных с расстройствами кровообращения, нарушениями водно-солевого обмена, болезнями почек и печени. И, подобно природным наводнениям, вызывающим беспокойство специалистов МЧС, О пациента требуют пристального внимания врача. Различают местные и общие О. Первые связаны с нарушением баланса жидкости в ограниченном участке тела или в органе, а в основе вторых лежит изменение водного баланса всего организма, то есть, когда объем межклеточной жидкости увеличивается примерно на 15%. В норме на страже гидробаланса организма стоят почки. Чаще всего общие О сопровождают заболевания именно этих органов. Свидетельством нормальной работы почек является стабильный уровень натрия в организме. При повышении по каким-либо причинам (например, потребление пересоленной пищи) его концентрации во внеклеточной жидкости туда устремляется вода, у человека появляется жажда, процесс питья рефлекторно усиливает синтез гормона, вызывающего задержку воды почками. Воды становится много, очень много, происходит разбавление солей в пересчете на возросший объем, а также меняются гидродинамические параметры работы сердечно-сосудистой системы. Все это воспринимается организмом как сигнал к активации дополнительного синтеза в клетках надпочечников другого гормона, вызывающего задержку натрия организме. Натрий поступает в межклеточную жидкость, за ним снова следует вода, и маятник сломанного механизма гидробаланса делает еще одно колебание – акватории организма захлестывает катастрофическое наводнение-отек.
Дополнение 1. Общие О могут также развиваться в результате недостатка или потери организмом белков. Причиной может быть недостаточное питание. В таких случаях жидкость стремится туда, где может быть больше белков – в брюшную полость, например. Поэтому у голодающих детей очень большой живот.
Дополнение 2. Местные О всегда «привязаны» к определенному органу или участку тела. Основоположник советской нейрохирургии Н.Н. Бурденко (1876–1946) писал: «Тот, кто владеет искусством лечить и предупреждать отёк головного мозга, владеет ключом к жизни и смерти больного!».
10. Цвета жидкой ткани
Нет предела удивлению студентов первых курсов медвузов, когда они узнают, что кровь (К) является такой же тканью организма человека, как соединительная, мышечная или нервная. «Как так? Ведь кровь жидкая! Она течет!». Преподавателям приходится долго и терпеливо объяснять, что К – это подвижная ткань внутренней среды организма, которая состоит из жидкой плазмы и взвешенных в ней клеток. Исследователи-гематологи избегают термина «клетки крови», предпочитая использовать для обозначения название «форменные элементы» (ФЭ). Действительно, многие образования, находящиеся в К лишены характерных внутриклеточных структур, например, ядра. Кроме того, часто образование ФЭ идет из одной клетки-прародительницы, т.н. «стволовой» (нем. Stammzelle). Честь открытия стволовой клетки, введение термина (1909 г.) и определения концепции развития ФЭ принадлежит русскому ученому-гистологу А.А. Максимову (1874–1928), эмигрировавшему в США после революции 1917 года. Сейчас принято разделять ФЭ на белые (лейкоциты, тромбоциты и др.) и красные (эритроциты, содержащие окрашенный белок - гемоглобин). Количество последних в единице объема К значительно больше, оттого и красный цвет. Однако для функционирования крови как цельной ткани наличие белых ФЭ не менее важно – они участвуют в борьбе с инфекциями, обеспечивают иммунный ответ, играют ключевую роль в процессе свертывания и многое другое. Все ФЭ находятся в белково-солевом растворе, называемом плазма. В норме плазма нежного золотистого цвета, но если накануне перед забором крови поесть много жирной пищи, то она становится молочно-белая.
Дополнение 1. Идейный большевик, врач по образованию, А.А. Богданов (1873–1928), в конце жизни занялся наукой. К рекомендациям ученого прислушивалась власть молодой Советской России. Богданов был страстным сторонником омоложения организма с помощью переливания крови. Его назначили директором первого в мире Института переливания крови. Ученый умер вскоре после вливания крови самому себе.
Дополнение 2. В середине марта 1930 года в Институт имени Н. В. Склифосовского был доставлен человек с ранениями обеих рук. Все меры по спасению пациента были исчерпаны. Тогда хирург С.С. Юдин (1891–1954) перелил пациенту кровь трупа. Умирающий человек ожил. Так впервые в мире была доказана возможность переливания трупной крови. Эта история легла в основу знаменитой картины «После операции» А.И. Лактионова (1910–1972).
Дополнение 3. Вот «цветное» определение крови из толкового словаря Даля (изд. 1863–66). «К состоит из светлой, желтоватой пасоки и из крутой печенки; алая, жильная, артериальная К обращается в боевых жилах; черная, подкожная, венозная, в жилах обратных. У низких животных (насекомых, слизняков) К пасочная, белесоватая. К, показавшаяся от ушиба, удара: краска, мозга».
11. Болезнь человека-слона
«Правая рука имеет форму слоновьего хобота с обхватами запястья в 12, а пальцев по 5 дюймов. Левая же вполне функциональна, однако по размеру не больше руки десятилетней девочки. Обе ноги, включая ступни, покрыты толстой шероховатой кожей, похожей на слоновью шкуру. Людям до встречи не верится в мое существование». Это отрывок из автобиографии Дж.К. Меррика (1862–1890), долгое время выступавшего в английском цирке под псевдонимом «человек-слон». Ученые до сих пор спорят, какое заболевание привело к такой деформации человеческого тела? Некоторые предполагают, что Меррик страдал слоновостью (С, син. элефантиаз). Это прогрессирующий отек частей тела, обусловленный нарушением оттока лимфы (Л, лат. lympha – чистая вода, влага), жидкой ткани организма, циркулирующей по системе особых протоков и узлов (ЛУ). При элефантиазе поражаются конечности, брюшная стенка, голова. Происходит отек, затем пропитывание Л тканей, застой белков, вызывающий перерождение клеток, которые начинают синтезировать несвойственные им соединения, вызывающие разрастание кожных образований. И человек становится похожим на слона… В норме же основными функциями Л являются поддержание состава и объема акваторий тела, обеспечение доступности всех органов для молекулярных фрегатов, доставка и преобразование продуктов пищеварения, защита организма. В ЛУ, играющих роль биофильтров, происходит обезвреживание многих чужеродных для организма соединений и микроорганизмов. Различают несколько видов Л. Так, Л, поступающая от кишечника, содержит много ферментов, жиров и витаминов, а Л от эндокринных желез характеризуется высоким содержанием гормонов. Физико-химические свойства Л служат показателем здоровья организма. Например, по белковому составу Л можно оценить деятельность печени. Именно в Л, а не в кровь, в первую очередь поступают многие молекулярные фрегаты, образующиеся в различных клетках организма.
Дополнение 1. Слоновость может быть первичной (врожденной) и вторичной (приобретенной). Вторичная С часто вызывается «закупоркой» лимфатических протоков личинками паразитов. А первичная С обусловлена недоразвитием или неправильным расположением протоков. Скорее всего, у Меррика была первичная форма болезни. Если, конечно, диагноз «элефантиаз» правильный.
Дополнение 2. Судьба человека-слона отражена в фильме (англ. The Elephant Man, 1980) режиссёра-новатора Д. Линча (1946 г.р.). Название послужившего сценарием для фильма литературного произведения антрополога и гуманиста Э. Монтегю (1905–1999) дословно переводится как «Человек-слон: этюд о человеческом достоинстве».
12. Материализация образа
В 1926 году известный советский писатель Илья Ильф оставил в записной книжке предложение: «путаясь в соплях, вошел мальчик». Талантливый сочинитель одной фразой сумел создать яркий и запоминающийся образ, часто используемый филологами как пример. Интересно, что Ильф, возможно, совсем не намеренно, отразил в классическом предложении химические закономерности. Если мы возьмем пробу детских «соплей», смешаем с разведенным уксусом, а затем рассмотрим образец под увеличительным стеклом, то увидим множество нитей, в которых и мог «запутаться» герой Ильфа. Нити эти представляют собой осажденные гигантские (масса может достигать нескольких миллионов единиц) молекулы гликозамингликанов (ГАГ), которыми богата человеческая слизь (С). В воде С набухает, в щелочах растворима – все эти свойства определяют ГАГ, которые составляют основу слюней, соплей и других «смазок» тела человека. К моменту рождения ребенка ГАГ образуют в пупочном канатике упругий «Вартонов студень», который предохраняет кровеносные сосуды от сдавливания при родах. У взрослого человека ГАГ важно определять при некоторых наследственных заболеваниях. Для их выявления существуют цветные тесты с особыми красителями, в ходе которых аномальная С, как правило, окрашивается в живописный красный цвет. Многообразие молекул ГАГ определяет физико-химические свойства вязких, гелеобразных растворов, покрывающих наружные и внутренние поверхности организма и образующих защитный слой. Так, известно, что С, покрывающая дыхательные пути, защищает от проникновения микроорганизмов. Многократно контактируя с дыхательными путями, воздух очищается, а загрязненная С в виде соплей, как у героя писателя Ильфа, «вожжами» течет из носа.
Дополнение1. Смазочные функции С определяются высокой вязкостью. Это полезное для организма свойство. Вместе с тем, некоторые газообразные соединения способны в С соединяться с водой и образовывать сильные кислоты, вызывающие мучительные химические ожоги слизистых оболочек. Нельзя долго вдыхать едкие сернистые и азотные испарения или дышать дымом!
Дополнение 2. А еще С содержит и ферменты, и электролиты, и антитела, и микроорганизмы, и отмершие клетки. Наличие в С клеток с индивидуальной ДНК организма позволило упростить процедуру взятия образцов для генетических анализов. Всего лишь короткое прикосновение ватным тампоном к слизистой рта является первым шагом в определении отцовства. Но какие людские страсти потом кипят из-за капельки слюней!
13. Облик Башмачкина
В повести «Шинель» Н.В. Гоголя можно прочитать следующее описание: «низенького роста, несколько рябоват, несколько рыжеват, несколько даже на вид подслеповат, с небольшой лысиной на лбу, с морщинами по обеим сторонам щёк и цветом лица что называется геморроидальным». Задумаемся, а какой же оттенок имел в виду писатель? Синюшный? Красноватый? Белесый? Следствие ли это болезни с названием «геморрой»? С учетом развития медицины в годы жизни Гоголя, а также того, что литераторы часто слишком вольно используют термины, выдвигалось много версий истинной цветовой гаммы лица Башмачкина. Одну из них нам дает Толковый словарь Ушакова (1935–40) «Геморроидальный цвет лица (серо-желтый)». Известно, что такой цвет кожи поживших людей обеспечивают особый пигмент билирубин (Б, лат. bilem – желчь, ruber – красный). В очищенном виде Б представляет собой красно-коричневые кристаллы, а в организме существует в связанной и свободной формах. Он образуется как результат расщепления белков, содержащих т.н. гемы – циклические соединения, богатые железом. Таких белков много, функции их жизненно важны, и постоянно требуется обновление. Так, в организме в течение 1 ч разрушается ок. 100–200 млн эритроцитов, содержащих много белка гемоглобина, отвечающего за доставку О2 к тканям. За сутки образуется до 300 мкг Б. В здоровом организме Б, попадая в клетки печени, переводится в связанную форму и выводится с желчью в кишечник. Уровень Б в крови не должен повышаться, иначе кожа, ногти и глазные яблоки приобретают желтую окраску (желтуха). Она является признаком неблагополучия организма и возникает из-за или чрезмерного разрушения эритроцитов, или препятствий в желчевыводящих путях (камень, опухоль), или нарушения внутриклеточного синтеза Б. У изможденных, пожилых людей, представителем которых в повести «Шинель» был Башмачкин, чаще всего изменения цвета кожи возникают в двух первых случаях. И, заметьте, по этой версии заболевание «геморрой» совершенно не при чем.
Дополнение 1. Для точного диагноза надо было бы собрать мочу «маленького человека» и провести реакцию окисления Б. Об избытке Б в организме Башмачкина могло свидетельствовать синее или зеленое окрашивания (проба Гаррисона–Фуше). Но, увы, этот химический тест появился только в XX веке, да и пациент нереальный – порождение фантазии Н.В. Гоголя.
Дополнение 2. Свободная форма Б называется «непрямой», поскольку анализ в лаборатории идет «не прямо» сразу, а в два этапа – сначала осаждают лишние белки, а потом добавляют реактивы.
14. Стихотворная быль
«Мы рождены, чтоб сказку сделать былью,// Преодолеть пространство и простор,// Нам разум дал стальные руки-крылья,// А вместо сердца – пламенный мотор», – стихи П.Д. Германа (1894–1952) являются фрагментом популярного в советское время «Марша авиаторов». Последние две строчки, символизирующие торжество науки и техники в исследованиях организма, действительно стали реальностью. Речь пойдет о человеческом сердце (ЧС). Это мышечный орган с несколькими клапанами и 4-мя полостями (2 предсердия, 2 желудочка), нагнетающий кровь в замкнутую распределительную сеть сосудов. За 70 лет жизни ЧС производит более 2,5 млрд сокращений и нагнетает ок. 156 млн л крови. Функциональной особенностью ткани ЧС – миокарда (М) является способность к постоянным сокращениям, которые обеспечиваются особой проводящей системой сердца (ПСС). ПСС состоит из узлов, ответственных за формирование сигналов, и проводящих путей (пучков). Пучки служат для передачи сигналов между отделами ЧС. Работа ПСС обеспечивается синхронизованной деятельностью системы молекулярных насосов (см. «Молекулярная помпа»), обеспечивающих формирование и распространение электрических импульсов за счет колебаний потоков ионов через клеточные мембраны. Благодаря маленьким неутомимым помпам отдельная клетка ПСС становится диполем, а несколько диполей способны генерировать электрическое поле. Такое поле ЧС можно измерить по разности потенциалов двух точек. Определение проводится накожными датчиками-электродами, а результат – хорошо известная электрокардиограмма (ЭКГ). Техника всегда следует за последними достижениями химической и физической теорий, и современный прибор для регистрации ЭКГ представляет собой мобильный компьютеризированный комплекс с возможностями моделирования деятельности электро-молекулярного мотора организма.
Дополнение 1. Лауреат Нобелевской премии 1924 г., основоположник электрокардиографии В. Эйнтховен (1860–1927) предложил учитывать геометрию тела для измерения ЭКГ. Обозначив условные вершины на обеих руках и лобке или левой ноге, он строил треугольник, стороны которого сейчас используются как обязательные линии для размещения электродов (т.н. стандартные отведения).
Дополнение 2. С.С. Брюхоненко (1890–1960) и С.И. Чечулин (1894–1937) в 1926 г. сконструировали «аутожектор», состоявший из управляемых нагнетателей и клапанной системы. Cобака с остановленным сердцем, подсоединенная к механизму, долго оставалась живой. Аутожектор – это реальный «пламенный мотор» из советской песни «Марш авиаторов». Или первый в мире аппарат искусственного кровообращения.
15. Ремонт во спасение
Что будет с организмом, который потерял много крови? Однозначно, без медпомощи – смерть. Оставшиеся в живых после массивной кровопотери люди рассказывают, что сначала их охватывал страх, а потом – удивительное спокойствие, сменяющееся безразличием к окружающему миру и оцепенением. Так жизнь покидает тело вместе с истекающей жидкостью… Чтобы случайно не пересечь последнюю черту, в организме есть биохимическая система, обеспечивающая защиту от кровопотери. Конечно, ее возможности не безграничны – при потере большого объема наружу вымываются компоненты системы, она «пробуксовывает», но, к счастью, в быту обильные кровотечения редки. Система называется гемостаз (ГС, греч. haima – кровь и stasis – остановка). ГС включается при повреждении любого сосуда, когда в ране оголяется белок коллаген (Кл), обычно изолированный от крови неповрежденными клетками. Кл контактирует с клеточными элементами крови – тромбоцитами, что вызывает как их «прилипание» к месту аварии, так и «слипание» между собой. Образуется временная «заплатка», закрывающая течь. Затем запускаются последовательные химические реакции (т.н. внутренний и внешний «каскады») с участием особых молекул – факторов, а конечным итогом является перевод растворимого белка фибриногена (Фг) в нерастворимый фибрин (Фб). Фб образует осадок в виде рыхлых нитей. Один из последних «каскадных» факторов (XIII) вызывает образование поперечных ковалентных связей между нитями Фб. Основа будущего сгустка приобретает структуру молекулярной сети, в ячейках которой задерживаются клетки крови. Это уже постоянная «пробка», или то, что чаще называют «кровяной сгусток, тромб». Жизненно важный ремонт участка сосудистого русла завершен. Поле для работы механизмов заживления раны готово.
Дополнение 1. По строению и функциям факторы свертывания представляют разношерстную компанию молекул, принадлежащих к разным классам соединений. Для создания единой системы в 1957 г. ввели обозначения: римские цифры – факторы водной фазы, арабские же – выделяемые клетками. К обозначениям преобразованных молекул рекомендовали добавлять «а». С тех пор Фг стал фактором I, способным превратиться в Iа или Фб и т.п., а тексты статей по гематологии стали очень похожи на шпионские шифровки.
Дополнение 2. Впервые в 2009–10 гг. были опубликованы данные об успешном выращивании кровеносных сосудов из собственных клеток пациентов. Данная методика снимает проблему донорской совместимости. В медицине открылась уникальная возможность эффективно бороться с кровотечениями просто заменив «дырявый» сосуд на новый. Сосуды из собственных клеток для организма всегда «свои».
16. Кролики и люди
Атеросклероз (А, греч. athera – кашица, sklerosis – затвердевание) – хроническое заболевание артерий, возникающее из-за нарушений липидного и белкового обмена и сопровождающееся отложением холестерина (Х) и липидно-белковых комплексов в стенках сосудов. Отложения формируют т.н. «бляшки» (бл). Разрастание в бл соединительной ткани (склероз) и накопление кальция приводят к сужению и закупорке сосудов. Существует несколько современных объяснений развития этой болезни, но впервые стройная теория А была создана отечественным ученым Н.Н. Аничковым (1885–1964). В 1913 г. он длительное время кормил кроликов не привычной капустой, а молоком с яичным желтком. Оказалось, что у многих грызунов возникло поражение артерий. Аничков сделал вывод о связи заболевания с повышением уровня Х в крови. Теория была воспринята ученым миром не однозначно. Причиной скептического отношения была абсолютная концентрация (13–26 ммоль/л) Х, создаваемая в крови у экспериментальных кроликов. У людей столь высокая концентрация отмечается редко. Однако позже Аничков доказал, что для человека важны не цифры уровня Х, а длительность воздействия повышенной концентрации. Действительно, средняя продолжительность жизни кролика составляет всего 7 лет, а для человека этот параметр почти в 10 раз больше. Да и интенсивность размножения у грызунов выше. Очевидно, что у кроликов некоторые химические процессы протекают значительно быстрее.
Дополнение 1. В 1948 году жители американского городка Фремингем стали добровольными участниками многолетнего исследования (англ. Framingham Heart Study, FHS; русск. Фремингемское исследование, ФИ). Для участия в исследовании учёные пригласили 5209 местных мужчин и женщин от 30 до 62 лет, не страдающих сердечно сосудистыми болезнями. Каждые два года жители проходили обследование. После 12 лет наблюдений, были получены уникальные данные о вреде высокого уровня Х в крови. ФИ подтвердило принципиальное положение «кроличьей» теории Н.Н. Аничкова.
Дополнение 2. В 2007 г. по результатам ФИ ученые сообщили о влиянии Интернета на ожирение и поведенческие реакции людей. А в 2008 г. отметили помощь социальных сетей в борьбе с курением. ФИ не имеет равных в мире по продолжительности и числу лиц, охваченных наблюдением. Благодаря этому проекту выявлены основные факторы риска многих современных заболеваний, разработаны критерии оценки здоровья. Таким образом, вот уже почти 70 лет простые американцы служат экспериментальными кроликами на благо всего человечества.
