Жидкая ткань

Важность сердца и кровеносных сосудов не столько в них самих, сколько в том, что они транспортируют, потому что весь их сложный механизм предназначен лишь для того, чтобы удостовериться, что каждая часть тела надлежащим образом омывается потоком крови. Общее количество крови в человеческом организме значительно. Было определено, что кровь составляет приблизительно ¹/₁₄ веса всего тела. Мужчины в этом отношении превосходят женщин: у среднего мужчины около 79 миллилитров крови приходится на каждый килограмм веса тела, а соответствующая цифра для женщины – всего 65. Следовательно, у мужчины среднего размера имеется около 5,5 литра крови; у среднего размера женщины будет 3,25 литра крови.

Очевидно, самое необычное для крови то, что она – жидкость, в то время как остальные ткани организма твердые или полутвердые. И все-таки это не означает, что кровь необычно жидкая. Само тело как единое целое приблизительно на 60 процентов состоит из воды. Принимая во внимание, что жизнь началась в океане, это неудивительно. На суше, как и в море, химические реакции в клетках происходят сейчас на фоне воды, точно так же, как они происходили, когда первые живые молекулярные соединения появились в океане. Если и удивляться, то только лишь тому, что живые существа на суше смогли сэкономить на воде до такой степени, что обходятся всего 60 процентами. У некоторых нехордовых океанских животных содержание воды доходит до 99 процентов.

Одним из факторов, с помощью которых поддерживается содержание воды на столь низком уровне, является то, что определенные относительно неактивные ткани могут позволить себе быть до известной степени сухими. Жировые запасы организма, например, всего на 20 процентов состоят из воды, в то время как кость, в которой отсутствует костный мозг, – только на 25 процентов. Если рассматривать исключительно мягкие ткани тела – те самые, в которых активно происходят химические процессы организма, – содержание воды в них доходит до 70–80 процентов. Печень, к примеру, на 70 процентов состоит из воды, а мышцы – на 75 процентов.

Кровь на 80 процентов состоит из воды, но эта сравнительно большая цифра не является причиной ее жидкого состояния, потому что почка твердый орган, но тоже на 80 процентов состоит из воды. Самая богатая водой ткань нашего организма – это серое вещество головного мозга, которое, хотя и не является жидкостью, на 85 процентов состоит из воды. Вопрос заключается в следующем: если кровь – это жидкость, то почему содержание воды в ней ниже, чем в сером веществе головного мозга, и почти столь же низкое, как в мышцах? Ответ состоит в том, что, хотя кровь, возможно, и возникла целую вечность тому назад в качестве ограниченной части океана, ее современный состав в результате множества комплексных эволюционных изменений стал гораздо более сложным, чем сегодняшний состав океана или тот, каким он когда-либо был.

Но наверняка осталось важное сходство между кровью и океаном. Кровь содержит те же ионы, что и океан, и приблизительно в тех же количествах. Как и в океане, самыми важными ионами крови являются ионы натрия и хлора. Это придает крови (и морской воде тоже) ее соленый вкус.

Однако, кроме неорганических ионов, кровь содержит органические составляющие, сложные углеродсодержашие молекулы, образуемые организмом, такие, как глюкоза (разновидность сахара), и большое разнообразие углеводов. Более того, в крови содержатся объекты размером с клетку. Некоторые из них действительно настоящие клетки. Другие – нет, они меньше средней клетки по размеру, и у них нет ядер.

Тем не менее эти последние объекты по размеру гораздо больше, чем любая молекула, и отделены от действительно жидкой части крови оболочками (мембранами). Эти клетки и субклетки вместе составляют форменные элементы крови.

Именно эти самые форменные элементы и придают крови вязкость. Если бы форменные элементы несколько набухали и прилипали бы друг к другу, подобно тому как это делают клетки других тканей, кровь была бы полутвердым веществом, таким, как мозг, почки и мышцы. Именно потому, что форменные элементы не прилипают друг к другу, а плавают по отдельности в крови, кровь и остается жидкой. Форменные элементы достаточно велики, чтобы легко осаждаться под действием центробежной силы. Специальные градуированные пробирки заполняют кровью (куда добавляют небольшое количество химического вещества, чтобы предотвратить свертывание) и подвергают вращению в центрифуге со скоростью 50 оборотов в секунду. При этом форменные элементы осаждаются на дно пробирки и там концентрируются.

Таким образом, кровь разделяется на две части: водянистую часть, называемую плазмой крови, и форменные элементы. Кровь саму по себе, состоящую как из плазмы, так и из форменных элементов, иногда называют цельной кровью, чтобы подчеркнуть тот факт, что имеют в виду все ее компоненты, вместе взятые. Кровяная плазма – желтоватая жидкость, на 92 процента состоящая из воды. В этой жидкости плавают форменные элементы. При нормальных условиях плазма составляет приблизительно 55 процентов от объема цельной крови. Форменные элементы составляют остальные 45 процентов, такое процентное соотношение – это гематокритное число («гематокрит» по-гречески означает «разделять кровь»).

