Внутренняя жидкость

Все то, чего достигает наша сложно устроенная система органов дыхания, это проникновение молекул кислорода через границу, которая отделяет окружающую среду от тканей. Куда же кислород поступает оттуда?

У одноклеточного организма сложностей не возникает. Как только молекулы кислорода пересекают оболочку, они оказываются внутри клетки, где вещества, составляющие клеточное содержимое, набрасываются на них. Даже если мы имеем дело более чем с одной клеткой, этот процесс иногда столь же прост. Если каждая клетка в равной степени подвержена воздействию окружающей среды (обычно это океан, иногда – пресная вода), каждая получает свою порцию кислорода непосредственно с помощью диффузии. Сравнительно большие организмы могут существовать таким образом, при условии, что каждая клетка имеет собственный «океанический фронт». Это означает, однако, что такой организм может быть не более чем двумерным. Медузы и ленточные черви относятся к самым длинным животным организмам из существующих, которые все еще зависят только от диффузии кислорода. Колокол (купол) медузы состоит из тонкого внешнего слоя клеток, внутри имеет неживое желеобразное вещество, в то время как ее длинные щупальца настолько тонкие, что ни одна клетка не располагается вдали от океана. Что же касается ленточных червей, по своему строению они походят на ленту, как следует из их названия: длинные и широкие, но плоские.

Для того чтобы построить трехмерную клеточную структуру, некоторые клетки должны довольствоваться тем, что будут спрятаны внутри, отрезаны от океана слоями других клеток. Как же эти внутренние клетки получают свой кислород? Они не могут полагаться на диффузию через испытывающие нехватку кислорода клетки, что лежат между источником кислорода и ними. Решение было найдено много сотен миллионов лет назад, когда некоторые примитивные червеобразные существа «отщипнули» кусочек океана, по сути дела сохранив его внутри структуры собственного организма. Таким образом появился «внутренний океанический фронт», который со временем стал гораздо более важным, чем изначальный внешний. В конце концов абсорбция кислорода из окружающей среды была ограничена небольшим специализированным отделом тела, как я уже объяснял в предыдущей главе. Кислород диффундирует через этот отдел и попадает во внутреннюю жидкость – кровь.

Для относительно небольших и простых организмов существование крови достаточно само по себе. Она может находиться в относительно сложных разветвленных каналах таким образом, что все клетки будут рядом с жидкостью. Кислород, поступающий в кровь, будет диффундировать во все части тела, а из крови – в каждую клетку. Процесс диффузии может охватывать относительно большие расстояния, но не может осуществляться через слои кислородпоглощающих клеток. Каждая клетка должна честно получить свою долю.

Но когда организм становится больше и сложнее, простой диффузией не обойтись. Продолжительность процесса диффузии такова, что части тела, находящиеся слишком далеко от областей поглощения кислорода, могут испытывать кислородное голодание. Возникает необходимость заменить стоячую заводь, скажем, на бегущий поток, который будет активно доставлять кислород к клеткам. Тогда отпадает необходимость полагаться на слепые, беспорядочные и довольно медлительные силы диффузии. Поток приведет в движение насос в форме полой мышцы, которая, расширяясь и сжимаясь, будет всасывать кровь, а затем с силой выбрасывать ее наружу. Этот насос – сердце. Когда кровь выталкивается из сердца под большим давлением, ткани нельзя подвергать прямому удару без повреждений. Следовательно, кровь, покидающая сердце, должна находиться в мускульных трубках (кровеносных сосудах), которые поглотят толчок и, разветвляясь, в конечном счете разнесут кровь к каждой части тела.

У некоторых форм нехордовых кровь возвращается к сердцу, просачиваясь вокруг клеток. Однако это медленный процесс, и цикл замедлен до такой степени, что для больших и сложных организмов просто неприемлем. У хордовых (и у отдельных нехордовых) кровь проходит по кровеносным сосудам повсюду, как от сердца, так и назад к нему. Кровь циркулирует по замкнутому кругу таким образом, что сердце, кровеносные сосуды и кровь составляют то, что называется системой кровообращения. (В действительности эта система не совсем замкнутая. Существует нечто вроде утечки, но об этом в следующей главе.)