;
II. Corpus Aeris
Древнегреческий философ Анаксимен Милетский (VI в. до н.э.) считал самым важным из четырех первоэлементов воздух (В). Благодаря разрежению из В возникает огонь, а после сгущения – ветер, облака, вода, земля и камни. В общем-то, Анаксимен, приписывая организующее начало воздуху, был недалек от истины. По крайней мере, в отношении поддержания существования организмов в природе. Несколько раз в сутки человек потребляет воду и пищу, а вдыхает за то же время от 22 до 36 тысяч раз, при этом постоянно контактируя поверхностью тела с атмосферой. Организм может неделями обходиться без пищи и сутками без воды, однако пара десятков минут без В неизбежно приводит к появлению очередного «бездыханного трупа». Наверное, именно атмосферный состав, в котором ок. 21% принадлежит активному с химической точки зрения элементу (кислород, О2) оказал влияние на то, что организм в первую очередь приспособил для своего функционирования окислительно-восстановительные (ок-вос) процессы. В их основе лежат реакции перехода электронов от одного вещества (восстановителя) к другому (окислителю). Ок-вос реакций в организме очень много, без них невозможны, например, брожение и дыхание. В зависимости от условий решаемой задачи (жидкая или газовая фаза, размер и геометрия поверхности, электрические свойства и т.д.) в качестве окислителей внутри клеток могут быть использованы разные вещества, а не только О2. Одними из активных участников ок-вос процессов являются коферменты (фрагменты молекул, помогающие работе ферментов) и витамины. Так, при недостатке аскорбиновой кислоты (витамин С) происходит торможение некоторых ок-вос процессов и возникает цинга – заболевание, при котором на фоне общей слабости и частых кровотечений у пациента могут выпасть все зубы. Среди других параметров воздушной среды важных для существования организма можно отметить: физические свойства (температура, влажность, давление, уровень радиации, электрическое состояние); химический состав (концентрации и соотношения постоянных компонентов или загрязнителей); механические качества (частицы, дым, сажа); а также контагиозность (болезнетворные микроорганизмы и вирусы). Немалое значение для тела человека имеют и внутренние скорости воздушных потоков – при чихании ок. 150–170 км/ч, а при спокойном дыхании лишь 2,5–3 км/ч. Каждый из вышеперечисленных показателей отражает влияние конкретных факторов воздушной среды и имеет самостоятельное значение в оценке функционирования организма в целом. В заключении вспомним еще раз Анаксимена. Завершая построение своей картины мира, философ приписывал беспредельному В сохранение начал тел и душ людей, при этом душа воздушна, а жизнь есть дыхание.
Дополнение 1. Дж. Свифт (1667–1745) описал прожектёра из королевства Бальнибарби, помощники которого занималась тем, что «сгущали воздух в сухое и осязаемое вещество, извлекая из него селитру». Сатира стала реальностью почти через 200 лет – химический процесс Габера–Боша основан на получении селитры из азота воздуха. В 1918 г. Ф. Габеру (1868–1934) за это открытие была присуждена Нобелевская премия по химии.
Дополнение 2. Результаты проведенных в XVIII в. химических опытов с воздухом были сразу же использованы медиками. Врач Т. Беддо (1760–1808) начал применять пневматику для лечения туберкулёза. В 1799 г. в Англии им был основан Пневматический институт, где создавали и испытывали медицинские приборы, а пациентов лечили газами. Были заложены основы респираторной терапии, а д-р Беддо заслуженно считается «отцом» ингаляционных методов лечения, рекламируемых сейчас в каждой аптеке.
17. Газовая колыбель
Историю возникновения газовой оболочки или атмосферы (А) Земли пока полностью восстановить не удалось. Считается, что сначала Земля находилась в расплавленном состоянии, а ок. 4,5 млрд. лет назад затвердела, но осталось множество вулканов. Ученые предполагают, что извержения вулканов, сопровождались выбросами различных газов. Освободившийся из недр О2 сразу же вступал в реакцию с СО, и образовывался углекислый газ (СО2). Аммиак (NH3) распадался на Н2 и N2. Легкий Н2 поднимался вверх и покидал земные пределы, а N2 потихоньку накапливался. Возможно, под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов в смеси газов происходили химические реакции, которые в качестве продуктов могли дать органические вещества, в частности аминокислоты, считающиеся основными элементами белков. Наличие аминокислот на любой планете свидетельствует о присутствии жизни. Следовательно, химической колыбелью компонентов живого вещества вполне могла быть А. Но то была совсем другая А, увы, мы не знаем точно тот «колыбельный» состав. Сейчас же все люди на Земле находятся в смеси следующих газов (%): N2 – 78,081; O2 – 20,985; аргон – 0,932; СО2 – 0,04; а также неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон и закись азота – от 10-3 до 10-6. А в те далекие времена с появлением растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением большого количества О2, который, поднявшись вверх, образовал защитный озоновый экран, чем открыл возможность для появления животных. Такова картина, если не придерживаться версии о том, что Земля, животные и человек были созданы в ходе единого акта творения. Впрочем, придерживаться эволюционизма или креационизма – это личный выбор, зависящий от мировоззрения.
Дополнение 1. Коацерват (лат. coacervatus – собранный в кучу, К) – обособленный участок в жидкости или газе, в котором за счет сродства к определенной фазе концентрация молекулярных комплексов больше, чем в окружении. Теорию происхождения жизни, связывающую химию и биологию через К, еще в 1924 г. предложил советский академик А.И. Опарин (1894–1980). Действительно, в К удается экспериментальным путем добиться возникновения структур, очень похожих на фрагменты биомолекул и живых клеток.
Дополнение 2. Р. Шекли (1928–2005) в фантастическом романе «Координаты чудес» (англ. Dimensions of miracles, 1968) написал, что Землю по бизнес-плану Бога построил некий всемогущий Модсли. Когда же создатель узнал, что люди стали называть «физическими законами» правила строительства Вселенной, а себя величать «высшей формой разума во Вселенной», то удивился безмерно…
18. Зачем он нужен?
Химик и микробиолог Луи Пастер (1822–1895) обнаружил, что не все организмы одинаково относятся к присутствию кислорода (О2). Одни очень в нем нуждаются, ученый назвал их аэробы – Аэб, а другие, наоборот, прекрасно себя чувствуют и без воздуха (анаэробы – Анэб). Также в природе встречаются универсалы, способные существовать и в кислородных, и в бескислородных условиях (т.н. факультативные анаэробы – фАнэб). Много фАнэб в тех местах, куда О2 проникает с трудом: глубоко в земле, в озерном и болотном иле, в навозе и т.п. Для фАнэб характерна способность к активации брожения и гниения. Они приспособились к минимальному количеству газа в питательной среде, и поэтому отдают предпочтение химическим реакциям отличным от тех, которые используются организмами, нуждающимися в свободном О2. Для производства энергии Анэб используют лишь несколько биохимических путей, связанных в основном со спецификой молекулярного строения самих объектов расщепления. Аэб же имеют возможность включить в энергетический баланс практически все типы биомолекул, они используют не только «сырье», т.е. молекулы-«дрова», но системы регуляции ферментов (см. «Ключ в замок»). Поэтому из одного количества органических «дров» Аэб способны извлечь в 20 раз больше энергии, чем Анэб. Это означает, что качество жизни существ, использующих О2, значительно выше. Организм человека способен в зависимости от обстоятельств (диета, голодание, физическая нагрузка) менять интенсивность аэробных и анаэробных химических путей получения энергии лишь в отдельных участках (мышцы, печень и др.), но не в целом. Понятно, что исключение О2 из среды обитания человека невозможно.
Дополнение 1. В 1860–62 гг. Л. Пастер изучал возможность самозарождения жизни. Он взял питательную среду и поместил в сосуд с единственным изогнутым длинным отводом. Сколько бы сосуд ни стоял на воздухе никаких признаков жизни внутри не наблюдалось. Содержащиеся в воздухе микроорганизмы оседали на изгибах отвода и не добирались до питания. Однако стоило отломать гнутое горлышко, как колонии микробов сразу же появлялись. Эксперимент Пастера нанес болезненный удар сторонникам теории самозарождения жизни.
Дополнение 2. Газовая гангрена (ГГ) – омертвение тканей живого организма. ГГ развивается при инфицировании участка тела фАнэб-бактериями, которые расщепляют белки и углеводы человеческих мышц с образованием гнилостных газов. Возбудители этого заболевания попадают в рану вместе с загрязненными предметами (пули, осколки снарядов, мин, гранат). Военные хирурги часто сталкиваются с ГГ.
19. Арифметика дыхания
При спокойном дыхании человек вдыхает и выдыхает ок. 500 мл воздуха. Из них ок. 160 мл остаются в воздухоносных путях (носоглотка, трахея, бронхи). Поскольку в этом объеме не происходит обмен газов, то его называют «вредным» («мертвым») пространством. Итого в легкие с каждым вдохом попадает 340 мл свежего воздуха. То есть, чуть больше стандартной бутылки из-под газированной воды (330 мл). Подсчитано, что при спокойном дыхании за каждый вдох обновляется 1/7 часть объема. Остальные шесть составляющих занимает смесь своих, родных, газов организма. А при очень глубоком вдохе человек может вдохнуть ок. 1700 мл воздуха – это резервный объем (РО) вдоха. После спокойного выдоха человек способен выдохнуть еще 1300 мл – это РО выдоха. Сумма всех указанных объемов (ок. 3500 мл) составляет жизненную емкость легких (ЖЕЛ) – крайне важный для физиологов и врачей параметр, характеризующий состояние человека. ЖЕЛ отражает объем воздуха, который может быть единовременно и естественно запасен в дыхательной системе человека. Понятно, что ЖЕЛ у мужчин в среднем больше, чем у женщин. ЖЕЛ не равна всему объему воздуха, находящемуся в теле. Даже после того, как человек изо всех сил выдохнет, остается ок. 1200 мл т.н. остаточного объема (ОО). Максимальное количество воздуха, которое может находиться в легких является биологическим паспортом организма и называется общей емкостью легких, определяемой как сумма ЖЕЛ и ОО. Таким образом, состав воздуха в дыхательной системе человека отличен от окружающей среды. Известно, что в альвеолярном воздухе содержится О2 – 13,5; СО2 – 5,3; N2 – 74,9 (%). А в выдыхаемым воздухе – 15,5; 3,7; и 74,6 %% этих газов, соответственно. Сравните с составом атмосферы (см. «Газовая колыбель»).
Дополнение 1. В экстремальных условиях любой способ («рот в рот», «рот в нос») искусственного дыхания хорош. Ведь необходимо быстро ликвидировать у пострадавшего избыток СО2 и недостаток О2. Надо сделать сразу 9–10 интенсивных стимулирующих актов, а потом повторять воздействие с интервалом ок. 5 с. Именно так можно быстро достичь максимального насыщения крови О2. Лишь бы пострадавший поскорее задышал сам!
Дополнение 2. Иногда дыхание пациента поддерживают «железными легкими». Горизонтально расположенное туловище помещают в герметичный бак, а голову оставляют наружи. Давление внутри емкости быстро понижают. Под воздействием атмосферного давления грудная клетка расширяется в области низкого давления (бак), и человек делает автоматический вдох. Одна из пациенток прожила ок. 60 лет с помощью «железных легких».
20. Внутреннее дерево
Если мы внимательно рассмотрим легкие, то увидим, что воздухоподводящие пути (бронхи) выглядят, словно веточки на дереве. Да-да, внутри каждого из нас есть дерево! Только без корней, полое и «растет» кроной к ногам, стоящим на земле. Именно из-за внешнего сходства первые анатомы назвали структуру легкого человека «бронхиальным деревом» (БД). В кроне человеческого дерева ок. 20 уровней ветвей (бронхов), различающихся по размерам. БД состоит из главных, долевых, зональных, сегментарных и т.д. до терминальных бронхов (бронхиол), которые заканчиваются газообменными отделами – альвеолами. Многоступенчатая структура БД необходима для защиты организма. Это эффективный фильтр, в котором происходит подготовка атмосферного воздуха. Все бронхи, большие и малые, оснащены мышцами. Чем меньше бронх, тем мощнее мышцы. Их сокращение вызывает не только сужение просвета, но и укорочение веточки БД. Но затем обязательно следует расслабление. Словно дерево внутри нас начинает шевелить веточками, расправляется, избавляясь от загрязнителей и проводя живительный воздух. Такие периодические движения – норма, они очень важны для организма. Плохо, когда они нарушаются (см. бронхиальная астма). В стенках веточек БД также располагаются слизистые и реснитчатые клетки. Совместная деятельность всех клеток в БД способствует увлажнению внутренней поверхности воздуховодов тела, выведению наружу инородных частиц, бактерий и мокроты. Пожалуйста, правильно ухаживайте за своим дыхательным деревом, ибо ремонт его технически сложен, анатомически затруднен и финансово затратен!
Дополнение 1. Бронхиальная астма (БА) – заболевание, связанное с мышечной деятельностью БД. Причина – сокращение бронхиальных мышц без последующего расслабления. И больной вдыхает, а выдохнуть не может. Он сидит, опираясь на руки, а глаза наполнены страхом удушья. Грудная клетка расширена, при попытке выдохнуть контурируются туловищные мышцы, набухают вены на шее… Только лекарства, способные вызвать расслабление мышц бронхов, могут помочь. Такие больные никогда не расстаются со спасительными аэрозолями.
Дополнение 2. Микроворсинки на поверхности реснитчатых клеток колеблются от 10 до 20 раз в секунду. Изгибаясь в просвете бронхов, они кончиками ловко передвигают комочки слизи, направляя «на выход» к носоглотке. А у курящих людей реснитчатые клетки теряют свои свойства. От большого количества смолистых веществ табака ворсинки «слипаются» и перестают синхронно двигаться. Вдыхаемый воздух очищается меньше, но это не единственный вред от курения. Ужасающие картинки с упаковок табачных изделий наглядное тому подтверждение.
21. Обменные пункты
Альвеолы (А) – та структура легких, где атмосферный О2 уходит в кровь, а в обратном направлении поступает СО2. Процедура проста, как в обменном окошке банка. Туда – евро (кислород), сюда – рубли (углекислый газ). Таких своеобразных газовых «обменных пунктов» в организме больше 700 млн. Представляете, насколько интенсивно идет постоянное обновление газовой «валюты»? Даже бешено шелестящим купюрами современным банкоматам далеко до отлаженного природой механизма! Пройдя сложный, извилистый путь, очищенный и согретый до температуры тела воздух, попадает в А, где смешивается с находящимися там газами и увлажняется. Со стороны организма альвеолярный пузырек покрыт сетью мелких кровеносных сосудов. В них циркулирует жидкая среда организма. Другая поверхность всегда влажная и граничит с газом. Согласно расчетам, в таких условиях должны действовать силы поверхностного натяжения, стремящиеся «схлопнуть» каждый альвеолярный пузырек. Т.е. мы вообще не должны дышать! Но дышим. Почему? Потому что в организме работают химические законы. В составе внутренней альвеолярной влаги есть специальные молекулы (сурфактанты), снижающие поверхностное натяжение почти в 10 раз. Это достигается тем, что участки таких молекул, имея разное сродство к воде и газу, располагаются определенным образом на границе сред и сглаживают характеристики перехода газ/жидкость. Сурфактанты, именно они на химическом уровне, обеспечивают способность легких к наполнению воздухом. Общая поверхность, через которую происходит газообмен, ок. 90 м2, а толщина барьера между кровью и газовой средой в А всего 10-6 м. Тонка, очень тонка граница между атмосферой и внутренней средой организма! Но она эффективно обеспечивает обмен О2 на СО2. Этот «exchange» происходит путем простого перетекания (диффузии) в направлении меньшего давления. Ведь разница давлений О2 составляет 60 мм рт. ст. По аналогии с работой валютного обменного пункта, деятельность которого регламентирована распоряжениями Центробанка, газообмен в организме тоже осуществляется в соответствии с законом. И это закон Фика, гласящий, что диффузия газа прямо пропорциональна разнице давлений и площади барьера, но обратно пропорциональна толщине барьера. И, послушно выполнив требования Фика, кровь обогащается молекулами О2, а затем устремляется к органам и тканям.
Дополнение 1. Новорожденного сразу же бьют по попе в частности и для того, чтобы благодаря последующему крику в легкие поступил воздух, они расправились, и заработала сурфактантная система.
Дополнение 2. Профессор Адольф Евгений Фик (1829–1901) предложил закон газообмена в 1855 г. А до этого люди насыщали кислородом свою кровь абсолютно безграмотно и бездумно, совершенно не зная механизма…
22. Респирация или вентиляция?
Сообщество врачей всегда использовало термины, устоявшиеся в профессиональном словоупотреблении, независимо от их интернационального происхождения. Наиболее приемлемыми для медицинской терминологии (МТ) считаются слова, принятые большинством специалистов. В основном современная медицинская наука пользуется латинскими терминами или лексическими элементами греческого языка. Так легче общаться с коллегами. МТ постоянно меняется – часть наименований устаревает и выходит из употребления, другие меняют значение, появляются новые термины. Но в процессе формирования отечественной МТ почти не было ни одного иноязычного термина, для которого не предлагалось бы эквивалентов на русском языке. Далеко не все они выдержали испытание временем. Многие были заменены терминами греко-латинского происхождения, в том числе неологизмами. Это в полной мере коснулось и наук, изучающих дыхание человека. Читая специальную литературу XVIII в., мы не встретим словосочетания «вентиляция легких», зато с «респирацией» столкнёмся повсеместно. А в современной МТ больше шансов встретить лишь производные формы – прилагательное («респирационная функция») или название прибора («респиратор»). Спросите сегодняшнего врача-пульмонолога, сколько типов респирации он знает? Скорее всего, доктор выразит недоумение. Зато он же легко назовет три типа вентиляции – нормо-, гипер- (усиленная), гипо- (уменьшенная). И, подумав, добавит: «Еще есть повышенная». Для специалиста это будут не пустые слова, ведь каждому типу соответствует определенное давление газов в альвеолах легких. Примерно так создается терминологическая база для обмена диагностической информацией между врачами.
Дополнение 1. Оригинальные русские медицинские наименования зафиксированы в «Лечебниках», «Травниках» и «Вертоградах» – рукописных памятниках отечественного врачевания. Большинство названий не вошло в современный язык медицины. Вот несколько: вдушь – астма, златница – желтуха, камчюг – артрит, кровавая утроба – дизентерия, прыщ горюч – сибирская язва, свербежь – чесотка, трясца, трясовица – малярия, лихорадка.
Дополнение 2. Благодаря реформам Петра I в русском языке утвердились слова греко-латинского происхождения: медик, медикамент, микстура, пилюля, провизор, рецепт, сангва (лат. sanguis – кровь), урина (лат. urina – моча), фебра (лат. febris – лихорадка). Позже в русскоязычных текстах появляются абсцесс, ампула, ампутация, ангина, вена, консилиум, контузия, мускул, нерв, пациент, прозектор, пульс, ретина, рецидив, секция, скальпель, темперамент, фистула и др.
23. Унесенные кровью
Эритроциты (Э, греч. erythros – красный, kytos – вместилище) – специализированные клеточные элементы крови. Если высушить Э, а потом проанализировать, то окажется, что 95% сухой массы приходится на одно соединение – гемоглобин (Hb). Это белок, который ответственен за основную функцию Э – перенос О2 и СО2. Форма Э также подчинена функции, ибо выглядят они как двояковогнутые диски с диаметрами 7–8 мкм. Избыток Hb, необычная форма, а также отсутствие клеточного ядра, обеспечивают «красным вместилищам»: а) большую емкость для связывания молекул газов во всех тканях организма; б) медленное движение в подкалиберных сосудах для успешного О2/СО2 обмена; в) возможность «складывания» в малокалиберных (<7 мкм) сосудиках. На молекулярном уровне дискообразность Э обеспечивается хорошо развитым «цитоскелетом». Ниточки, состоящие из белка спектрина, формируют на внутренней поверхности мембран Э сеть. В узлах ячеек содержится белок анкирин (англ. anker – якорь), который тесно сцеплен с мембраной. В зависимости от условий функционирования, ячейки спектриновой сети могут менять размеры, а через множество анкириновых узлов-«якорей» изменения точечно передаются на мембрану, что сразу же отражается на форме Э. Интересно, что Э акул, лягушек, птиц шарообразные и с ядрами. Кое-кто может подумать: «Ага, природа обделила человека, наши-то Э безъядерные и плоские!». Но мы-то с вами не хищные рыбы, не земноводные и не пернатые, в конце концов! Наши Э полностью соответствуют нашей же жизни. И при этом под микроскопом выглядят изящно и оригинально.
Дополнение 1. При первых попытках переливания крови были часты случаи склеивания и разрушения Э из-за реакций белково-углеводных антигенов на внешней поверхности мембран гостевых «красных вместилищ» с антителами «принимающей стороны». Современная классификация групп крови была предложена Я. Янским (1873–1921) в 1907 г. Он разделил человеческую кровь на 4 типа (I, II, III, IV). А Нобелевская премия 1930 г. была присуждена К. Ландштейнеру (1868–1943), описавшему лишь 3 группы (А, В, О).
Дополнение 2. Под действием силы тяжести Э в образце крови медленно оседают на дно сосуда. Скорость оседания эритроцитов (СОЭ) определяется состоянием всего организма. Шведский врач А. Вестергрен (1891–1968) предложил метод измерения СОЭ, установив измерительную трубочку вертикально. Почти сто лет этот простой тест без изменений применяется в клинике для определения интенсивности воспаления.