Кровь выполняет множество функций, и наиболее важная из них – транспортировка кислорода. Когда простые организмы впервые воспользовались внутренней жидкостью для омывания внутренних клеток организма растворенным кислородом и другими веществами, оставалась серьезная проблема. Вода растворяет не так уж много кислорода. Литр ледяной воды способен растворить всего 14 миллиграммов кислорода воздуха, и растворяющая способность воды снижается по мере возрастания температуры. При температуре человеческой крови литр воды будет растворять всего 7 миллиграммов кислорода из воздуха. Для простых организмов, состоящих из одной клетки или из небольшой группы клеток, такая низкая способность воды растворять кислород, тем не менее, достаточна из-за огромного объема океана. Подача кислорода фактически неограниченна, когда подумаешь о том, что кубическая миля океанской воды содержит до 60 000 тони растворенного кислорода и что в океане таких кубических милей воды миллионы.

Ситуация радикально меняется, когда речь заходит не об отдельных клетках и даже не о небольшом конгломерате клеток, плавающих в этих кубических милях, а о миллиардах и миллиардах клеток, зависящих от очень ограниченного количества внутренней жидкости. Если наша кровь переносит кислород только посредством растворения этого газа в воде, которая в ней содержится, она никогда не сможет перенести больше чем приблизительно 30 миллиграммов кислорода. Это чуть более четырехсекундного запаса минимальной потребности нашего организма, а на столь незначительной границе безопасности ни один сложный организм существовать не может. Некоторые небольшие насекомые живут только за счет кислорода, растворенного в их собственной воде, но мы на такое не способны. Один лишь тот факт, что мы можем задержать дыхание на минуту или две без каких-либо пагубных последствий, – достаточное доказательство тому, что наша кровь переносит кислород с помощью какого-то более эффективного способа, чем просто растворение.

Чтобы разрешить эту проблему, мы и все другие порядочного размера многоклеточные организмы используют соединения, более или менее сложные, способные образовывать свободные связи с молекулами кислорода. В жабрах или легких эти соединения вступают во взаимодействие с кислородом, за счет этого в определенном объеме крови может удерживаться гораздо больше кислорода, чем при простом растворении. В тканях слабые связи этих соединений с кислородом разрушаются, и кислород проникает в клетки. Эти кислороднесущие соединения обычно окрашены, хотя цвет не имеет непосредственной связи с проблемой транспортировки кислорода, поэтому обычно о них говорят как о дыхательных пигментах. Эти пигменты по своей природе белки, а следовательно, состоят из больших и сложных молекул, составленных из тысяч, а иногда и сотен тысяч атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Кроме того, в каждой молекуле почти неизменно содержится один или более атом какого-нибудь металла. По большей мере металлом обычно бывает железо, но многие ракообразные и моллюски пользуются дыхательным пигментом, содержащим медь. Этим медьсодержащим соединением является гемоцианин (что по-гречески «голубая кровь»), а поскольку это соединение голубого цвета, животные, использующие его, действительно имеют голубую кровь. Самые примитивные хордовые оболочечники имеют дыхательный пигмент, содержащий ванадий, а у некоторых моллюсков дыхательный пигмент содержит марганец, но это исключения.

Дыхательный пигмент человека и всех позвоночных животных содержит железо и называется гемоглобин (почему – я объясню потом). Повсюду в животном мире существует множество других железосодержащих дыхательных пигментов, но ни один не столь эффективен, как гемоглобин. Тем не менее наличие такого соединения присуще не только позвоночным. Даже земляной червь в этом отношении доводится нам родственником, поскольку и у него имеется гемоглобин.

Молекула гемоглобина содержит приблизительно 10 000 атомов и имеет молекулярный вес 67 000 (то есть ее молекулярный вес в 67 000 раз больше, чем у одного атома водорода, легчайшего из всех атомов). Большая часть молекулы гемоглобина состоит из аминокислот, относительно небольших соединений, присутствующих в структуре всех белков. Однако каждая молекула также содержит четыре группы атомов, которые по природе своей совсем не аминокислоты. Эти группы содержат атомы, выстроенные в большой круг, составленный из четырех меньших кругов (очень стабильная структура, особенно в данном случае), а в самом центре находится атом железа.

Содержащую железо часть можно выделить из молекулы гемоглобина. Она называется гея, поэтому можно сказать, что в каждой молекуле гемоглобина имеется четыре гемовые группы.

Так, у некоторых нехордовых животных дыхательный пигмент растворен в плазме. То же самое и в случае гемоцианина и некоторых других железосодержащих пигментов. Однако те живые существа, у которых имеется гемоглобин, всегда сохраняют пигмент в маленьких контейнерах. Это, конечно, относится и к нам самим, и эти гемоглобиновые контейнеры по большей мере являются самыми многочисленными из тех форменных элементов, о которых я говорил раньше.