Строение сердца у разных групп организмов различное, и неудивительно, что более сложное оно у более сложных существ. Нехордовые, такие, как земляные черви, имеют замкнутую систему кровообращения, и в такой системе часть одного из кровеносных сосудов сокращающаяся. Волна циклических сокращений проходит по всей его длине, проталкивая кровь вперед. Такое простейшее сердце, всего лишь пульсирующий сосуд, также можно найти у примитивных хордовых, таких, как ланцетник. У позвоночных, однако, пульсирующий сосуд расширяется, образуя несколько полых камер. Увеличив свой объем, насос способен лучше перекачивать кровь, точно так же, как вы сможете ударить сильнее, если перед этим сделаете глубокий вдох. Увеличившемуся в объеме насосу, естественно, требуется мышечная стенка гораздо более толстая и сильная, чем стенка любого кровеносного сосуда.

У рыб сердце состоит из двух главных камер. Передняя камера – это предсердие, или атриум (от латинского «преддверие», или «прихожая», поскольку она служит входом для следующей камеры с более мускулистыми стенками). Предсердие сокращается и посылает кровь в заднюю камеру, которая называется желудочек. Предсердие служит своего рода хранилищем крови, собирая ее из входящих кровеносных сосудов, а затем, выталкивая в желудочек, который под действием внезапного растягивания мышц, способствующих всасыванию крови, отвечает особенно мощным сокращением. Когда желудочек сокращается, кровь с силой выбрасывается в кровеносные сосуды, которые ведут ко всем органам организма. Кровь несет кислород, используемый клетками, между которыми она проходит так, что к тому времени, когда возвращается в предсердие, содержание в ней кислорода фактически должно быть пулевым. Но оно не нулевое, благодаря жабрам. Кровеносные сосуды подходят к жабрам и там собирают кислород. Богатая кислородом кровь из жабр смешивается с кровью, бедной кислородом, из оставшихся органов, и та кровь, которая содержится в большинстве сосудов, – это смесь того и другого – как говорится, на удивление богатая кислородом кровь.

Это вполне подходит для рыб, но ранние формы наземной жизни, обзаведясь легкими, начали отделять систему циркуляции воздуха от всего остального. Сердце амфибий имеет два предсердия. Сосуды, приносящие из легких кровь, богатую кислородом, входят в одно предсердие, а сосуды, несущие кровь из остальных органов организма (бедную кислородом), входят в другое. Сокращающийся желудочек затем поочередно решает две задачи: посылает бедную кислородом кровь в легкие за добавочной порцией кислорода, а затем кровь, обогащенную кислородом, отправляет к остальным органам тела. Процесс смешивания двух типов крови был сокращен, но не устранен полностью.

У рептилий желудочек находится на пути разделения на две части, и этот финальный этап доведен до завершения у птиц и млекопитающих. Последние, будучи теплокровными, используют кислород с огромной скоростью, и эффективность просто не может не повышаться. У птиц и млекопитающих (включая и нас с вами, конечно) сердце четырехкамерное и состоит из двух предсердий и двух желудочков. На самом деле это двойной насос, объединенный в один орган и очень тщательно синхронизированный. Вся кровь проходит по очереди через каждый из насосов. Насос под номером один посылает ее в легкие, где она собирает кислород. Богатая кислородом кровь возвращается в насос под номером два. Она совсем не смешивается с кровью, бедной кислородом, но появляется из насоса под номером два обогащенной кислородом и несет свой богатый запас кислорода к оставшимся органам тела. При этом она теряет кислород и по возвращении в насос номер один снова отправляется к легким. И таким образом цикл продолжается.

Но теперь давайте обратимся к человеку.