24. Братья, зайцы и кролики
Два белка, похожие как братья, – миоглобин (Mb) и гемоглобин (НЬ) – выполняют в организме одну функцию – обратимое связывание молекул газов. Они очень похожи друг на друга, даже гемы (см. «Облик Башмачкина») у них одинаковые. Однако НЬ выглядит постарше в этом дуэте – и гемов, и структурных цепей больше. А молекула младшего братишки (Mb) миоглобина состоит лишь из 1-го гема и 1-ой цепочки длиной в 153 аминокислоты. Но, увы, братья-белки никогда не встречаются потому, что один (НЬ) вечно в командировках, где «пилотирует» эритроциты, путешествуя по кровяному руслу, а другой на постоянном месте жительства в стране мышц. Между братьями лежат непреодолимые границы нескольких клеточных мембран. Скучают, наверное, молекулярные братья… И общаются они между собой только в соответствии со строгими предписаниями профессора Фика (см. «Обменные пункты»). В насыщенном газами содержимом сосудов легочных альвеол НЬ соединяется с О2, а потом, комфортно разместившись в элегантных эритроцитах (см. «Унесенные кровью»), с током крови доставляет бесценную молекулу к истощенным мышцам, где передает (строго согласно закону диффузии, но, наверное, со слезами из-за отсутствия возможности обнять близкого родственника) младшему брату – Mb. А тот, честно исполняя обязанности заведующего внутриклеточным складом, запасает ценные молекулы, чтобы вовремя доставить их к месту потребления. Понятно, что Mb всегда много в натренированных мышцах – кислородная емкость больше. И не «у кролика», а «у зайца» будет правильным ответом на вопрос «у кого больше Mb?». Заяц-то более тренированный.
Дополнение 1. За связывание газов в геме ответственно двухвалентное железо, но его химическое сродство к окиси углерода (СО) значительно больше, чем к О2. При прочих равных условиях, НЬ в первую очередь свяжет CO. А О2 не будет доставляться к тканям, ведь все транспортные места будут заняты. СО – это угарный газ, образующийся при горении древесного угля. Если неаккуратно топить дровяную печку, то концентрация несущего смерть СО в помещении будет постепенно увеличиваться...
Дополнение 2. Поскольку Mb – внутриклеточный белок, то его появление в крови всегда говорит о разрушении мышц. Например, при инфаркте миокарда. Кроме того, в кислой среде избыток Mb образует осадок, который способен нарушить фильтрацию в почках вплоть до развития острой почечной недостаточности (ОПН). Так происходит при синдроме длительного сдавливания у пострадавших от стихийных бедствий. Извлеченные из-под развалин раненые люди гибнут от ОПН через несколько дней после спасения…
25. Электронный механизм живого
Потребление O2 и образование СО2 клетками составляет сущность тканевого дыхания. Ткани человеческого организма дышат по-разному. Самое высокое потребление O2 характерно для почек, коры головного мозга и сердца. Химическую основу дыхания всех клеток составляет процесс окисления, включающий в себя потерю многими внутриклеточными соединениями электрона (е). Поначалу, благодаря введению в химию кислородной теории горения в конце XVIII в., «окислением» называли любые реакции с присоединением, а «восстановлением» – с отщеплением от вещества О2. Потом, с утверждением в химии электронных представлений (1920–30 гг.), эти понятия распространили и на реакции, в которых О2 совсем не участвует. Сейчас под окислением понимают расставание любых атомов и молекул с е. Окислительно-восстановительные (ок-вос) реакции – химические реакции, сопровождающиеся передачей электронов. При этом одно вещество отдает, а другое принимает е. Оказалось, что в организме большинство процессов относится именно к ок-вос реакциям. С учетом огромного количества ежеминутно протекающих процессов, необходимых для жизни, при отсутствии какой-либо системы упорядочивания наше тело быстро превратилось бы в электронную реплику, где множество неприкаянных е тщетно и бесполезно кружились по орбитам, рассеивая энергию в пространстве. Страшно представить такое! Это, конечно, чисто механистическая гипербола, условность, но она хорошо иллюстрирует значение клеточного дыхания для человека. Прежде всего, клетка – это дыхание, в котором скрыта тайна жизни.
Дополнение 1. Клеточное дыхание обеспечивает очень высокий коэффициент полезного действия (кпд) энергообмена организма. Такой кпд не удается воспроизвести ни в одном искусственном механизме. Роль дыхания не исчерпывается использованием энергии, заключённой в окисляемой молекуле. В ходе ок-вос превращений образуются важные промежуточные соединения (т.н. метаболиты), которые клетка, как настоящий рачительный хозяин, моментально использует для своего жизнеобеспечения. Возможно, именно это пока не удается повторить в искусственных существах...
Дополнение 2. «Тонко сработанная резная шкатулка, баррокальная и вызывающая восхищение мастерством Создателя, внутри которой хранится мерцающий металлический механизм. Это эссе на тему «может ли машина мыслить?». Из анонимного отзыва на Интернет-портале fantlab.ru от 01.02.2009 на повесть «Маска» С. Лема (1921–2006). В полной мере эти слова можно отнести и к механизму клеточного дыхания.
26. Цепь энергетической свободы
Откуда же берутся электроны в клетке? Дело в том, что в большинстве внутриклеточных реакций задействованы ферменты, осуществляющие ок-вос реакции. Они так и называются – оксидоредуктазы (оразы). В зависимости от типа окисляемой группы оразы делят на подклассы: действующие на спиртовую, альдегидную, кетонную и др. химические группы. Кроме того, по механизму действия эти ферменты формируют классы: дегидрогеназы, оксидазы, пероксидазы, гидроксилазы, оксигеназы и др. Известно свыше двухсот ораз, являющихся основными источниками е в клетке. О2 обладает самым высоким окислительным потенциалом и, следовательно, максимальной способностью присоединять е, поэтому он крайне удобен для сбора этих частиц. Для того, чтобы доставить е к О2, используются специальные переносчики. Попеременно окисляясь и восстанавливаясь, они образуют системы переноса электронов. В основном такие переносчики представлены соединениями, содержащими производные никотинамида (НАД, НАДФ) и флавинаденина (ФАД), хинонов, а также особыми белками – цитохромами. Присоединив к себе электрон от менее окисленного компонента, переносчик восстанавливается, а, отдавая его следующему компоненту с более высоким потенциалом, окисляется. Так е передаётся от одного соединения к другому, и, в конце концов, попадает на О2, который получив частицу-путешественницу и, присоединив протоны, образует молекулу Н2О. Система переносчиков, находящаяся в митохондриях (мх), получила название «дыхательная цепь». С помощью биомембраны дыхательная цепь строго ориентирована в пространстве. Это необходимо для сопряжения движения е и синтеза молекулы АТФ, которая является основным источником внутриклеточной энергии. Таким образом, смысл работы систем переноса е в итоге заключается в обеспечении энергетической свободы клетки.
Дополнение 1. П.Д. Митчелл (1920–1992) изложил свои научные взгляды в книге, но не смог ее напечатать. Тогда, используя только личные сбережения, он провел биохимические опыты, которые доказали, что движение е по дыхательной цепи сопровождается трансмембранным потоком протонов (Н+), создающим условия для сопряжения дыхания и энергетики клетки. В 1978 П.Д. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия по химии.
Дополнение 2. Электроны (е) и протоны (Н+) являются представителями семейств элементарных частиц лептонов (греч. leptos – лёгкий) и барионов (греч. baros – тяжелый), соответственно. Учитывая ключевые роли Н+ и е в дыхании, можно заключить, что функционирование живой клетки простирается за пределы молекулярно-атомных взаимодействий, в мир субъядерных элементарных частиц.
27. Когда O2 мало
Несколько лет назад был разработан метод позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ), позволяющий измерять непосредственное прижизненное потребление O2 в отдельных частях тела человека. Измерения методом ПЭТ дали следующие величины для коры головного мозга: от 0,02 до 0,06 мл в мин. Это означает, что мозг человека может жить без О2 от 4 до 10 мин, а потом начинает умирать… Путь кислорода из атмосферы в клетку, к последнему компоненту дыхательной цепи, тонко организован и точно отлажен (см. предыдущие разделы). Но любой сложный механизм может давать сбой. И тогда возникает состояние называемое «кислородное голодание» или гипоксия (ГО, греч. hypo – под, внизу; лат. oxy[genium] – кислород). Причины ГО принято разделять на внешние и внутренние. Внешними являются: любое перекрытие дыхательных путей, недостаточное содержание О2 во вдыхаемом воздухе, повышенная влажность и пониженное атмосферное давление, загрязнение среды обитания и др. В зависимости от того, какой участок транспорта О2 внутри организма был нарушен, различают респираторную, сердечно-сосудистую, кровяную, тканевую и др. виды внутренней ГО. Внутренняя ГО является одним из основных компонентов развития многих заболеваний. Она наблюдается при пневмонии, бронхиальной астме, легочной эмфиземе, отеке легких, онкологических заболеваниях, недостаточности кровообращения, малокровии, отравлениях и др. Именно поэтому все современные больницы оборудованы специальными системами подачи О2, а в ассортименте большинства городских аптек вы найдете кислородную подушку.
Дополнение 1. Читаем у А.С.Пушкина: «Где разостлан мокрый невод, // Мертвый виден на песке. // Безобразно труп ужасный // Посинел и весь распух». Но на самом деле для недавно утонувшего тела характерны бледные лицо, шея и верхняя часть груди, светлая окраска трупных пятен. Отмечаем, что в «Утопленнике» поэт указал посмертный признак (посинение), характерный для гибели от прекращения поступления воздуха в организм на суше, а не в воде.
Дополнение 2. В фантастическом фильме «Вспомнить всё» (англ. Total Recall, 1990) режиссёру П. Верховену (1938 г.р.) удалось очень натуралистично показать, что происходит с людьми в гипоксических условиях. Дело происходит на Марсе, где мало давление и недостаточно О2. Зрители видят, как у А. Шварценеггера, сыгравшего главного героя, сначала краснеет, потом отекает лицо, и вываливаются глазные яблоки. И после такого увечья герой ухитряется совершить еще несколько «киношных» подвигов!
28. Слуховой моллюск
Удивительные животные улитки! У этих представителей класса брюхоногих моллюсков на голове находятся чувствительные щупальца. А человек, оказывается, слышит с помощью улитки. Ведь в голове человека слуховой анализатор находится в т.н. «улитке» (лат. cochlea). Человеческая улитка – это заполненный жидкостью канал, образующий два с половиной витка спирали и разделенный двумя мембранами. Внутри находится звуковоспринимающий аппарат, который состоит в основном из «волосковых» клеток. В ответ на звуковое давление в такой клетке меняются соотношения потоков ионов и возникает биоэлектрический сигнал, передающийся на слуховой нерв. Дальше звук в виде электрического импульса поступает в мозг. Г.Л.Ф. Гельмгольц (1821–1894), сопрягая анатомию организма и физико-химические законы, предложил резонансную теорию слуха, согласно которой отдельные части звуковоспринимающего аппарата человека проявляют способность к резонансу в ответ на звуки определенной частоты. Сложные звуки (например, симфоническая музыка) вызывают колебания сразу нескольких участков. Гельмгольц полагал, что в улитке происходит анатомическое «фильтрование» звуков по доступным для человека частотам волн (16–20000 Гц). Теория Гельмгольца нашла себе много сторонников и считается классической. Конечно, современные электрофизиологи и молекулярные биологи внесли коррективы в эту теорию, открылись детали механизма передачи звуковых колебаний из атмосферы в мозг, появились новые гипотезы («нервных залпов», «бегущей волны» и др.), но бесспорным сохраняется одно положение теории Гельмгольца: пространственное размещение восприятия различных атмосферных звуковых волн в слуховом «моллюске» человека.
Дополнение 1. В 1933 г. у композитора М. Равеля (1875–1937) появились симптомы атрофии участков головного мозга. При этом творческие способности не пострадали: он помнил все свои произведения и мог играть. Но сочинять музыку не получалось. «Опера у меня в голове, я слышу ее, но никогда не напишу. Все кончено. Сочинять музыку я больше не в состоянии», – с грустью повторял Равель.
Дополнение 2. Другой известный композитор В. Шебалин (1902–1963) за 10 лет до смерти оказался парализован и перестал понимать речь, но сохранил способность к сочинению музыки. Таким образом, несмотря на то, что и речевая, и «музыкальная» функции организма человека независимы, каждая из них обладает своим индивидуальным синтаксисом – правилами, определяющими надлежащее соединение элементов (нот или слов, соответственно).
29. «Тормашковый» аппарат Незнайки
Вот отрывок из произведения Н. Носова «Незнайка-путешественник». «Незнайка. У подножия ромашки я лежал, задрав тормашки. Шпунтик. Это что еще за слово – тормашки? Н. Ну, тормашки – это ноги, значит. Ш. Это у тебя, значит, тормашки, а у меня ноги». Мало кто задумывается, что в этом фрагменте детского произведения дается точная характеристика работы вестибулярного аппарата (лат. vestibulum – преддверие, вход). Это сложная биомеханическая структура, расположенная в каналах и полостях внутреннего уха, там же, где и слуховой орган (см. «слуховой моллюск»), позволяющая нам определять, в частности, где расположены ноги, руки и голова? Она воспринимает изменение положения и направление движения тела в пространстве. В состав «тормашкового» аппарата человека входят чувствительные волосковые клетки, особые камешки (отолиты) и мешочки (овальный и круглый). Считается, что овальный мешочек участвует в восприятии положения тела и вращения, а круглый мешочек реагирует на вибрации. Все это природа поместила в жидкость, называемую эндолимфой, и герметически запечатала. При изменении положения и направления движения тела происходит перемещение эндолимфы, а затем и отолитов. Волоски клеток чувствуют перемещение (например, горизонтальное положение под стеблем ромашки) и подают сигнал в мозг. Мозг анализирует информацию, и (Ура! Ура! Ура!) коротышки Шпунтик и Незнайка наконец-то разобрались со своими конечностями! Синхронная работа всех образований вестибулярного аппарата позволяют сохранять равновесие при изменении положения тела, то есть, в случае Незнайки и Шпунтика определить, где ноги, а где «тормашки» даже «у подножия ромашки»! Ну, а если говорить серьезно, то «тормашковый» аппарат человека играет огромную роль во время космических полетов, когда в условиях микрогравитации происходит рассогласование всех компонентов этой сложной системы. В первые две недели длительных космических полетов, космонавты особенно страдают от расстройств вестибулярного аппарата. А потом организм приспосабливается, и наступают суровые космические будни.
Дополнение 1. Признаком расстройства вестибулярного аппарата на Земле является синдром укачивания (головокружение, тошнота, рвота). Часто он сопутствует многим заболеваниям организма, но иногда в транспорте «укачивает» и здоровых людей. Но если натренировать организм, то можно избавиться от неприятных ощущений при резком и частом изменении позы. Летчики и космонавты огромное время уделяют особым упражнениям, повышающим переносимость укачивания.
Дополнение 2. Из-за тесной связи с органом слуха, как правило, у большинства глухонемых людей вестибулярный аппарат не функционирует. Наклон головы они ощущают благодаря сокращениям мышц шеи.
30. Когда красные маки чернеют?
Механизм зрения человека таков, что на первых этапах преобразования внешнего во внутреннее изображение свет словно консервируется в особых клетках. И по форме эти клетки напоминают продолговатые консервные банки. Но сначала надо сказать о сетчатке (ретине) – внутренней оболочке глаза, светочувствительной нервной ткани, осуществляющей первичную обработку изображения. Сетчатку часто называют мозгом, выдвинутым на периферию. Действительно, сетчатка развивается у человека как продолжение головного мозга. Она состоит трех слоев нервных клеток и двух сетчатых слоев, в которых осуществляется клеточное взаимодействие. Основной светочувствительный слой сетчатки образуют «палочковые» и «колбочковые» клетки – вот они, те самые «консервы образов»! Это длинные цилиндрические клетки, в которых есть или особые мембранные складки (колбочки), или же диски (палочки). Именно в них осуществляется первичная обработка изображения, своеобразная консервация зрительного образа. Поскольку изображений великое множество, то и обновляться эти «первичные консервы» должны очень быстро. Обновление фоторецепторной мембраны осуществляется постоянно. Новые диски (или складки у колбочек) обновляются примерно со скоростью 80-100 единиц в день. Между собой клетки сетчатки взаимодействуют при помощи специальных химических соединений – нейромедиаторов, или передатчиков нервного возбуждения. В сетчатке, как и в человеческом мозге, насчитывается до трех десятков различных нейромедиаторов. Сетчатку можно наблюдать через зрачок. При этом видно так называемое слепое пятно (белый диск) – место выхода из глаза зрительных волокон, образующих нерв – путепровод для доставки консервированных образов в мозг. Сетчатку пронизывают кровеносные сосуды, внешний вид и размер которых несут важную информацию для опытного врача-диагноста. Ведь, наблюдая сетчатку, он заглядывает прямо в мозг пациенту!
Дополнение 1. Амавроз Лебера (АЛ) – заболевание, когда в организме отсутствует способность восстанавливать отработанные части палочек и колбочек, что, в конце концов, приводит к слепоте без видимых анатомических изменений органа зрения. Это пока не излечимая генетическая болезнь встречается с частотой 1 на 80000 населения.
Дополнение 2. После заката солнца происходит «перестройка» сетчатки с колбочкового на палочковое зрение – темновая адаптация, за счет которой человек в сумерки хуже различает цвета («ночью все кошки серы»). Кроме того, нам в сумерках кажется, что красные цветы чернеют, а фиолетовые светлеют. Это происходит потому, что максимум спектральной чувствительности палочек сдвинут относительно колбочек в синюю область.
31. Загадочное обоняние
Описание механизмов вкуса и запаха часто объединяют, потому что оба ощущения активируются химическими стимулами, приходящими из внешнего мира. Ученые различных специальностей выдвинули более тридцати теорий, объясняющих механизмы обоняния и вкуса, но ни одна из них не выдержала критики. Долгое время была популярна стереохимическая теория биохимика Дж. Эймура (1930-1998), предложенная в 1963 году. Она была основана на предположении о существовании семи основных «первичных» запахов или одорантов: камфорного, мускусного, цветочного, мятного, эфирного, острого, гнилостного. Исследовав около шестисот пахучих веществ, ученый установил, что каждому из семи типов запахов соответствует такое же количество «активных мест» на чувствительной клетке. Дж. Эймур объяснял потерю обонятельной чувствительности тем, что размеры углублений на поверхности обонятельной клетки меньше, чем обычно, и молекулы пахучих веществ не могут в них внедриться. Это своеобразная теория близка к классическим воззрениям Э.Г. Фишера (см. «ключ в замок»). Но в теорию Эймура не вписались острые и гнилостные запахи, для восприятия которых решающее значение имеет неучтенный ученым электрический заряд молекулы одоранта. В настоящее время широкое признание имеет молекулярная теория, согласно которой пахучие молекулы вступают в химические связи с молекулами белков в мембране жгутиков обонятельных клеток. Особые молекулы (G-белки) активируют сложные внутриклеточные сигнальные системы, работа которых приводит к увеличению концентрации кальция. Кальций деполяризует мембрану обонятельных клеток. Сдвиг мембранного потенциала является тем ключевым сигналом, который определяет значение запаха (вкуса) для мозга.
Дополнение 1. Механизм восприятия запаха и вкуса пока далек от полной расшифровки, но это не мешает ученым разрабатывать искусственные носы (ИН) на основе выделенных из обонятельных клеток человека рецепторов и даже синтезировать необходимую для определения запаха слизь (см. «материализация образа»). Такие биоконструкции планируется использовать для поиска наркотиков и взрывчатых веществ вместо собак. Кроме того, ИН можно будет применять для биометрической идентификации личности и диагностики онкологических заболеваний.
Дополнение 2. «Жгучий» вкус перцев чили представляет пример комплексности восприятия вкуса. Дело в том, что вкус чили не воспринимается специализированными клетками. «Жгучесть» на самом деле просто сигнал о возникновении боли. Возможно, в ходе эволюции перец приобрел способность вырабатывать вещество, вызывающее боль, чтобы отпугивать травоядных животных. В таком случае, человек пользуется продуктом борьбы за выживание в кулинарных целях.
32. Жидкость вместо воздуха
Можно ли дышать водой? Нет, конечно. Если бы такое было возможно, то количество утонувших людей резко уменьшилось. Почему же вода или водно-солевые растворы не пригодны для дыхания? Жидкости на основе воды при нормальных условиях плохо растворяют СО2 и О2, который так необходим организму (см. «обменные пункты»). Кроме того, когда вода или водно-солевые растворы попадают в легкие, то вымывают из альвеол поверхностно-активные вещества. После этого альвеолы не могут расправиться, и возврат к дыханию воздухом становится невозможным. Но давайте вспомним беременную женщину. Она девять месяцев носит ребенка, который находится в особой жидкости и прекрасно развивается. Получается, что дыхательная жидкость – это не фантастика? И ученые продолжали поиск. В середине 60-х годов XX-го века такая жидкость была найдена. Основу ее составили перфторуглероды (ПФ) – углеводороды, у которых атомы водорода замещены фтором, например, тетрафторэтилен CF2=CF2, перфторпропилен CF3—CF=CF2, перфторпентан CF3(CF2)3CF3 и др. Такие соединения получают действием фтора на алканы (ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения с общей формулой CnH2n+2) в присутствии фторида кобальта. ПФ обладают химической инертностью; могут связывать до пятидесяти объемных процентов кислорода и почти до двухсот процентов углекислого газа, то есть кислород всегда будет доставляться в необходимом количестве; не соединяются ни с металлами, ни с щелочами, ни с кислотами; прекрасные диэлектрики; не растворяются в воде; безвредны для человеческого организма.
Дополнение 1. Американское общество защиты животных оценило фильм Джеймса Кэмерона «Бездна» (The Abyss, 1989) как неприемлемый из-за сцены с крысой, которую помещали в жидкость, поддерживающую дыхание, а затем живую бесцеремонно вытягивали из сосуда за хвост. Защитники животных сочли, что над животным попросту издевались. Несмотря на это, картина была удостоена премии Оскар за лучшие визуальные эффекты.
Дополнение 2. ПФ-жидкостью можно дышать, но организм ее отторгает при поступлении в легкие через гортань, т.е. срабатывает рефлекс и возникают позывы к кашлю. В экспериментах на животных вводят трубку глубоко в трахею, и медленно заполняют легкие ПФ-жидкостью. Крупные собаки в таких условиях живут несколько часов.
;
III. Corpus Ignis
В своей знаменитой повести «451 градус по Фаренгейту» американский писатель Рэй Брэдбери (1920–2012) написал следующее. «Почему огонь полон для нас такой неизъяснимой прелести? Что влечёт к нему и старого, и малого? Огонь — это вечное движение. То, что человек всегда стремился найти, но так и не нашел. Или почти вечное. Если ему не препятствовать, он бы горел, не угасая, в течение всей нашей жизни. И всё же, что такое огонь? Тайна. Загадка! Учёные что-то лепечут о трении и молекулах, но, в сущности, они ничего не знают. Главная прелесть огня в том, что он уничтожает ответственность и последствия. Если проблема стала чересчур обременительной — в печку её». Эти слова в полной мере можно отнести и к организму человека. Огонь – это одно из базовых понятий в различных концепциях здоровья. В мире, который нас окружает, огонь – это в большинстве случаев проявление энергии Солнца, а в организме человека – это внутренняя энергия, биологический огонь, символизирующий процессы обмена веществ и проявляющийся теплом нашего тела. Огонь в таком понимании присущ каждой ткани, каждой клетке, он поддерживает иммунную систему, разрушая чужеродные микроорганизмы, выводит и нейтрализует токсины, инициирует и осуществляет обмен веществ, расщепляет пищу на составляющие в желудке и кишечнике, а также обеспечивает транспортировку питательных веществ и их усвоение. Согласно индийскому учению о здоровье (Аюрведа), в человеческом теле существует тринадцать видов биологического огня, каждый из которых соответствует определенным превращениям и преобразованиям. Из них пять видов огня связаны с первоэлементами, они преобразуют пищу в элементы, из которых состоит организм человека. Другие семь видов огня по Аюрведе соответствуют семи видам тканей организма. Они направляют полезные вещества в определенные ткани тела. А последний вид огня, самый значимый для организма, отвечает за переваривание пищи. Кроме того, пищеварительный огонь обеспечивает энергией остальные двенадцать видов биологического огня. Если тринадцатый огонь слаб, то слабы и остальные… Связь огня и жизни отмечалась во многих старых и новых художественных произведениях. Вот слова современного беллетриста Дэна Уэллса (1977 г.р.) из романа «Я – не серийный убийца». «На уроках биологии мы обсуждали определение жизни: чтобы ту или иную сущность отнести к живым существам, она должна есть, дышать, давать потомство и расти. Собаки отвечают этому определению, а камни — нет. Деревья отвечают, а пластмасса — нет. По этому определению огонь — бесконечно живое существо. Он поедает все: от дерева до плоти, выделяя отходы в виде пепла, он вдыхает воздух, как человек, забирает из него кислород, а производит угарный газ. Огонь растет, рождая новые огни, которые распространяются, производя свои собственные. Огонь пьет бензин, а выделяет золу, он сражается за территорию, любит и ненавидит. Иногда, глядя на людей, погруженных в свои ежедневные заботы, я думаю, что огонь живее нас — умнее, жарче, увереннее в себе и в том, что ему нужно. Огонь не успокаивается, не идет на компромиссы и не проходит мимо. Он действует. Огонь существует».
Дополнение 1. «Забавно, но когда углубляешься в раздумья даже о самом крупном пожаре, который когда бы то ни знавало человечество, понимаешь, что он всего-навсего химическая реакция. Окисление. И осознаешь, что тело Жанны д'Арк просто соединилось однажды с кислородом». Чак Поланик (1962 г.р.). Из романа «Невидимки».
Дополнение 2.
— Вам все огня нужно; а огонь никуда не годится. Вспыхнет, надымит и погаснет.
— И согреет.
— Да... и обожжёт.
И.С. Тургенев (1818–1883). Из романа «Рудин».
;
33. Термокибернетическая машина
Способность организма поддерживать температуру (Т) на постоянном уровне обеспечивается взаимосвязанными процессами – теплообразованием и выделением тепла во внешнюю среду. Механизм терморегуляции можно представить в виде самоуправляющейся кибернетической машины с обратными связями. Многочисленные температурные датчики (терморецепторы) тела постоянно собирают и транслируют в центральную нервную систему информацию о тепловом состоянии всех участков организма. Эта информация анализируется в специальных центрах и через нервные волокна или посредством гормонов и других биологически активные веществ (см. «молекулярные фрегаты») соотношение теплоотдачи и теплопродукции органов и всего организма меняется. Процесс образования тепла в организме часто называют химической терморегуляцией (теплопродукцией), поскольку он целиком основан на химических реакциях, сопряженных с энергетикой клетки (см. «цепь энергетической свободы»). А процессы, обеспечивающие удаление лишнего тепла из организма (долговременный перегрев вреден), относят к физической терморегуляции. Распределение Т организма в норме дискретно – отдельные участки тела дают разный вклад в общую картину. Самые холодные поверхности у нас – кончики пальцев, а самые «горячие» местечки – подмышки, причем левая теплее, чем правая. Кроме того, в течение суток наблюдаются небольшие подъемы и спады Т в соответствии с биоритмами: минимум в 2-4 ч, максимум – в 16-19 ч. Печень, Т которой составляет 38-38,5 °С, является самым «горячим» органом тела.
Дополнение 1. Колебания Т мышечной ткани в покое и работе (интенсивное чередование сокращения/расслабления) составляют ок. 7 °С. Часто «мурашки» или «дрожь» (произвольные сокращения мышц) тела являются основной формой повышения теплопродукции. Но увеличение теплообразования может происходить в мышцах и без сокращений волокон, а только за счет повышения интенсивности химических процессов, что является доказательством работы термокибернетической машины на молекулярном уровне.
Дополнение 2. В прямой кишке температура составляет 37-37,5 °С, однако значительно колеблется в зависимости от условий существования организма. Так, в конце состязания у марафонцев она может повышаться до 40° С. Оценивая результат ректального измерения Т, необходимо учитывать, что нормальный показатель может составлять от 0,5 до 1 °С выше температуры, измеренной в подмышках.
34. Бернштейн-1, или биоматематика импульса
Как же работает термокибернетическая машина? Для регуляции тепла организма необходимо наличие эффективных путей передачи информации от датчиков (терморецепторов) к основным регулирующим центрам. Один из таких путей представлен гормонами (см. «молекулярные фрегаты»), а второй электрохимическими процессами, происходящими в нервной ткани. Ю. Бернштейн (1839–1917) в 1902 г. первый предложил теорию биоэлектрических явлений. Он предположил, что в состоянии покоя клеточная мембрана обладает свойством в покое пропускать только калий (К+), и клетка накапливает этот ион. Далее, во время передачи сигнала или возбуждения калиевая избирательность утрачивается, открываются поры для утечки К+. Если заряженный ион калия направленно перемещается через мембрану, то поперек нее должно возникать электрическое поле. Расчет мембранного электрического потенциала по Бернштейну совпал с таковым для искусственного калиевого электрода (-70 мВ). Таким образом, получили свое объяснение существование потенциала покоя, электрическая полярность нервных клеток и даже открылись подходы к точному расчету биоэлектрических явлений. В 1939 г. А.Л. Ходжкин (1914–1998) и Э.Ф. Хаксли (1917–2012) доказали, что передача сигнала приводит не к уменьшению потенциала покоя, как считал Ю. Бернштейн, а к перемене полярности. Использование математического подхода к анализу экспериментальных данных позволило Ходжкину и Хаксли вывести уравнения, описывающие влияние различных факторов на обусловленные ионной проводимостью мембран электрические характеристики клетки. При помощи уравнений была построена согласованная с экспериментом модель.
Дополнение 1. Модель нервного импульса Ходжкина и Хаксли – одно из крупнейших достижений современной науки, служащее примером удивительного соответствия эксперимента и теории. В 1963 г. «за открытия, касающиеся ионных механизмов возбуждения и торможения в периферических и центральных участках нервных клеток» сэру Алану Ходжкину и сэру Эндрю Хаксли была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
Дополнение 2. Единокровными братьями нобелевского лауреата сэра Эндрю Хаксли были Олдос (1894–1963, писатель-сатирик, гуманист и пацифист, номинированный семь раз на Нобелевскую премию, автор известного романа-антиутопии «О дивный новый мир») и Джулиан (1887–1975, биолог-эволюционист, автор синтетической теории эволюции, основатель и первый генеральный директор ЮНЕСКО).
35. Бернштейн-2, или бизнес-план организма
Другой проблемой, связанной с работой термокибернетической машины человека, является циклическая связь между тканевым, органным и нервным уровнями организма. Из нервных центров сигналы поступают на периферию тела и всегда должны соответствовать изменяющимся условиям внешней среды. Например, вызывать усиление физической теплорегуляции путем потоотделения, когда мы находимся в сауне. Это значит, что в нервных центрах уже заложены сведения об изменчивости внешнего мира. Поэтому понятие отражения, т. е. передачу из внешнего мира в головной мозг изменений внешней среды, необходимо дополнить способностью организма прогнозировать условия, в которых придется действовать в ближайшем будущем. Концепцию «опережающего отражения» ввел в науку советский психофизиолог, однофамилец немецкого ученого, Н.А. Бернштейн (1896–1966). Это позволило в общем случае изменить трактовку поведения организма при решении различных задач, связанных с существованием. Ученый также постулировал присутствие и применил математическое моделирование к внутриорганизменной информации о внешнем мире. Организм сталкивается с окружающей средой уже имея своеобразный бизнес-план возможных регуляторных действий с органами и тканями. В создании и наличии таких бизнес-планов проявляется активность организма, способность к построению т.н. «потребного результата». Ученый в полной мере успел применить свою теорию к двигательной активности, но ее положения вполне соотносятся с терморегуляцией организма. Таким образом, по принципу «потребного результата» одного Бернштейна, Николая, и на основе теории другого Бернштейна, Юлиуса, (см. «Бернштейн-1») и построена работа термокибернетической машины организма человека.
Дополнение 1. Некоторые физиологи обвиняли Н.А. Бернштейна в идеализме, космополитизме и механицизме, а также в критическом отношении к учению И.П. Павлова, которое в советские годы было догматизировано, но толковалось весьма примитивно. Вместе с тем, за свой фундаментальный труд «О построении движений», Н.А. Бернштейн в 1948 г. получил Сталинскую премию второй степени – высшую научную награду тех времен.
Дополнение 2. С именем Н.А. Бернштейна связано создание теоретических основ современной биомеханики. Его идеи нашли широкое практическое применение при восстановлении движений у раненых во время и после Великой Отечественной войны, а также в спорте и робототехнике.
36. Чем дети похожи на медведей?
Условно тело человека можно разделить на две области: ядро и оболочка. Ядро (внутренние органы) имеет постоянную температуру ок. 37 °С. Это достигается стабильной работой термокибернетической машины организма. Оболочка же представляет собой барьер между окружающей средой и ядром толщиной ок. 2,5 см. Фактически терморегуляция – это способность оболочки сохранять температуру ядра. Через оболочку идёт теплообмен между ядром и окружающей средой, то есть физическая терморегуляция. Теплопроводность изменяется за счёт изменения кровоснабжения и кровенаполнения тканей оболочки. Терморецепторы располагаются и в ядре, и в оболочке тела человека, однако распределение их неравномерное. Максимальное число рецепторов находится в области головы и шеи, минимальное – на конечностях. Подсчитано, что соотношение холодовых и тепловых рецепторов составляет в среднем 150/16. При этом холодовые рецепторы менее чувствительны – порог чувствительности при охлаждении равен 0,012 °С, а при нагревании 0,007°С. Это связано с большей опасностью для организма перегревания. У животных, впадающих в зимнюю спячку, хорошо развита бурая жировая ткань (БЖТ), которая и поддерживает температуру ядра тела. Окислительная способность БЖТ в 20 раз выше, чем у белого жира. При термогенезе в ней задействован белок термогенин, который способствует переводу энергии обменных процессов в тепло. Избыток БЖТ обеспечивает медведям тепловой комфорт во время спячки в зимние холода. К сожалению, БЖТ хорошо развита только у новорожденных детей, по мере роста человека она исчезает. Благодаря БЖТ младенцы менее восприимчивы к холоду, чем взрослые.
Дополнение 1. В одной из серий фильма «Звездные войны» герой спасается от лютого холода внутри свежевспоротого крупного теплокровного животного. Тепловое ядро всегда остывает медленней, чем оболочка, и в комбинации с густым мехом фантастического зверя такой метод вполне мог дать дополнительное время человеку, оставшемуся один на один со стихией.
Дополнение 2. У собак отсутствуют потовые железы, и физическая терморегуляция в основном осуществляется за счет испарения влаги со слизистых оболочек. Это происходит при интенсивном воздушном обмене. Поэтому в жаркую погоду собаки открывают пасть, «вываливают» язык и часто-часто дышат.
37. Субфебрильная и гиперпиретическая
«Тэк-с, – глубокомысленно говорит седенький профессор, изучая Вашу историю болезни. – А вот здесь у Вас была длительная субфебрильная температура». И Вы начинаете нервничать и теряться в догадках. Что значит это загадочное «субфебрильная»? А ведь консультант говорил всего лишь о лихорадке (Л.) – защитно-приспособительной реакции, выражающейся временной перестройкой теплообмена на поддержание высокой температуры тела. Обычно Л. развивается в ответ на действие чужеродных организму соединений, называемых пирогенами. Таковыми часто являются продукты жизнедеятельности бактерий – возбудителей инфекционных болезней. Повышение температуры тела при Л. осуществляется стандартными механизмами физической и химической терморегуляции. Л., в соответствии с временным колебанием температуры тела, принято разделять на три стадии: повышения, стабильности и снижения. По абсолютным значениям температуры тела Л. различают: а) 37–38 оС, субфебрильную (да-да, это та самая, о которой говорил седенький профессор в начале); б) 38–39 оС, умеренную; в) 39–41 оС, высокую; г) больше 41 оС, чрезмерную, или гиперпиретическую. В случаях острых инфекционных болезней наиболее благоприятной формой является умеренная Л. с суточным колебанием температуры в пределах одного градуса. При больничном режиме пациенту измеряют температуру, как минимум, два раза в сутки, а затем медсестры строят (вернее, должны строить) температурную кривую, по которой опытный врач, почти как полицейский по паспорту, может определить «личность» болезни. Так, например, резкая, перемежающаяся Л. характерна для малярии, а волнообразная – для бруцеллеза.
Дополнение 1. Л. обычно заканчивается или быстрым падением температуры тела до нормы и ниже (кризис болезни), или постепенным снижением (лизис болезни). Наиболее тяжелые формы некоторых инфекционных заболеваний у стариков и детей могут протекать без Л. и даже с понижением температуры, что является плохим признаком для врача – организм больного не справляется с инфекцией.
Дополнение 2. Во время любой Л. у человека сохраняется функционирование всех механизмов терморегуляции. В этом отличие Л. от состояния гипертермии (перегревания) организма, когда происходит сбой работы термокибернетической машины организма. Гипертермия сопровождается нарушениями обмена веществ, кровообращения, доставки О2 к мозгу, а также потерями воды и солей. Могут возникать судороги и обморочные состояния. Если вовремя не устранены причины перегревания, то при температуре тела ок. 41–42 °С после теплового удара наступает смерть.
38. И все-таки он измеряет!
Общеизвестна легенда, по которой после отречения от «коперниканской» ереси Галилео Галилей (1564–1642) сказал: «И всё-таки она вертится!». Эту фразу, якобы произнесенную великим ученым, можно с полным основанием адаптировать к изобретению термометра, придав ей вид в тех же устах: «И все-таки он измеряет!», поскольку медицинский термометр прошел сложный путь прежде, чем приобрести современный вид. В сочинениях Галилея нет описания этого прибора, но есть упоминание о 6, 9 и 10 «градусах тепла», но что это была за шкала неизвестно. Ученики великого ученого свидетельствовали, что в 1592 году он создал термоскоп – аппарат для поднимания столбика воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой стеклянный шар с припаянной трубкой. Принципиальная разница между термоскопом и современным термометром в том, что в изобретении Галилея не было ртути. Также по нему можно было судить только лишь об относительной степени нагрева или охлаждения тела. В 1611–1626 гг., врач и физиолог из Падуанского университета, основоположник биофизических методов исследования, Санторио Санторио (лат. Sanctorius, 1561–1636) применял сходное с термоскопом устройство для измерения температуры человеческого тела, однако заполненный подкрашенной жидкостью прибор был громоздким и неудобным. Пациент должен был очень долго держать трубку с делениями во рту, и, чем выше была температура, тем ниже опускался уровень жидкости. В 1657 году флорентийские учёные усовершенствовали термоскоп Галилео, снабдив прибор примитивной шкалой из плавающих разноцветных бусин. Первые термометры на основе водных растворов были описаны в 1667 году, но они часто лопались зимой, поэтому начали использовать сначала вино, а потом винный спирт. Кроме того, точным измерениям сильно мешали колебания атмосферного давления. Решение этой проблемы в термометрии связывают с именем Э. Торричелли (1608–1647), также ученика Галилео Галилея.
Дополнение 1. Историки считают, что миф о знаменитой фразе Галилея («И все-таки она вертится!») был создан итальянским публицистом и критиком Д. Баретти (1719–1789) в 1757 году, т.е. более, чем через сто лет после отречения ученого, и стал широко известен в 1761 году после перевода трудов Баретти на французский язык.
Дополнение 2. До середины XIX века медицинские термометры были длиной ок. 30 см. Измерение температуры тела занимало не меньше 20 минут. Английский врач Т.К. Альбат (1836–1925) в период 1866-67 гг. модифицировал конструкцию так, что термометр стал вдвое короче, а сам процесс продолжаться не более 5-ти минут.
39. Шкала всему голова
Сегодня самой распространенной в медицинских измерениях является температурная шкала, предложенная А. Цельсием (1701–1744). Создание температурных шкал оказало революционное влияние на развитие знаний об организме человека. Ведь прежде температуру человеческого тела определяли крайне субъективно, прикасаясь к пациенту губами или тыльной стороной ладони. Термометр же дает точные показания. Долгое время ученые, занимаясь созданием термошкалы, не могли найти исходные точки отсчета температуры. Предлагали использовать даже температуру плавления сливочного масла и абстрактное определение «значительная степень холода» для точек отсчета. В конце концов, остановились на предложении А. Цельсия, выдвинутом в 1742 году. Он пометил температуру кипения воды цифрой 0, а для таяния льда предложил число 100, и разделил температурный интервал на сто равных частей. Позже десятичная шкала Цельсия была «перевернута»: 0 °C – стал соответствовать таянию, а 100 °C – кипению. Термометр с минимальной ошибкой измерения, наиболее пригодный и для бытового применения, и для обследования больных, создал Г. Фаренгейт (1686–1736) в 1714 году, то есть задолго до работы Цельсия. В континентальной Европе достаточно быстро распространились термометры конструкции Фаренгейта со шкалой, предложенной Цельсием. А в Англии и США остановились на недесятичной шкале Фаренгейта, которая базируется на трех значениях температур: 1) смеси воды, льда и хлорида аммония (0 °F); 2) смеси воды и льда (32 °F); 3) кипения воды (212 °F). Нормальная температура человеческого тела (36,6 °C) соответствует 97,9 °F.
Дополнение 1. Особенностью медицинского (максимального) термометра является капилляр, соединяющий основной резервуар с измерительной трубочкой. При малейшем охлаждении тонкий слой ртути в капилляре разрывается, что не дает перетекать показывающему температуру объему ртути обратно, и термометр фиксирует максимальное показание. Однако для повторного использования приходится встряхивать прибор, чтобы воссоединить основной и измерительный объемы ртути.
Дополнение 2. Ртуть – очень токсичное вещество, а недостатком стеклянного термометра является хрупкость. Между тем в медицинском термометре содержится от 0,5 до 3 г ртути. Если он разбился, то осколки надо положить в плотный полиэтиленовый пакет и туго завязать. Перед тем как собирать ртуть, осветите пространство яркой лампой – под лучами света блестящие шарики металла будут более заметны. Всю собранную ртуть надо помещать в емкость, обеспечивающую минимальный контакт с внешней средой, например, в банку с холодной водой.
40. Защитная пентаграмма воспаления
Температура является крайне важным показателем не только для функционирования здорового организма, но также оказывает неоценимую услугу при диагностике заболеваний. Например, известно, что реакцией организма на враждебное воздействие внешней среды является воспаление (В). Еще со времен римских энциклопедиста Авла Корнелия Цельса (ок. 25 до н.э. – 50 н.э.) и врача Галена (129 – ок. 200 гг. н.э.) к классическим признакам воспаления относят боль, красноту, опухание и нарушение функции. И, конечно же, повышение температуры. Пять признаков воспаления образуют своеобразную пентаграмму, пройдя через которую испытавший вмешательство организм человека восстанавливает свои свойства. Кроме того, для опытного врача такая пентаграмма, построенная в ходе обследования и опроса пациента, служит источником информации о способности организма к сопротивлению болезням, т.е. об иммунитете. Неполное, нечеткое и короткое проявление всех частей этой пентаграммы в ходе заболевания всегда говорит о возможности серьезного повреждения тканей и органов болезнетворными силами (например, бактериями). Ну, а когда пациент длительный период жалуется на функциональные расстройства (например, частые мочеиспускания), боль, повышенную температуру, изменение цвета кожных покровов и локальные припухлости, то лечащему врачу стоит задуматься о наличие хронического В, которое часто сопровождает или может спровоцировать и ревматоидные расстройства, и проблемы с зубами, и болезни сосудов, и даже отдельные виды рака. Заметьте, что сбор информации для построения такой пентаграммы всегда начинается с измерения температуры – прежде всего, в любом приемном покое вновь прибывшему дадут градусник.
Дополнение 1. После укуса комара человек последовательно испытывает все пять признаков воспаления. Боль (лат. dolor) возникает, когда комар прокалывает покровы, а затем следуют покраснение (лат. rubor), опухание и жар (лат. tumor и calor) – очень быстро образуется горячий красный бугорок. И место укуса еще долго чешется, что свидетельствует о расстройстве функции (лат. functio laesa).
Дополнение 2. Основной показатель хронического В – С-реактивный белок (СРБ), который синтезируется в печени и играет защитную роль в организме. СРБ один из самых надежных индикаторов скрытых воспалительных процессов: чем выше его уровень, тем более вероятно наличие инфекций, травм, опухолей, диабета, проблем с сердцем и сосудами, других серьезных заболеваний.
41. Меньше пыли – больше здоровья
Оболочка тела может быть представлена не только кожей. Для осуществления некоторых важных функций необходимо иметь влажную границу тела – слизистые оболочки (см. «материализация образа»). Что же происходит, когда агрессивные воздействия внешней среды реализуются через слизистые? Чаще всего возникает катаральное воспаление (катар, К). Такое воспаление сопровождается смешиванием слизи с другими жидкостями. В обыденной жизни мы чаще всего сталкиваемся с катаром верхних дыхательных путей, однако поскольку слизистых оболочек в организме достаточно много, то этот тип воспаления может также проявляться, например, в мочевом пузыре или кишечнике. Причинами К могут быть инфекция, интоксикация (уремический катаральный гастрит и колит), а также воздействия температуры и химических соединений. На все такие воздействия слизистые оболочки отвечают развитием воспаления со всеми классическими признаками (см. «защитная пентаграмма воспаления»), включая повышение температуры. Если обильные выделения при К содержат свежую кровь, то он называется геморрагический. Если же много продуктов распада клеток, то это гнойный К. Бывает также серозный К – в выделениях мало клеточных элементов. Различают также острый и хронический К. Острый, как правило, заканчивается полным выздоровлением, а хронический – атрофией (уменьшение размеров) или гипертрофией (разрастанием) слизистой. Так, длительный К дыхательных путей (см. «внутреннее дерево») может привести к расширению воздушных пространств бронхов (эмфизема легких) и даже замещению нормально работающей ткани на функционально неактивную (пневмосклероз), а хронический К желудка является фактором риска развития злокачественной опухоли (рак).
Дополнение 1. При аллергии на пыльцу растений буквально за несколько минут может развиться острое катаральное воспаление верхних дыхательных путей. Человек начинает кашлять и чихать, слизистые отекают, дышать трудно. Интенсивность проявлений зависит от количества пыльцы. Аллергики чувствуют себя хуже в поле, где пыльцы больше, чем в городе. Дождливая погода их всегда бодрит – вода уносит пыльцу.
Дополнение 2. Аллергическая реакция с хроническими катаральными проявлениями может развиться на домашнюю пыль, которая содержит особых клещей (ок. 150 разновидностей), обитающих в книгах, мягкой мебели, коврах. При лечении внимание уделяют чистоте мест проживания, а также удаляют ворсистые изделия из домов пациентов.
42. Степени и правила ожогов
Ожог – это внешнее повреждение оболочки тела, вызванное действием высокой температуры или некоторых химических веществ (щелочей, кислот, солей тяжёлых металлов и др.). Чем более глубокие ткани повреждены, тем тяжелее для организма последствия ожога. Различают четыре степени ожога. Первая степень. Поражается только верхний слой покровов организма, кожа краснеет, появляются местные отеки, человеку больно. Через четыре-пять дней признаки исчезают. Следов воздействия температуры не остается. Вторая степень. Кожа частично повреждается до слоя ростовых клеток и появляются пузыри. Обожженные места заживают за две-три недели благодаря развитию сохранившихся клеток. Третья степень. Поражаются все слои кожи до жировой прослойки и формируются большие пузыри, которые могут сливаться и часто содержат кровь. Чувствительность к боли при этом снижается. Если ожог не осложнится инфекцией, то возможно восстановление поверхности кожи. Четвёртая степень. Гибель даже подкожных тканей, обугливание мышц и костей. Тяжесть ожога определяется не только биологическими изменениями, но и величиной площади поверхности тела, поврежденного высокой температурой. Так, диагноз «ожоговая» болезнь у лиц молодого и среднего возраста ставится при поражении ожогами более 15% поверхности тела, но у детей и стариков она может наблюдаться при поражении всего 5-10% кожного покрова. Для быстрого определения ожоговой площади используют правила ладони и «девяток». Распространено заблуждение, что ожог надо смазать чем-то жирным, например, сметаной или растительным маслом. Часто больничному персоналу приходится удалять густую масляную плёнку с пораженных мест, причиняя дополнительные страдания больному. Также не рекомендуется во внебольничных условиях снимать с пострадавшего остатки сгоревшей одежды, ведь можно спровоцировать отслоение кожи, кровотечение и внести инфекцию.
Дополнение 1. Правило «девяток». Поверхности основных частей тела кратны девяти долям от всей площади организма человека. Голова с шеей – 9%, руки по 9%, ноги по 18%, туловище спереди и сзади по 18%. Только надо учитывать, что у детей пропорции иные, например, голова с шеей составляют не 9, а 21%.
Дополнение 2. Правило ладони. Ладонь человека составляет приблизительно 1% площади всего тела. Согласно этому правилу поражено ок. 1% тела, если площадь ожога примерно соответствует одной ладони, и ок. 10% тела, если десяти ладоням.
43. Тело как термометр
Под влиянием холода в тканях организма происходят изменения, характер которых зависит от значения и динамики снижения температуры. При резком воздействии температуры ниже -30oС происходит гибель клеток. А при достаточно долгом действии температур, соответствующих большинству бытовых обморожений (-10 – -20oС), ведущее значение имеют сосудистые изменения. В тканях замедляется кровоток, меняется активность ключевых регуляторов обмена веществ – белков-ферментов. Обморожение представляет собой повреждение какой-либо части тела под воздействием низких температур. При длительном пребывании вне помещения, особенно при высокой влажности и сильном ветре, обморожение можно получить не только зимой, но и осенью и весной при температуре воздуха выше нуля. Наиболее лёгкое (первой степени) обморожение наступает при непродолжительном воздействии холода. Человек сначала чувствует местное покалывание, жжение, онемение, а потом зуд и боль. Бледный участок кожи после согревания краснеет иногда до багрово-красного оттенка, появляется местный отёк, потом кожа начинает «шелушиться». Обморожение второй степени возникает при более продолжительном воздействии холода. Наиболее характерным его признаком является образование пузырей. На этой стадии пузыри наполнены прозрачной влагой, а для следующей, третьей, степени характерны цветные пузыри – дно их сине-багровое, содержимое красновато-коричневое. При третьей степени обморожения происходит гибель всех слоев кожи и развитие после выздоровления уродливых рубцов, а ногти часто не восстанавливаются или вырастают обезображенными. Ну, а четвертая степень обморожения характеризуется отсутствием пузырей, синим или «мраморным» цветом пораженного холодом участка и полной потерей чувствительности. Поскольку часто участки обморожений разной степени наблюдаются у одного пациента, а лечение разное, то врачу необходимо знать все признаки. По наличию и цвету пузырей на теле, окраске покровов, форме отеков опытный врач определяет, как долго подвергался воздействию холода тот или иной участок тела, то есть фактически использует пациента в качестве биотермометра.
Дополнение 1. «Траншейная» стопа – особый вид поражения ног при длительном воздействии температур около 0оС. Это проявление температурного воздействия было впервые обнаружено у солдат Первой мировой войны (1914–1918) после долгого пребывания в окопах. В тяжёлых случаях прибегали к ампутированию конечности.
Дополнение 2. Н.И. Пирогов (1810–1881) использовал русские морозы для развития анатомии. Зимой, проезжая мимо базара, где были расставлены замороженные свиные туши, он обратил на них свое внимание и стал замораживать человеческие трупы, а потом делать распилы в различных направлениях и изучать расположение органов и структур.
44. Теплофизика языка
Что может быть нелепее, чем человек, который зимой прилип языком к металлическому предмету? Никто не хочет оказаться в таком дурацком положении, но любопытство всегда берет верх, и каждую зиму металлические качели, столбы и дверные ручки находят новых молодых героев. В чем же причина прилипания тканей тела к металлу на морозе? Все металлы очень быстро проводят тепло. Металлическая массивная конструкция всегда будет стремиться отобрать тепло у другого тела, в том числе и у языка очередной жертвы морозного эксперимента. И становится ясно, что в описанной ситуации дела языка плохи. Он будет остывать, причем очень быстро и не один, а в компании всего тела. К тому же язык всегда влажный, и пленка воды обеспечит превосходный тепловой контакт между холодным металлом и теплым языком. В таких условиях вода, естественно, замерзнет и превратится в лед. А лед, образовавшийся между поверхностью металла и еще теплой частью языка, сформирует плотное соединение, поскольку за счет микроцарапин отлично держится на поверхности металла. Как в любой части человеческого тела, в языке есть внеклеточная и внутриклеточная вода. Но замерзают они почти одновременно, становясь монолитом льда. Такой меж-внутриклеточный «клей» является очень прочным (вспомним, как трудно отделить примерзшее мясо от стенок морозильника). Итак, сначала замерзнет вода на языке, затем замерзнут поверхностные клетки языка – и горе-экспериментатор уже прилип в самой неудобной позе. Из-за низкой теплопроводности замерзшей части языка процесс отвод тепла в металл замедляется, иначе все тепло организма перетекло бы в металлоконструкцию. Ледяной монолит замерзших тканей языка служит изолятором, не допускающим утечки телесного тепла. Теоретически теплоемкости, например, большого железного столба или высоких качелей вполне могло бы хватить, чтобы быстро охладить тело взрослого человека до нуля градусов и ниже. Около качелей в странной позе стояла бы ледяная скульптура.
Дополнение 1. Если все же язык прилип к металлу на морозе, то не следует тянуть важный орган и делать резкие движения. Надо попытаться раздобыть теплую (не кипяток!) воду и понемногу поливать язык. На помощь может прийти и сохраненное тепло собственного тела: грейте место контакта пальцами, ладонями и дыханием.
Дополнение 2. Ксанф приказал Эзопу: «Подай на пиру лучшего, что есть на свете!» Эзоп подал только блюда из языков: «Разве язык не самое лучшее на свете? Языком договариваются, устанавливают законы, рассуждают о мудрых вещах!». «Тогда завтра подай худшего, что есть на свете!». На следующий день Эзоп опять подал блюда из языков: «Разве язык не самое худшее на свете? Языком обманывают, начинают споры, раздоры, войну!».
45. Невидимый смертельный огонь
Лучевая болезнь (л.б.) развивается в результате воздействия на организм ионизирующего излучения. Не используя специальные дозиметрические приборы, очень трудно бывает определить степень повреждения тканей и органов таким «невидимым огнем». В зависимости от длительности, интенсивности облучения и сроков проявления заболевания различают острую и хроническую л.б. Острая л.б. возникает после кратковременного облучения в относительно короткие сроки. Для хронической л.б., формирующейся в течение месяцев и лет, характерно длительное облучение в дозах, существенно превышающих допустимые. Типичная острая л.б. возникает вследствие кратковременного общего внешнего облучения или поступленияв нутрь радионуклидов, создающих в теле среднюю поглощенную дозу превышающую 1 грей (Гр – единица поглощённой дозы ионизирующего излучения в системе единиц СИ, соответствует джоулю энергии на килограмм массы). При воздействии излучения некоторые атомы, которые подвергаются процедуре внешнего облучения, существенно меняют свойства. За атомами меняются молекулы, за молекулами свойства живой ткани. В первую очередь нарушаются системы обновления клеток (лимфоидных, костномозговых, эпителиальных из тонкого кишечника и кожи). Возникает дефицит различных клеток, который приводит к костномозговому синдрому, поражению слизистой оболочки кишечника, отравлению организма продуктами распада клеток, нарушению основных функций крови, а также наблюдается невосполнимая гибель нервных клеток. Хроническая л.б. представляет собой сложное сочетание расстройств многих систем организма, развивающихся при длительном лучевом воздействии доз, в 3-5 раз превышающих допустимые. Хроническая л.б. характеризуется длительностью и волнообразностью течения, что отражает с одной стороны, проявления повреждений на клеточном и молекулярном уровнях, а с другой – восстановительные и приспособительные реакции всего организма.
Дополнение 1. При воздействии излучения на живые организмы говорят об эффективной (Эфд) и эквивалентной (Экд) дозах. При определении Экд учитываются физические свойства излучения, при этом она равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент, зависящий от вида излучения. Эфд равна Экд, умноженной на коэффициент повреждения тканей отдельный для каждого органа тела. Единицей измерения является зиверт (Зв).
Дополнение 2. В 1996-м Международная комиссия по защите от радиации установила величину допустимого годового облучения врачей-рентгенологов в 20 мЗв. А обычная средняя годовая доза от естественных внешних источников радиации для человека составляет 2-3 мЗв в год.
46. Угасание жизни
Старение (С.) связано с изменениями, происходящими на всех уровнях организации живой материи – молекулярном, субклеточном, клеточном, системном. Многие геронтологи (исследователи, изучающие все аспекты С. человека) отмечают, что процессу угасания жизни присущ парадокс: легко обнаруживаются различия молодого и старого организма, однако трудно дать исчерпывающую научную характеристику сущности старения и механизмов его развития. В разное время были выдвинуты несколько сотен подходов и гипотез для объяснения механизма С., ниже приведены некоторые. 1. Изнашивание – живые системы стареют под влиянием интенсивных жизненных процессов, и С. ускоряется или замедляется по физическим законам на уровне клетки, тканей, целого организма. 2. Наличие «жизненной» субстанции, которую каждый организм получает по наследству, но она со временем растрачивается, что приближает смерть. 3. Используемая «сома» – механизм С. случайный и является лишь побочным результатом необходимости поддерживать репродуктивную способность организма. 4. Клеточный «мусор» – самоинтоксикация клеток балластными химическими соединениями приводит к возрастным изменениям. 5. Иммунные расстройства – С. провоцируется дисбалансом аутоиммунной системы человека. Большинство теорий С. утратило актуальность, в настоящее время они имеют лишь историческое значение. «Первопричина» С. пока не найдена, однако сформировались две основные точки зрения. Первая рассматривает С. как запрограммированный процесс, результат закономерной реализации программы, заложенной в генетическом аппарате организма. А вторая заключается в том, что С. есть результат разрушения организма вследствие неизбежного повреждающего действия сдвигов, возникающих в ходе самой жизни.
Дополнение 1. В периоды античности, Средневековья и почти всего Нового времени врачи связывали старость с ослаблением умственной деятельности, считая потерю рассудка стариками естественным делом. В начале XX-го века А. Альцгеймер (1864–1915) описал болезнь старости, встречающуюся в основном после 65 лет жизни. В 2006 году на Земле насчитывалось ок. 27 млн. таких больных.
Дополнение 2. На ранних стадиях болезни Альцгеймера происходит расстройство кратковременной памяти. Позже владение языком сокращается до использования отдельных слов, и в итоге речь полностью теряется. Состояние истощенного больного характеризуется апатией, он теряет способность ориентироваться в пространстве и времени, не в состоянии осуществить даже самое простое действие без чужой помощи.
47. Быстрое сгорание организма
Ученые обратили внимание на преждевременное старение организма человека ок. 100 лет назад. Такие случаи встречаются достаточно редко – в среднем один раз на 4-8 миллионов младенцев. Синдром Хатчинсона-Гилфорда или детская прогерия (греч. prо – сверх, gerontos – старец) – генетическое заболевание, ускоряющее процесс старения примерно в 8-10 раз. Ребенок за один год стареет на 10-15 лет. Восьмилетний мальчик выглядит на 80 лет – сухая морщинистая кожа, облысевшая голова. Дети обычно погибают в 13-14 лет после нескольких инфарктов и инсультов на фоне прогрессирующих атеросклероза, катаракты, глаукомы, полной потери зубов и т.д. И лишь немногие живут до 20 лет. Дети, страдающие прогерией, выглядят нормальными только первые 6-12 месяцев жизни. После этого у них развиваются симптомы, характерные для преклонного возраста. К числу особенностей таких больных относятся карликовый рост, малый вес (не превышающий обычно 15-20 кг), чрезмерно тонкую кожу, плохую подвижность суставов, недоразвитый подбородок, маленькое лицо в сравнении с размером головы, что придает пациенту «птичьи» черты. Из-за потери подкожного жира видны сосуды. Голос обычно высокий. Больные прогерией дети поразительно похожи друг на друга. Причина детской прогерии – мутация гена, кодирующего белки, обеспечивающие регуляцию транскрипции в ядре клетки. Сегодня не известны методы, применение которых позволило бы предотвратить появление такой болезни. Также нет и методов лечения. Можно лишь немного замедлить прогрессирование заболевания за счет минимизации проявления отдельных симптомов. Молекулярно-биологические данные по изучению детской прогерии вместе с генетическими исследованиями продолжительности жизни привели к гипотезе, согласно которой в человеческом организме существует особый механизм, который управляет обычным процессом старения.
Дополнение 1. В отличие от детской прогерии первые проявления синдрома Вернера возникают в возрасте 14–18 лет. Больные быстро седеют и теряют волосы. Появляются старческие изменения кожных покровов, морщины, подкожные уплотнения, катаракта, атеросклероз, нарушения сердечно-сосудистой системы, остеопороз, доброкачественные и злокачественные опухоли.
Дополнение 2. Женщины, страдающие синдромом Вернера (частота встречаемости 1/100000), обычно не выходят замуж, у них не бывает детей. Психика меняется – отталкиваемые всеми, они замыкаются в себе, избегают людского общества, живут изолированно и одиноко. Существует гипотеза, что женщины с синдромом Вернера служили прототипами фольклорного образа Бабы Яги.
48. Стоны и огни на могилах
Жизненный путь человека окончен. Гроб закопан, похороны завершены. Но что происходит с умершим в гробу? Ответ может дать судебная медицина. Изменения, которые будут происходить с трупом в отсутствии насекомых, судмедэксперты делят на аутолиз, гниение и тление. Длительность этапов может составлять от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от среды захоронения и состояния трупа. Аутолиз также называют «самоперевариванием». Ткани перевариваются под воздействием ферментов, вышедших из клеточных структур. Этот процесс не зависит от каких-либо микроорганизмов и начинается самостоятельно. Быстрее всего аутолизу подвергаются головной мозг, надпочечники, селезёнка, поджелудочная железа. Потом в процесс включаются и остальные органы. В полуразрушенные клетки поступает кальций, вызывающий изменение белковых комплексов – возникает необратимое сокращение мышц, называемое «трупное окоченение». Параллельно с аутолизом развивается анаэробный (см. «зачем он нужен?») процесс – гниение. Оно начинается со слизистых оболочек и кожных покровов. Скорость гниения зависит от прижизненного состояния, обстоятельств смерти, влажности и температур почвы, а также плотности одежды. Некоторые сильные яды способствуют замедлению гниения. Белки расщепляются до составных кирпичиков – аминокислот. Преобразования некоторых аминокислот дают газообразные продукты – трупный газ со своеобразным запахом. Примечательно, что трупы могут звучать. Образующийся газ в первую очередь занимает полости тела и выходит через естественные отверстия. Когда он проходит через голосовые связки, скованные окоченевшими мышцами, то возникает звук. Чаще всего это хрип, сходный со стоном. Быстрее всего труп разлагается за первые шесть месяцев после погребения. Совместно с гниением может происходить аэробное разложение или тление – в случаях, когда недостаточно влаги и слишком много кислорода. Выработка трупного газа прекращается, начинается выделение углекислоты и водорода, который самопроизвольно возгорается и дает огни на могилах.
Дополнение 1. Естественная мумификация происходит, когда труп захоронен в очень сухой почве. Действенных рецептов искусственной мумификации и бальзамирования с помощью химической обработки умершего тела существует великое множество.
Дополнение 2. Во влажной почве при недостатке О2 из подкожного, мышечного и внутреннего жиров трупа образуется серовато-белая, крошащаяся масса, похожая и на мыло, и на воск – т.н. «жировоск». Состоит эта масса на 90% из аммиачного мыла – результата работы анаэробных бактерий. Жировоск многие годы сохраняет не только формы органов, но и прижизненные раны.
;
IV. Corpus Terrae
Древнегреческому герою Гераклу при совершении двенадцатого подвига пришлось идти через владения Антея, который заставлял всех путников бороться. Не зная секрета, никто не мог победить титана в единоборстве, ведь, когда в ходе поединка Антей чувствовал, что слабеет, то прикасался к почве, черпая силы у Геи, своей матери, великой богини земли. Но могучий Геракл поднял Антея, тот потерял связь с землей, и герой победил. В этой легенде образно передано значение земли (почвы) для жизни человека. Да, земля придает силы организму. Но в то же время может служить и причиной поражения, ведь Геракл опирался ногами на ту же землю, отсутствие контакта с которой лишило сил Антея. Если мы будем рассматривать землю только как основное средство сельскохозяйственного производства, дающего продукты питания, то этого будет недостаточно для характеристики ключевой роли в функционировании организма каждого человека. Например, почва может выполнять защитную функцию. Обладая способностью поглощать и удерживать в себе различные загрязняющие вещества, химически и физически связывая и преобразуя их, почва оказывает существенное влияние на биотрансформацию различных соединений внутри организма. Однако земля может быть источником заражения человека. Так ходьба босиком, выполнение работ на открытом воздухе или просто лежание на земле в определенных условиях может привести к паразитарному заболеванию анкилостомозу, одним из признаков которого является снижение количества основного белка переноса О2 (гемоглобина) в крови. Кроме того, состав почв и климатические условия оказывают влияние на проявления одних и тех же болезней. Инфекционное заболевание, вызываемое бактериями рода трепонем, в тропических странах протекает по-особому и называется фрамбезией (франц. framboise – малина). А в далеких от экватора странах микроорганизмы этого же рода являются возбудителями сифилиса. Множество заболеваний определяются химическим составом почв: зоб при недостатке йода, кариес при недостатке фтора, отравление при избытке селена, рак желудка при избытке мышьяка, молибденовая подагра и др. Итак, за многие годы существования человека на Земле образовалась неразрывная связь внешней среды с нормальной и патологической биохимией человеческого организма. Так же, как и атмосфера (см. «газовая колыбель»), почва обеспечивает функционирование человеческого организма. Для определения безопасной среды обитания человеческого организма ученые придумали предельно допустимые для здоровья концентрации органических и неорганических соединений, оценивают степени бактериального и паразитарного обсеменения почв. Земля стала биохимическим фактором человеческой жизни. Но все равно полностью отрегулировать ее влияние на существование Homo sapiens не удалось. И до сих пор со времен Геракла и Антея земля может быть источником силы и здоровья, и одновременно причинять страдания людям.
Дополнение 1. Писатель-врач А.П. Чехов (1860–1904) в статье 1892 года «От какой болезни умер Ирод?» одним из первых обратил внимание на значение географического фактора в развитии заболеваний. Источником для статьи о болезни библейского царя Ирода послужили личные наблюдения Чехова, полученные им во время поездки на пароходе с Дальнего Востока через Индийский океан и мимо берегов Красного моря.
Дополнение 2. Лечебные свойства почв также проявляются использованием грязей в качестве терапевтического средства. Наибольший лечебный эффект, определяемый составом солей, органических соединений и кислотностью, проявляют сульфидные иловые грязи – многолетние донные отложения реликтовых озер.
49. Многоликая почва
Почва (П.) – это своеобразное «лицо» литосферы Земли, сформировавшееся после появления жизни на Земле под влиянием климата, растительных и почвенных организмов. П. формирует химический состав потребленных человеком продуктов питания, питьевой воды и, отчасти, атмосферного воздуха. Человек, включаясь через почву в экологическую систему, приспосабливается к выживанию в условиях данного климата и местности. Мигрант, переселившийся в другой климатический пояс, через десятилетия приближается к облику местного населения (по уровню обмена веществ, составу пищеварительных ферментов, функционированию сердечно-сосудистой, легочной и других систем). П. через пищу, воздух и воду активно влияет на адаптивный процесс. Кроме того, П. – это поглотитель всего живущего на Земле. Постоянно загрязняясь и самоочищаясь, почва является непременным участником биологического круговорота живых существ на Земле. П. состоит из минеральных, органических и органо-минеральных комплексов, соединений, растворов, воздуха, микроорганизмов, насекомых, животных и загрязнителей. Минеральные вещества составляют до 80% П. – это кремнезем, кварц, алюмосиликаты. Особый интерес представляют микроэлементы (F, Mn, Se и др.), содержание которых влияет на формирование специфических для данного района заболеваний. Органические вещества представлены в П. продуктами микробиологических ферментативных реакций (т.н. «гумус», греч. humus – перегной), кислотами (гумусовыми, гуминовыми, гиматомелановыми и др.) и чужеродными соединениями, поступающими извне. Именно в гумусе сосредоточены основные запасы углерода на Земле, ведь все останки растений и животных, поступающие в почву, перерабатываются в гумус.
Дополнение 1. Коэффициент гумификации (КГ) вычисляется как отношение количества углерода гумуса к общему количеству органического углерода почвы. В Нечерноземье значения КГ равны: корнеплоды – 0,08; силосные травы – 0,10; злаки – 0,15; многолетние травы – 0,18; навоз – 0,20; компост – 0,30. Эти цифры помогают создавать оптимальные смеси почвенных удобрений.
Дополнение 2. Пригодность почвы для жизни человека оценивают по санитарному числу Хлебникова (СЧХ) – обобщающему показателю биологического загрязнения почвы, равному частному от деления количества почвенного белкового азота (в мг на 100 г сухой почвы) на общее количество азота в почве. Если почва чистая, то СЧХ находится между 0,98 и 1,00.
50. Единство внутренней и внешней биохимии
Почва (П.) является важной составной частью биосферы, в которой происходит обезвреживание (детоксикация) основной массы поступающих в нее органических веществ от растений, животных и продуктов их жизнедеятельности. Они распадаются до неорганических веществ и белков, жиров, углеводов. Этот процесс, конечно же, зависит от химического состава почвы, физических свойств (пористости, воздухо- и влагопроницаемости – песок, глина, чернозем и т.д.), обеспечивающих доступность воздуха и воды, однако решающее значение имеет состав микрофлоры. Переработка органического вещества в П. может осуществляться в аэробных (+О2) и анаэробных (-О2) условиях в результате деятельности специально приспособленных для этих процессов микроорганизмов (см. «зачем он нужен?»). Процесс переработки в аэробных условиях называется гниением. При гниении всегда выделяется энергия в виде тепла. Все мы наблюдали как «парит» на морозе открытая перегнойная яма. В анаэробных же условиях происходит брожение, которое идет с поглощением энергии и образованием газов. Как ни странно, но те же процессы происходят в кишечнике человека. Бродильная диспепсия кишечника возникает при чрезмерном употреблении продуктов, содержащих углеводы (мучные изделия, сладости, капуста, бобовые, квас, квашеные овощи). Подобные продукты способствуют размножению анаэробных микроорганизмов, и начинается интенсивное брожение. Больной ощущает тошноту, чувствует распирание в области желудка, часты отрыжка и изжога, снижается температура тела. А процесс гниения в организме живого человека возможен при гнилостной диспепсии, развивающейся в результате избыточного употребления в пищу белков (красное мясо, паштеты, колбасные изделия). В организме создается благоприятная среда для развития аэробных бактерий, и белковая пища начинает загнивать, а не перевариваться. При этом на фоне явлений отравления организма продуктами гниения может повышаться температура.
Дополнение 1. Фрукты и овощи способны сбраживаться сами по себе. Вероятно, наблюдая этот процесс, люди очень рано научились использовать природное брожение. Еще до н.э. напитки сбраживали в Вавилоне (5000 г.) и Др. Египте (3000 г.). Также египтяне пекли дрожжевой хлеб (ок. 1500 г. до н. э.).
Дополнение 2. Считается, что использование брожения в приготовлении пищи решает следующие задачи. 1. Разнообразить. 2. Сохранить. 3. Обогатить. 4. Обеззаразить. 5. Уменьшить затраты.
51. Беда и ворота
Организм представляет собой сложную систему, в которой кровь, ткани, внеклеточная жидкость, внутриклеточное содержимое, обладают специфическими качествами и разделены границами (биологическими барьерами, см. «акватории и конденсаторы»). Перемещение всех химических соединений веществ в организме – это, во-первых, преодоление биологических барьеров, во-вторых, распределение между компонентами системы, в-третьих, химические преобразования и, в-четвертых, выведение из организма. В ходе поступления, распределения, выведения соединений осуществляются перемешивание, растворение и фильтрация на основе физико-химических законов. Это касается всех поступающих в организм веществ, даже чужеродных, которые часто называют ксенобиотиками (от греч. слов «чуждый» и «жизнь»). Среди таких соединений встречаются и яды, способные причинить большие биохимические «беды» организму. Каким же образом попадают ксенобиотики в организм? Вот основные «ворота» организма человека, через которые в естественных условиях могут поступить токсины и яды. 1. Желудочно-кишечный тракт, включая ротовую полость (ЖКТ). 2. Легкие и воздухоносные пути (ЛВП). 3. Кожа. 4. Кровь (в случае повреждения сосудистого русла). Всасывание из ЖКТ прямо пропорционально концентрации растворимого соединения, идет в основном путем простой диффузии неполярных молекул через слизистую и зависит от растворимости соединений в жирах. Градиент рН в ЖКТ (см. «кочки Пэ Аш») определяет различную скорость процесса – кислоты легче всасываются в желудке и толстом кишечнике, чем в тонком кишечнике. Для ЛВП-ворот характерна быстрота поступления соединений за счет большой поверхности, малой толщине альвеолярных мембран, интенсивного кровотока и отсутствия условий дли задержки ядов. Ну, а кожа представляет собой липидно-белковый барьер, легко преодолеваемый ароматическими нитрированными и хлорированными углеводородами и металлорганическими соединениями. А соли ртути и таллия соединяются с жирными кислотами в волосяных луковицах и сальных железах кожи, вызывая облысение человека.
Дополнение 1. «Тургеневские» девушки в пору депрессии нередко пытались отравиться уксусной эссенцией. После мучительного ожога пищевода следовала почечная недостаточность. Резкое изменение рН из-за попадания большого объема уксусной кислоты в кровь приводило к выходу из эритроцитов белков (гемоглобин и др.), которые серьезно нарушали фильтрационную деятельность почек. Иногда девушки выживали.
Дополнение 2. В дыхательных путях могут происходить химические превращения соединений. Хлористый и фтористый водород, сернистый газ образуют в воздухоносных путях сильные кислоты, вызывающие местные ожоги. На слизистых ветвей бронхиального дерева (см.) при вдыхании этих газов образуются ужасные язвы.
52. Молекулярно-структурные предсказания
Ежедневно на Земле синтезируется 200–250 новых химических соединений. Многие из них несут угрозу человеческому организму. Сверяясь с достижениями химии, люди научились предсказывать опасность новых соединений. Ядовитыми могут быть и органические, и неорганические вещества. Но для последних токсичность предсказать легче, благодаря корреляции с химической активностью элементов, входящих в периодическую таблицу. А для органики существуют правила и закономерности, связывающие молекулярное строение с возможным вредом для здоровья. Используя эти правила можно в общих чертах предсказывать опасность для организма синтезируемых соединений. Прежде всего, учитывают, что органические соединения почти всегда содержат длинные цепочки атомов углерода (С), свободные валентности которых заняты атомами водородов (Н+). Известно, что линейная углеводородная цепь дает больший токсический эффект по сравнению с разветвленным изомером. Отмечено, что производные метана всегда очень токсичные, действительно, метиловый спирт дает тяжелейшие отравления вплоть до смертельного исхода, а этанол, производное этана, является основным компонентом алкогольных напитков, с которыми человечество прекрасно сосуществует несколько тысячелетий. Далее, замыкание цепочки атомов углерода в молекуле приводит к росту тяжести последствий отравления – циклогексан для организма опаснее, чем гексан. В органических молекулах много различных групп-заместителей: гидроксилы (ОН-), увеличивая растворимость соединения, одновременно уменьшают токсичность, а наличие галогенов (хлор, фтор, бром и др.) и нитро (азот и кислород) групп повышают ее. Таких правил и закономерностей достаточно много, поскольку спектр органических молекул, играющих значимые роли для жизни, крайне широк. Химики-органики и фармацевты знают все нюансы и закономерности биологического влияния структуры молекул на организм.
Дополнение 1. Реакция организма на чужеродное воздействие является многофакторным процессом и зависит не только от химического строения, но и от физических параметров вещества. Например, от размера частиц. Известно, что в альвеолы поступает до 90% частиц размером 1-2 мкм, что играет решающую роль при развитии силикозов – профессиональных заболеваний шахтеров.
Дополнение 2. Степень чистоты и время также являются факторами токсичности для органических соединений. Промышленный карбофос содержит до 5% примесей, которые значительно опаснее основного вещества, а при хранении инсектициды, содержащие фосфор, становятся все ядовитее и ядовитее.
53. Грызуны ученым в помощь
Конечно, предсказание действия ксенобиотиков на основе молекулярного строения существенно упрощает деятельность токсикологов. Однако реакция организма всегда представляет собой комплексный процесс и необходимо получить данные о действии соединения в биологических условиях. Понятно, что прямые исследования токсического действия на людях невозможны по этическим причинам. Большую помощь в изучении биологических механизмов развития острой и хронической интоксикации оказывают эксперименты на лабораторных животных. Разумеется, экстраполяция экспериментальных данных на организм человека требует определенной осторожности из-за отличий в строении организма. Тем не менее, опыты на животных позволяют проследить динамику изменений в органах и составить представление о развитии анатомических и биохимических процессов на системном, органном, клеточном и субклеточном уровнях. Наиболее распространенными видами в токсикологических исследованиях являются грызуны. При моделировании токсических эффектов химических веществ чаще всего используют мышей, крыс, морских свинок и кроликов. Удобство использования грызунов для исследования токсических эффектов химических и биологических препаратов объясняется простотой содержания, возможностью размещения на сравнительно небольшой территории достаточного количества животных, небольшим весом, устойчивостью к инфекционным заболеваниям, большим приплодом. Существуют закономерности, которые придерживаются ученые при переносе данных на человеческий организм. Например, если смертельные дозы соединения для четырех типов лабораторных грызунов различаются в три раза и меньше, то для человека они будут в 70% случаев такими же. Все современные лекарства проходят испытания на грызунах. Конечно, при проведении таких экспериментов ученые руководствуются принципами гуманного отношения к животным в соответствии с Международными рекомендациями, и соблюдают биоэтические требования Международного комитета по науке.
Дополнение 1. Памятник лабораторной мыши был открыт 1 июля 2013 г. в новосибирском Академгородке. Он выражает благодарность научного сообщества этому животному за вклады в изучение генетических и молекулярных механизмов заболеваний, а также разработку новых лекарств. Действительно, без лабораторных мышей не состоялись бы многие молекулярно-биологические открытия.
Дополнение 2. В индийском храме крыс (Карни Мата) вольготно живет множество грызунов. Пол храма постоянно подогревается, чтобы в холодное время года крысы не замерзли, работает специальная кухня. Если зверек надкусит конфету, считают, что сладость освящена. Индусы верят, что в крысах скрываются от Бога смерти души неродившихся детей.
54. От вибрации до радиации
Условия жизни имеют огромное значение для проявления действия различных ядов. Это видно из экспериментов с животными. Отмечено, что повышенные шум и вибрация усиливают действие на организм дихлорэтана и окиси углерода. Токсичность вызывающих судороги ядов при групповом или одиночном содержании грызунов различается на порядок. В стрессовых условиях (например, фиксация тела зверька – так часто делают биологи, моделирующие в земных условиях действие микрогравитации на мышечную систему) токсичность обычно повышается. При подъеме вольерной температуры в организмах животных происходит ускорение транспорта любого яда за счет увеличения скорости кровотока, а при понижении температуры среды обитания у крыс снижается скорость ферментативных реакции превращения ядов в малотоксичные соединения. К влажности воздуха чувствительны чужеродные вещества, способные к физико-химическому превращению в воздухоносных путях (например, окислы азота усиливают раздражающее действие на слизистые при повышении влажности). При высоком атмосферном давлении из-за нарушения нормальных функций организма возрастает токсичность пестицидов, алкоголя и наркотиков. А ультрафиолетовая радиация, как правило, дает снижение токсичности в тех случаях, когда в организме не происходит т.н. «летального синтеза», то есть, если из проникнувшего малотоксичного соединения (например, метанол, этиленгликоль) в организме не синтезируются более опасные молекулы. Для ионизирующего излучения действие химических соединений рассматривается строго индивидуально, поскольку идет постоянный поиск веществ, способных защитить организм от лучевой болезни (см. «невидимый смертельный огонь»). Такие вещества называют «радиопротекторы». В последнее время вследствие повышения значения радиационных воздействий для экологии человека к радиопротекторам приковано пристальное внимание ученых.
Дополнение 1. Исходя из практических целей использования радиопротекторов, различают две группы. К первой относятся препараты кратковременного действия с эффектом на протяжении 0,5–5 часов после введения в организм (например, адреналин). Вторую группу составляют соединения с действием от суток до нескольких недель (например, гормоны). Допускается совместное использование препаратов из разных групп.
Дополнение 2. Среди разнообразных по химическому строению противолучевых препаратов наиболее эффективные найдены среди серосодержащих соединений и биогенных аминов – веществ, образующихся в организме из аминокислот при удалении карбоксильной группы.
55. Принцип химзащиты организма
Чужеродные химические соединения (ксенобиотики, К), попадающие из внешней среды внутрь человека, стремятся нарушить нормальное протекание биохимических процессов. Но организм, как правило, справляется с химическим нашествием и быстро восстанавливает исходный обмен веществ. Как же превращаются токсины в малотоксичные соединения? Поначалу ученые, отвечая на этот вопрос, обратили внимание на белки и начали искать специальные ферменты, нейтрализующие К. Так, вроде бы было показано, что в ответ на внедрение фосфороорганического вещества табуна в организме включается синтез фермента, расщепляющего отравляющее соединение. Однако первоначальные данные в последующих экспериментах не подтвердились. Табун оказался ингибитором холинэстераз – ферментов, всегда присутствующих в живых тканях. Тогда исследователи, поняв, что начали поиск с деталей, а не с главного, задумались и пришли к выводу, что должен быть общий принцип детоксикации К. И этот принцип был найден. Чтобы его понять, надо вспомнить об акваториях тела (см. «акватории и конденсаторы»). В теле суммарный объем водных акваторий всегда больше объема внутренних границ, представленных разными мембранами. А большинство биохимических реакций происходит именно на границах акваторий. Значит, если организму необходимо удалить К из организма, то легче всего это будет сделать «рассеяв» их в большем объеме акваторий тела. Отсюда и вытекает основной защитный принцип химии организма, состоящий из двух постулатов. Во-первых, наиболее вредными для организма будут соединения, имеющие большее сродство к мембранам (границам акваторий). Это гидрофобные (греч. боящиеся воды) соединения. Во-вторых, защита нормального химизма тела всегда идет по пути образования соединений, имеющих большее сродство к водной фазе. Это гидрофильные (греч. любящие воду) вещества. Именно они легко распределяются по всему объему акваторий тела. То есть, организм с помощью химических реакций стремится придать или увеличить гидрофильность К.
Дополнение 1. Наиболее опасным из грибных ядов являются токсины бледной поганки. Они имеют очень большое сродство к мембранам – границам акваторий тела, и, попав, например, в печень, быстро разрушают клетки. На вскрытии людей, умерших от отравления бледной поганкой, печень напоминает мешок с кровянистой массой, представляющей собой коктейль из внутриклеточного и внеклеточного содержимого.
Дополнение 2. Болезнь Минамата вызывается метилртутью – органическим соединением, имеющим большое сродство к биологическим мембранам. Болезнь была впервые описана в 1956 году (г. Минамата, Япония). Метилртуть поражает центральную нервную систему человека. Симптомы включают онемение и слабость в ногах и руках, усталость, звон в ушах, сужение поля зрения, потерю слуха, нечленораздельную речь и неуклюжие движения.
56. Защитные реакции
Какие же химические реакции происходят при реализации основного принципа защиты организма? Прежде всего, это окислительно-восстановительные (ок-вос) процессы (см. «электронный механизм живого» и «цепь энергетической свободы»). Эти процессы осуществляют те же самые молекулярные комплексы, которые задействованы в обычных обменных реакциях – оксидоредуктазы, представляющие собой многоферментные структурные образования, связанные цепью переноса электронов. Только эта цепь расположена не в митохондриях, а в эндоплазматическом ретикулуме (особой внутриклеточной системе мембран). Если в ксенобиотике (К) встречаются химические группы ОН, NH2, СООН, SH, то почти наверняка в клетке он пройдет через ок-вос реакции. Другую группу составляют реакции гидролиза (греч. вода и разложение) – обменное взаимодействие между К и водой. В клетке очень много ферментов-гидролаз, катализирующих взаимодействия в молекулах природных соединений. В частности, на гидролизе основаны превращения таких биополимеров, как сложные сахара, нуклеиновые кислоты и белки. Также по пути гидролиза идет нейтрализация спиртов, альдегидов, карбоновых кислот, 1,4-нафтохинонов, сульфоксидов и др. опасных органических соединений. Последнюю группу реакций, задействованных в нейтрализации К, составляют конъюгационные взаимодействия – процессы биосинтеза, когда часть чужеродной молекулы связывается с другим соединением (белок, аминокислота, глюкуроновая кислота и др.), и в итоге образуется полярный молекулярный комплекс, который легко выводится из организма. Так, например, происходит детоксикация бензойной кислоты (часто используется при консервации продуктов и в парфюмерии), которая соединяется с орнитином (аминокислота) и выводится из организма с экскрементами. Нередко в клетке чужеродная молекула проходит несколько стадий превращений, вовлекаясь во все три типа возможных защитных химических реакций.
Дополнение 1. Возбудитель гнойно-воспалительных заболеваний человека – золотистый стафилококк выделяет несколько токсинов, среди которых наибольший вред наносят организму соединения, действующие через биологические мембраны. Поскольку эти токсины практически не поступают внутрь клетки, а концентрируются у мембраны, то механизмы естественной химзащиты на них не действуют. Соответственно, лечить стафилококковые инфекции всегда трудно.
Дополнение 2. Человечество с древнейших времен и до наших дней тратит безуспешные усилия на поиски универсального противоядия или териака. Между тем, еще во французской фармакопее 1788 г. можно прочесть: «Занимавший столь долго и столь большое место в фармации и терапии, териак отныне покидает арену истории и переходит в область легенд».
57. Органы химзащиты
Основным органом детоксикации в организме человека является печень (П) – самый крупный орган в организме человека и животных. У взрослого человека она весит ок. 1,5 кг и составляет ок. 2-3% от массы тела. На П приходится от 20 до 30% потребляемого организмом кислорода. Один грамм ткани П содержит до 10 нмоль цитохрома Р-450 (см. «имен легион, а функция одна»). В клетках П крайне высока скорость обезвреживания, однако существуют ограничения по молекулярной массе для ксенобиотиков – высокомолекулярным чужеродным соединениям трудно преодолеть клеточную мембрану. Особенности строения и кровоснабжения, а также интенсивность внутриклеточных биохимических процессов позволяет тканям печени обезвреживать до 2/3 всех чужеродных соединений, поступающих в организм. Оставшаяся 1/3 обезвреживается в: а) коже – ароматические хлорированные углеводороды (преимущественно инсектициды и пестициды) и металлорганические соединения легко преодолевают этот барьер организма, однако соли ртути и таллия задерживаются в волосяных луковицах и сальных железах, где, соединяясь с жирными кислотами, накапливаются; б) легких – клеткам, выстилающим поверхность воздухоносных «веточек» (см. «внутреннее дерево»), свойственна такая же скорость детоксикации, как и клеткам печени, только в легких таких клеток меньше; в) тонком кишечнике, для которого скорость обезвреживания меньше, чем для печени, однако там присутствует особая система детоксикации – бактериальная. Кроме того, обезвреживание ксенобиотиков может происходить и в почках, и в головном мозге, и даже в надпочечниках, в которых особенностью работы химических обеззараживающих систем является подключение реакций синтеза холестерина к нейтрализации токсинов.
Дополнение 1. Поры мелких сосудов (капилляров) имеют диаметр 3-4 нм, а размер молекул большинства известных высокотоксичных веществ не превышает 1 нм (ок. 900 дальтон). Поэтому стенки капилляров для них не являются препятствием, и многие ксенобиотики легко попадают в кровь из тканей.
Дополнение 2. При синтезе лекарств стараются не превышать максимального размера будущей молекулы равного 0,5 нм (ок. 500 дальтон). Это обусловлено результатами статистического анализа – среднее число жалоб на побочные эффекты или неэффективность лечения новым лекарством в больничных условиях значительно меньше в случае соблюдения этого размера.
58. Имен легион, а функция одна
Белки группы цитохромов Р-450 в англоязычной литературе часто обозначаются тремя буквами CYP. Они представляет собой группу ферментов, участвующих в синтезе гормонов, желчных кислот и холестерина. Впервые цитохромы Р-450 был обнаружены в клетках печени крысы в 1958 году. Эволюционные исследования показали, что они появились в живых организмах ок. 3,5 млрд лет назад, и в настоящее время присутствуют в клетках представителей всех живых царств – животных, растений, грибов, бактерий. У высших животных и человека эти белки связаны с мембранами. Описано около 11 500 белков системы CYP, которые так же, как и гемоглобин, и билирубин, содержат гем – циклическое соединение с железом (см. «облик Башмачкина» и «братья, зайцы и кролики»). Название «цитохром Р-450» обусловлено оптическими свойствами молекул – в восстановленной форме эти белки и монооксид углерода образуют комплекс с максимальным поглощением света при длине волны 450 нм. Больше всего цитохрома Р-450 в клетках печени. Однако он также обнаруживается и в других органах: в кишечнике, почках, лёгких, надпочечниках, головном мозге, коже, плаценте и сердечной мышце. Важнейшее свойство CYP – способность вовлекать в обмен веществ практически все известные химические соединения. Спектр катализируемых ими реакций очень широк и включает ароматическое гидроксилирование, N-, O- и S-деалкилирование, N-оксидирование, сульфоксидирование, окислительное дезаминирование, дегалогенизирование, десульфирирование и др. В отличие от аналогичных распространенных ферментов – диоксигеназ, цитохромы Р-450 также называют монооксигеназами, так как они используют не два, а только один атом кислорода для окисления молекул. CYP играют важную роль в окислении таких чужеродных соединений, как лекарства, яды, продукты промышленного загрязнения, пестициды, канцерогены, мутагены и т.п. Учитывая исключительную роль этих белков в обезвреживании ксенобиотиков их вполне можно назвать «молекулярными генералами детоксикации».
Дополнение 1. Каталитические реакции с участием CYP относятся к окислительно-востановительным процессам, решающая роль в которых принадлежит гему. Он переводит атомарный кислород в реакционно-способную форму, которая собственно и ответственна за многочисленные превращения ксенобиотиков.
Дополнение 2. У человека определено 57 генов системы цитохрома P-450. Все формы белков объединены в семейства CYP1, CYP2, CYP3 и т.д. Внутри семейств выделены подсемейства A, B, C, D, E. Например, CYP2C19 — наименование 19-го по порядку цитохрома подсемейства С, второго семейства. Всего существует около 250 различных белков CYP.
59. Название одно, а функций миллион
В любом организме содержатся соединения, без которых жизнь была бы невозможна. Это белки. Вот лишь несколько крайне важных для организма функций, выполняемых белками. А. Структурные белки – отвечают за поддержание формы и стабильности клеток и тканей. В качестве примера можно привести коллаген (К) и гистоны (Г). Г обеспечивают в клеточном ядре укладку основной молекулы наследственности ДНК, а К отвечает за прочность и эластичность соединительной ткани в коже, сухожилиях, хрящах и т.п. Б. Транспорт. Наиболее известным транспортным белком является гемоглобин. Но в крови есть множество других белков-переносчиков. Так, транстиретин переносит гормон щитовидной железы. Трансмембранные каналы для ионов тоже являются белками. В. Защита. Иммунная система защищает организм от возбудителей болезней и чужеродных веществ, используя белки иммуноглобулины. Г. Регуляция. В биохимических путях обмена веществ белки могут быть сигнальными соединениями (гормоны) и одновременно мишенями (рецепторы). В регуляции активное участие принимают и белки-факторы транскрипции. Д. Катализ. Среди всех известных белков наиболее многочисленную группу составляют биологические катализаторы или ферменты. Самые малые из них имеют молекулярную массу 10-15 кДа, а высокомолекулярные могут достигать 500 кДа и содержать несколько субъединиц. Е. Движение. Взаимодействие белков актина и миозина обеспечивает мышечное сокращение. Ж. Запасание. В организме мышечные белки служат резервом питательных веществ, которые мобилизуются при крайней необходимости. Таким образом, можно согласиться с немецким философом Фр. Энгельсом (1820–1895), который предложил следующее определение: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».
Дополнение 1. Среднестатистический элементный состав белков (%): 51-52 – углерод; 21-25 – кислород; 17-18 – азот; 6,5-7 – водород; 0,3-2,5 – сера.
Дополнение 2. Основоположником исследований строения белка является лауреат Нобелевской премии по химии 1902 г. Э. Фишер (1852–1919), применивший реакцию гидролиза для проверки гипотезы, согласно которой молекулы белка представляют собой длинные цепи. При гидролизе белка Фишер получил смесь 20-ти альфа-аминокислот. Именно Фишер ввел в науку пептидную теорию строения белков.
60. Натуральное мыло: теория
Липиды (Л) – большая группа веществ биологического происхождения, хорошо растворимых в органических растворителях, таких, как метанол, ацетон, хлороформ и бензол. В то же время эти плохо растворимые в воде соединения несут важные биологические функции: а) обеспечение энергией; б) снабжение клетки строительным материалом; в) обеспечение изоляции при передаче нервного импульса. Кроме того, молекулы Л выполняют и специальные функции (сигнальные, якорные, регуляторные для ферментов, транспортные для электронов и др.). В группу Л входят спирты с длинной цепью атомов, циклические стерины (например, холестерин) и стероиды (например, гормоны эстрадиол и тестостерон) и другие соединения, называемые в быту «жиры». Омылением называется реакция щелочного гидролиза жиров, сущность которой состоит в расщеплении молекулы на глицерин и жирные кислоты (ЖК). В щелочной среде ЖК образуют соли – это и есть мыло. Структурные компоненты омыляемых Л связаны сложноэфирной связью. В организме таких соединений очень много – это и нейтральные жиры, и фосфолипиды, и гликолипиды, и сфинголипиды, и т.д. Щелочь при омылении, всегда действует в водном растворе, а формулу образования мыла можно представить следующим образом: Щелочь + Вода + Жир = Мыло + Глицерин. Понятно, что природные масла и жиры представляют собой смесь, содержащую различные по строению и массе молекулы. Чтобы реакция омыления в такой смеси прошла полностью, и в итоге не осталось вредной для здоровья едкой щелочи, необходимо точно подбирать соотношение компонентов. Существуют специальные таблицы омыления для наиболее часто используемых жиров, с их помощью легко рассчитывается нужное количество щелочи. Для получения твердого мыла обычно используется NaOH (едкий натр или каустическая сода). А при производстве жидкого мыла применяют KOH (едкое кали или каустический поташ).
Дополнение 1. В семенах клещевины находится фермент рициназа, обладающий способностью сильно ускорять омыление жиров. Рициназа широко используется в промышленности.
Дополнение 2. Природные животные жиры и масла состоят главным образом из глицеридов – эфиров глицерина (Г) и органических кислот. Г впервые был получен в 1779 году К.В. Шееле (1742–1786) при омылении жиров в присутствии окислов свинца.
61. Натуральное мыло: практика
Итак, теория предсказывает возможность получения мыла из животных жиров. То есть, на вопрос «можно ли из организма сварить мыло?» следует ответить утвердительно. Ну, конечно, в таком организме должно быть достаточное количество липидов (жиров). Однако если мы просто посыплем известью кусочек свежего свиного сала, то ровным счетом ничего не произойдет. Никакого мыла не образуется. Ведь необходима еще вода и высокая температура для ускорения процесса. Считается, что мыловарение известно уже несколько тысячелетий. Описание технологии производства мыла было найдено в Месопотамии на глиняных табличках, относящихся к 2200 гг. до н. э. В русских деревнях еще в XIX веке варили мыло следующим кустарным способом. Брали древесную золу и просеивали сквозь сито. Затем порошок смачивали водой и перемешивали до получения однородной массы. После этого формировали кучку с углублением в центре. Туда клали известь, которая «гасилась» в присутствии влаги. Известь обычно брали в половинном количестве от веса золы. Когда известь становилась похожей на мелкий порошок, ее накрывали золой. Затем кучку обливали водой и оставляли на сутки, после чего отжимали жидкость. Это был т.н. «первый» щелок, или концентрированный щелочной раствор. Его помещали в отдельный сосуд, а золу еще раз обливали водой, которую также потом сохраняли – это был т.н. «слабый» щелок. «Первый» щелок ставили на огонь и доводили до кипения. Далее добавляли рассчитанное количество любых животных жиров (например, свиное или говяжье сало) и кипятили, по мере выкипания подливая «слабого» щелока, пока взятая проба не застывала в виде прозрачной клейкой массы. Так получали «жидкое поташное» мыло, или мыльный клей. Чтобы превратить мягкую массу в плотное мыло, добавляли поваренную соль. При этом образовывалось «мыльное ядро», которое и представляло собой настоящее твердое мыло.
Дополнение 1. Известно, что римляне лишь с 164 г н.э. начали применять мыло в качестве моющего средства, а до этого мылись с помощью оливкового масла. Возможно, они позаимствовали мыло у варваров, ведь по свидетельству Плиния (22–79), галлы умели делать из сала и золы букового дерева особую мазь для очищения. В средние века мыло производилось только для дворян и священников. В Западной Европе мыловарение получило распространение в XII-XIII вв.
Дополнение 2. Промышленным производством мыла в России занялся Петр I. Первые мыловаренные фабрики появились в Новинской и Пресненской частях Москвы (XVIII в). Котел, печь и ступка – вот и все оборудование мыловарен тех времен.
62. Оптическая активность сладких молекул
Углеводы или сахара – группа природных полигидроксиальдегидов и полигидроксикетонов с общей формулой (CH2O)n. Группа включает простые сахара (моносахариды) и высокомолекулярные олигосахариды и полисахариды. Крахмал и другие соединения этой группы являются важными компонентами питания. В кишечнике они расщепляются до моносахаридов, которые затем всасываются. Транспортной формой углеводов в крови является глюкоза. Глюкоза поступает в клетки, где используется в качестве клеточного «топлива» или превращается в другие соединения. Полисахариды служат строительным материалом для многих организмов. Полимерные углеводы часто встречаются в связанном виде с липидами (гликолипиды) и белками (гликопротеины). Для анализа углеводов используется метод поляриметрии, который основан на свойстве оптически активных веществ взаимодействовать с поляризованным светом. Луч света проходит через два последовательно установленных фильтра – неподвижный поляризатор и вращающийся анализатор. Оба фильтра беспрепятственно пропускают поляризованный свет. Оптически активные вещества, к которым относятся углеводы, обладают свойством вращать плоскость поляризованного света вправо или влево на угол ;. Если раствор глюкозы поместить между фильтрами, то часть анализатора темнеет. Вращением анализатора устанавливают равномерное освещение двух частей, и фиксируют угол поворота. Измеренный угол вращения зависит от концентрации и типа соединения, а также от толщины слоя раствора, через который проходит луч. Кроме того, имеет значение, в какую сторону вращается анализатор при измерении. Угол вращения 1М раствора ;-D-глюкозы составляет +112° (буквы D и L – показывают направление вращения), тогда как для 1М раствора ;-D-глюкозы он равен +19°. В растворе глюкозы оптические изомеры сосуществуют – 36% ;- и 64% ;-формы. Оптическая изомерия определяется наличием в молекулах углеводов атомов, способных в пространстве по-разному располагать вокруг себя присоединенные химические группы. В большинстве случаев природными являются D-изомеры углеводов, которые в процессе эволюции научились усваивать организмы. А почти все L-изомеры сахаров являются искусственно синтезированными.
Дополнение 1. В отличие от D-углеводов, в составе живых организмов обнаруживаются почти исключительно L-аминокислоты. Это свойство считается одним из важнейших доказательств монофилии (греч. один и семейный клан) – происхождения организмов от единого общего предка.
Дополнение 2. При восстановлении D-глюкозы образуется шестиатомный спирт сорбит (сорбитол, глюцитол). Сорбит сохраняет сладкий вкус, но не способен так активно как глюкоза включаться в биохимические реакции, поэтому используется в качестве сахарозаменителя.
63. О пользе рисовых отрубей
История врачебных наблюдений во время путешествий и мореплаваний доказала существование особых болезней, развитие которых связано с неполноценным питанием. Так, широкое распространение в XIX в. в азиатских странах получило заболевание бери-бери (сингальское beri – слабость). Никто не знал, как с ним бороться, пока врачи не обратили внимание на кур, кормившихся очищенным от шелухи рисом. У птиц развивалось заболевание, аналогичное бери-бери. Сделали вывод, что в оболочке зерен (рисовые отруби) содержится неизвестное вещество, обладающее лечебным эффектом. Действительно, приготовленный из шелухи риса экстракт вылечивал больных бери-бери. Вещество, выделенное К. Функом (1884–1967) в 1912 г. из рисовых оболочек оказалось органическим соединением, содержащим амин. К. Функ предложил называть это неизвестное вещество витамином (лат. vita – жизнь), т.е. «аминами жизни». Действительно, витамины оказались обязательными дополнительными пищевыми факторами, и, хотя некоторые из них не содержат аминогруппы и даже азота, термин прочно укоренился в биологии и медицине. В определении понятия «витамины» существуют разногласия, поскольку имеется ряд примеров, когда витамины оказываются незаменимыми факторами питания для человека, но не для животных. Известно, что при отсутствии в пище витамина С цинга развивается у человека и морских свинок, но не у крыс и кроликов. Несколько амино- (валин, изолейцин, лейцин и др.) и ненасыщенных жирных (линолевая, линоленовая и др.) кислот оказались незаменимыми для человека, поскольку не синтезируются в организме. Чтобы избежать путаницы договорились считать витаминами те незаменимые соединения, которые, во-первых, не включаются в структуру клеток и тканей, и, во-вторых, не используются в качестве источника энергии.
Дополнение 1. Бери-бери – болезнь, возникающая вследствие недостатка витамина В1 в организме человека. Дефицит В1 приводит к накоплению в крови человека пировиноградной кислоты. Последствием такого нарушения обмена веществ являются поражения нервной системы – расстройства чувствительности, параличи разгибателей кисти и стопы и др.
Дополнение 2. На пути в Индию корабль Васко да Гамы (1460 или 1469–1524) в 1495 году из-за цинги потерял более 100 из 160 членов экспедиции. Борясь с тем же авитаминозом С, капитан Дж. Кук (1728–1779) прямо на корабле варил сладкое еловое пиво. Историки медицины подсчитали, что с 1600 по 1800 год от цинги умерло около миллиона моряков. Это превышает человеческие потери во всех морских сражениях того же периода.
64. Конкременты, или камни внутри нас
Желчный пузырь (ЖП) человека – это полый орган, расположенный под печенью и предназначенный для хранения желчи (Ж), которая непрерывно продуцируется печенью, концентрируется в ЖП и периодически поступает в двенадцатиперстную кишку через желчные протоки. Ж принимает непосредственное участие в пищеварительном процессе и состоит из желчных кислот, пигментов, холестерина и фосфолипидов. Состав Ж характеризует индекс литогенности, который определяется отношением количеств холестерина в крови и растворенного в желче. В норме индекс литогенности равен единице. Если же он повышается, то это является признаком возможного выпадения холестерина в осадок. Так образуются желчные камни или конкременты. По строению камни подразделяют на однородные и сложные (состоящие из ядра, тела и коры). Ядро, как правило, состоит из билирубина (см. «облик Башмачкина»). Однородные камни, как правило, состоят из чистого холестерина. Форма конкрементов может быть шаровидной, яйцевидной, многогранной, бочкообразной, шиловидной и т.д. Камни, состоящие из билирубина и кальция обычно черного или бурого цвета, плотные, с неровными краями, тяжелые и тонут в воде. А чисто холестериновые конкременты желтого или коричневого цвета, легкие, плавают в воде, похожи на куски воска. По химическому составу различают холестериновые, известковые, пигментные и смешанные конкременты. Структура конкрементов может быть кристаллической или слоистой. Часто ЖП содержит камни с различным составом и структурой. Размеры камней варьируются от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, и могут достигать величины лесного ореха или куриного яйца. Иногда один камень занимает всю полость растянутого желчного пузыря и весит до 80 г. По желчным протоком могут свободно проходить камни с диаметром до 2 мм, при наличии более крупных образований часто требуется оперативное вмешательство. Хирурги описали случай, когда ЖП содержал ок. 7000 разных камней.
Дополнение 1. В отличие от камней почек, 90% которых являются контрастными, лишь 10% желчных камней видны при рентгеноскопии. Это связано с кальцием, от количества которого зависит рентген-позитивность. Часто на снимке хорошо виден кальцийсодержащий краевой ободок, а центральная часть камня остается негативной.
Дополнение 2. Определение возраста желчных камней по радиоактивному углероду, показало, что от начала образования до клинических проявлений проходит ок. 12 лет. До тех пор пока камни не сместятся в шейку пузыря или в общий проток, человек их не чувствует (т.н. «немые» камни).
;
V. Elementum Quintum
Итальянский мультигений эпохи Высокого Возрождения Леонардо да Винчи (1452–1519) является примером сочетания гуманитарного и естественно-научного типа познания мира. В научном и художественном творчестве Леонардо прослеживаются идеи, будоражившие умы великих мыслителей предыдущих поколений. Читая записи Да Винчи, знакомишься и с воззрениями Платона (материя состоит из четырех элементов: земли, воздуха, огня и воды), и с пифагорейством (между человеком и Вселенной существует взаимное родство, гармония и пропорции определяются числами). Вот, что написано рукой Леонардо в одной из тетрадей: «Человек был назван древними маленькой Вселенной, и воистину слово это хорошо подходит, если учесть то, что человек состоит из земли, воздуха, воды и огня, и тело Земли ему подобно. Если у человека внутри есть вместилище крови <…>, то тело Земли имеет океан, который также поднимается и опускается вместе с дыханием Вселенной; из вместилища крови отходят вены, ветви которых охватывают все тело, так и океан наполняет тело Земли через бесконечное количество водяных жил». Анатомические тетради Леонардо содержат множество записей, свидетельствующих о глубоком знании автором человеческого организма. Конечно, есть и ошибки. Правильное описание трехстворчатого клапана сердца соседствует со своеобразной теорией крови. По Леонардо, она делится на 2 части, одна из которых остается в сердце на всю жизнь, но с течением времени портится, что приводит к старению. Безусловно, все художники Возрождения большое внимание придавали изучению анатомии человека. Но Леонардо Да Винчи был особенно прилежен в своих занятиях и всегда стремился дойти до сути явлений, познать функционирование тела как единого механизма. Словно итальянский гений подходил к структуре и функциям на системном уровне, занимаясь поисками не деталей, а основной движущей силы живого – пятого элемента (Elementum Quintum). Возможно, именно благодаря такому взгляду на живое тело Леонардо Да Винчи стал не только великим художником и мыслителем, но и считается основоположником современной андроидной робототехники. Первые наброски механической лошади были им сделаны в 1483 году. Позже он создал шагающего льва, который подходил к герцогу и подносил лилии, и, главное, в 1495 г. робота-рыцаря, способного двигать головой и руками, вставать и садиться. Эти творения гения не сохранились, но были воссозданы в начале XXI-го века по чертежам. Более того, современная робот-ассистированная хирургическая система названа в его честь «Да Винчи» (англ. da Vinci Surgical System). Этот аппарат для проведения более 20 сложнейших хирургических операций производится серийно и успешно работает в нескольких сотнях клиник по всему миру (2015 год). В полной мере современного медицинского робота можно считать закономерным итогом поиска мыслителями древности загадочного Elementum Quintum, а 1495 вошел в историю как год рождения робототехники. Ну, а одноименный раздел этого издания посвящен техническим достижениям современных медико-биологических наук.
Дополнение 1. Слово «робот» было впервые введено чешским писателем К. Чапеком в пьесе Р. У. Р. (Россумские универсальные роботы, 1920). Ранние переводчики его текстов использовали русский эквивалент «работарь».
Дополнение 2. По некоторым письменным свидетельствам гостям Альберта Великого (Альберт фон Больштедт, ок. 1193–1280) прислуживал механический слуга, якобы созданный хозяином. Неизвестно, знал ли об этом Леонардо да Винчи, творивший почти на 200 лет позже.
65. Протеомика и геномика
Со второй половины ;; века интенсивные усилия ученых были направлены на исследование молекулярных механизмов управления жизненными процессами. Основным претендентам на ключевую роль в регуляции многочисленных клеточных функций стали белки и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК). Зародилась наука молекулярная биология. Если еще в начале 40-х годов ;; века господствовало мнение, что гены являются белками, то благодаря интенсивному внедрению в науки о жизни физических методов анализа во второй половине столетия истинное назначение молекул наследственности ДНК и РНК было установлено. Расшифровку пространственной организации молекулы ДНК провели в 1953 г. лауреаты Нобелевской премии Ф. Крик (1916–2004) и Д. Уотсон (1928 г.р.). Определение аминокислотной последовательности гормона инсулина принесло Ф. Сенгеру (1918–2013) Нобелевскую премию по химии в 1958 г. Среди интеллектуальных достижений в этой области следует отметить установление ключевой значимости водородных связей в макромолекулах, на которое впервые обратил внимание лауреат двух Нобелевских премий (по химии – 1954, мира – 1962) Л. Полинг (1901–1994). В молекулярной биологии появилось целое направление, названное «протеомика» – наука о функциях и взаимодействиях белков в организмах. Параллельные исследования ДНК и РНК заложили основы для «геномики» – раздела молекулярной биологии, связанный с изучением генов. Такое бурное развитие стало возможно не только благодаря совершенствованию биохимических методик, но и благодаря появлению мощной вычислительной техники, которая позволила работать с огромными массивами данных, ведь размер генома человека составляет ок. 3 млрд. структурных единиц. Благодаря точным расчетам стало возможным внедрять в клетку желаемую генетическую информацию, то есть сформировались условия для управления живой материей.
Дополнение 1. В 1978 г. Луиза Браун (Англия) стала первым человеком в мире, родившимся в результате искусственного (экстракорпорального) оплодотворения (ЭКО). А в 1982 г.у Луизы родилась сестра Натали, также зачатая путём ЭКО. Это был триумф молекулярно-генетических методов в медицине.
Дополнение 2. В 1997 г. журнал «Nature» (англ. природа) разместил на фоне яйцеклетки фотопортрет клонированной овечки Долли, появившейся в Эдинбурге (Шотландия). К концу года таких овец уже было шесть, три из них несли человеческий ген, недостающий больным гемофилией.
66. Молекулярное клонирование
Основными проблемами, которые стояли перед молекулярными генетиками в период становления, были малое количество и трудности в получении наследственного материала человека. Но в 1985 году К. Мюллис (1944 г.р., Нобелевская премия по химии за 1993 г.) с сотрудниками разработали метод клонирования последовательностей ДНК in vitro, который получил название «полимеразная цепная реакция» (ПЦР). Используя его, можно в лабораторных условиях увеличивать в миллионы раз количество фрагментов основной молекулы наследственности (ДНК). То есть, появилась возможность надежно выявлять отдельные гены из всего массива наследственной информации человека. Чувствительность метода очень высокая – можно определять искомую молекулярную последовательность, даже если она встречается в одной из 100000 клеток. В чем же секрет этого революционного для молекулярных биологов метода? ПЦР имитирует в пробирке естественную репликацию ДНК, только повторяющуюся с огромной скоростью и столько раз, сколько это необходимо исследователю. Метод включает несколько этапов: расплетание спирали ДНК, расхождение нитей и последующую комплементарную достройку с помощью специального фермента – ДНК-полимеразы. В результате такого «тиражирования» за 2-3 часа количество копий фрагмента ДНК увеличивается в геометрической прогрессии, и через 25 циклов синтезируется 106 копий фрагмента. Такого количества ДНК вполне достаточно, чтобы проводить стандартные лабораторные манипуляции молекулярных биологов. Метод ПЦР позволяет находить в исследуемом клиническом материале небольшой участок генетической информации любого организма, содержащийся в следовых количествах, и быстро размножить его. На основе ПЦР были разработаны диагностические тесты нового поколения. ПЦР стали использовать для клонирования ДНК, при создании карт генов, в генной инженерии, медицинской диагностике и судебной медицине и т.д. В частности, сейчас ПЦР используют для ранней диагностики наличия в организме вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), что не удается осуществить другими методами. При этом не требуется работать с радиоактивными изотопами, а достаточно лишь рутинного электрофоретического разделения молекул.
Дополнение 1. Метод ПЦР позволил найти вирус папилломы человека в срезах шейки матки, сделанных за 40 лет до анализа, а также исследовать фрагменты ДНК из митохондрий мозга человека, умершего 7000 лет назад.
Дополнение 2. ПЦР была применена в ходе генетической экспертизы останков семьи Романовых. Ключевым этапом было получение с помощью этого метода эталонной ДНК из крови, оставшейся на рубашке Императора Николая II после ранения.
67. Клонирование человека
Клонирование (К.) – это получение нескольких генетически идентичных организмов путём бесполого размножения. К. называют также получение нескольких идентичных копий наследственных молекул (молекулярное клонирование). Группу генетически идентичных организмов или клеток называют «клон». Первоначально слово клон (греч. «веточка, побег, отпрыск») использовали для обозначения группы растений (например, фруктовых деревьев), полученных от одного производителя вегетативным (не семенным) способом. Растения-потомки в точности повторяли качества своего прародителя и служили основанием для получения новых сортов. Позже клоном стали называть не только всю группу, но и каждое отдельное растение (кроме исходного). Со временем область применения термина расширилось, его стали употреблять при выращивании бактерий. Затем значение обобщилось, им обозначали производство любых линий организмов, идентичных исходному. В конце 90-х годов XX века, когда появились реальные предпосылки К. человека, термин перестал быть достоянием научного сообщества, его подхватили журналисты, деятели культуры и искусства, производители компьютерных игр, и он вошёл в язык как общеупотребительное слово, уже не имеющее специального значения, которым обладал ок. 100 лет назад. Практически внедренное К. органов и тканей – это выдающееся достижение современной медицины и биологии. При пересадке клонированного органа не надо думать о подавлении реакций отторжения и возможных последствиях. Первоначально рассматриваемая учеными для К. человека технология «расщепления эмбриона» была впоследствии забракована, как не обеспечивающая генетического равенства. Неперспективным оказался и метод партеногенеза высших животных, который основан на индукции деления и роста неоплодотворенной яйцеклетки. Наиболее успешным из методов К. оказался метод «переноса ядра», заключающийся в изъятии яйцеклетки, удалении собственного и размещении чужого ядра. По мнению учёных, эта техника сейчас является лучшей из всех. Она активно используется в экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО) и позволяет приступить к непосредственной разработке методики клонирования человека.
Дополнение 1. Репродуктивное клонирование человека (РКЧ) предполагает, что в итоге клон получает те же гражданские права, что и обычные люди. РКЧ создает множество этических, религиозных и юридических проблем, решения которых еще не найдены. Поэтому в некоторых странах РКЧ запрещено законом.
Дополнение 2. Терапевтическое клонирование человека (ТКЧ) предполагает, что развитие клона останавливают на 14-й день, а полученные эмбриональные ткани используют как источник стволовых клеток, из которых «выращивают» органы для пересадки. В США и Великобритании ТКЧ разрешено.
68. Сети разума
Самые первые представления о нейронных сетях прослеживаются в работах шотландского философа и логика, профессора А. Бейна (1818–1903), который занимался психологическими исследованиями физических процессов, происходящих в нервной системе человека. Согласно Бэйну, любая умственная деятельность ведёт к активизации нескольких нервных клеток (нейронов), которые способны образовывать между собой долговременные физико-химические связи. Научное сообщество того времени восприняло эту теорию скептически, поскольку профессор Бейн не ограничивал количества образованных связей. О теории шотландского ученого вспомнили в середине XX века, когда началось изучение биологических нейронных сетей (БНС) – совокупности связанных между собой центральных и периферических нейронов организма. Было установлено, что нейронные связи формируются на основе биохимических реакций и молекулярного взаимодействия. Передача импульсов по БНС осуществляется химически с помощью особых молекул (медиаторов, см. «молекулярные фрегаты») или электрически посредством ионных токов (см. «Бернштейн-1, или биоматематика импульса»). Представление о БНС оказало значительное влияние на технологии искусственного интеллекта, поскольку в ходе моделирования БНС был создан инструментарий для искусственных нейронных сетей (ИНС), широко используемый сейчас в прикладной математике и информатике. Это обеспечило прогресс в создании технологий искусственного интеллекта. ИНС – математическая модель с особым программным и аппаратным воплощением, построенная по принципу организации и функционирования БНС организма. Такой подход предложили доктор медицины У. Маккалок (1898–1969) и математик-лингвист У. Питтс (1923–1969), опубликовавшие научную работу «Логическое исчисление идей, относящихся к нервной активности» (англ. A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity) в 1943 г.
Дополнение 1. Все нейронные сети (НС) не программируются в привычном смысле этого слова, они обучаются. Их обучение заключается в нахождении коэффициентов для связей между процессорами-элементами. В процессе обучения НС способны выявлять сложные зависимости между входными и выходными данными, а также выполнять обобщения.
Дополнение 2. ИНС являются проявлением коннекционизма – одного из подходов при создании искусственного интеллекта с использованием достижений нейробиологии и психологии. Современные философы также проявляют большой интерес к коннекционизму, т.к. видят в нем одно из объяснений феномена разума.
69. Лечение клетками
Российский профессор А.А. Максимов (1874–1928) в 1909 году экспериментально доказал развитие многих форм кровяных элементов из одной клетки. Исходную клетку он назвал «Stammzelle» (позже переведено с немецкого языка как «стволовая клетка»). С тех пор в научный язык вошел термин стволовая клетка (СК). Впоследствии оказалось, что не только клетки крови, но и другие ткани в человеческом организме образуются из единых предшественников. С помощью СК можно «отремонтировать» или полностью заменить любую ткань человеческого организма. В 2005 г. перечень заболеваний, при лечении которых была успешно применены СК, содержал несколько десятков наименований. Стволовыми клетками лечат злокачественные новообразования, болезни крови, сердечно-сосудистой и нервной систем и т.д. Описаны теоретические подходы к использованию СК клетки при рассеянном склерозе, инсульте, болезни Паркинсона. Для лечения лучевой болезни (см. «невидимый смертельный огонь») в некоторых странах практикуется предварительная сдача собственных СК лицами, работа которых связана с риском радиационного облучения. Лечебный эффект СК обусловлен двумя свойствами: а) постоянным самообновлением; б) потентностью или дифференцирующим потенциалом – способностью давать потомство в виде специализированных клеток. По типу потентности СК делятся на несколько групп в зависимости от применимости в медицинской практике. Кроме того, СК способны к асимметричному делению, когда одна из дочерних клеток остается стволовой, а другая дает начало специализированным клеткам. В зависимости от того, каков возраст донора, СК делят на: а) эмбриональные; б) фетальные – полученные из абортивного материала на 9-12 неделях беременности; в) постнатальные - находящиеся в органах и тканях после рождения. Чаще всего стараются применять собственные постнатальные клетки пациента – так обеспечивается минимальный риск осложнений. В настоящее время СК можно получить из любого органа. Однако ученые нашли в организме участки жизнедеятельности, где их больше всего. Это абортивная ткань, пуповинная кровь, костный мозг. Лечение СК – клеточная трансплантация – сложнейшая наукоемкая медицинская технология, которая постоянно совершенствуется.
Дополнение 1. В человеческом организме ок. 220 типов клеток, обеспечивающих стабильность биологического вида. Целью ученых является создание технологий для получения любой типовой клетки из стволовой.
Дополнение 2. Среди всех клеток человеческого эмбриона определяется в среднем 1 стволовая клетка на 10000, а для 70-летнего старика соотношение составляет 1 на 5-8 млн.
70. Ноев ковчег XXI века
В XX веке человечество сделало все, чтобы в ближайшие 200 лет потомкам было чем заняться. Появление ядерного оружия, масштабные техногенные катастрофы, глобальное изменение климата, связанное с таянием льдов на полюсах, – эти причины могут вызвать необратимые для жизни организмов на Земле последствия. В начале XXI века ученые решили, что жители планеты должны иметь возможность быстро восстановить многообразие жизни. Именно с этой целью под эгидой ООН в 2006 г. был создан Всемирный банк-семенохранилище посадочного материала (т.н. хранилище «Судного дня»). Оно расположено в норвежском секторе Шпицбергена. По аналогии со Всемирным семенохранилищем в мире существует ок. 10 «замороженных» зоопарков. В них хранится генетический материал исчезающих животных, чтобы в случае вымирания можно было возродить вид. Сегодня в самом большом «зоологическом банке» в мире, который работает при зоопарке в Сан-Диего (США), хранятся образцы ДНК от 800 видов зверей, птиц, пресмыкающихся и земноводных. Сперма, эмбрионы, яйца и стволовые клетки находятся в контейнерах с жидким азотом при температуре в -196 °С. Все они жизнеспособны. Российский клеточный депозитарий, который планируется создать на базе МГУ имени М.В. Ломоносова, будет первым в мире хранилищем, которое объединит все разнобразие биофонда Земли. Это будет настоящий «Ноев ковчег». Московский университет «замахнулся» на создание структуры, в которой будет представлено одновременно множество различных типов биоматериалов: от отдельных биологических молекул до целых организмов. Необходимость создания глобального депозитария обусловлена, в первую очередь, потребностями науки и технологий. Создание универсального российского биобанка, обеспечивающего быстрый доступ к различным типам биоматериала, повысит эффективность деятельности ученых и приведет к ускорению технологического развития.
Дополнение 1. Создание биобанков и депозитариев клеточного и биологического материала является, по своей сути, реализацией бессмертия, к которому так долго стремилось человечество.
Дополнение 2. Хранилище «Судного дня» на архипелаге Шпицберген не является генетическим банком – это гарантийное хранилище, где хранятся дубликаты семян из разных стран. Изъять дубликаты можно будет лишь в том случае, если потеряются оригиналы. Депонировавшая семена страна сохраняет право собственности.