Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий

Что происходит с кислородом после того, как он растворился во влажной внутренней пленке альвеол? Мембрана, покрывающая альвеолы, очень тонкая. Ее толщина всего около одного микрона. Микрон — одна из единиц системы измерения, используемая учеными всего мира и жителями всех стран, за исключением англоговорящих. Микрон равен одной миллионной части метра или одной десятитысячной части сантиметра.

Итак, эта мембрана слишком тонка, чтобы удерживать воду. Маленькие молекулы, например молекулы воды (состоящие из трех атомов) или кислорода (состоящие из двух атомов), просачиваются сквозь нее, проходя через микроскопические отверстия в мембране или передвигаясь между молекулами, из которых она состоит, или, возможно, при помощи какого-то другого, пока неизвестного нам способа.

Мембрана, которая пропускает молекулы, называется проницаемой. Процесс, во время которого молекулы проходят сквозь вещество (будь то газ, жидкость или твердое тело) или тонкую мембрану, называется диффузией.

Мембраны, выстилающие альвеолы, пропускают только мелкие молекулы. В человеческом организме есть и более крупные молекулы, состоящие из сотен или даже тысяч атомов. Они не могут пройти через альвеолярную мембрану. Поэтому она называется полупроницаемой. Другими словами, она проницаема для одних молекул, но непроницаема для других.

Все живые клетки окружены полупроницаемыми мембранами, и это жизненно важно. Если бы клетка была не в состоянии удерживать одни молекулы внутри, а другие снаружи, по химическому составу она бы не отличалась от окружающей среды и не могла бы существовать.

Продолжим наш рассказ. Кислород проходит сквозь мембрану альвеол не только в одном направлении, то есть из окружающей среды в альвеолы и организм. На «воздушной» стороне мембраны, контактирующей с окружающим воздухом, достаточно много кислорода, а на стороне, контактирующей с организмом, его меньше, поэтому диффузия молекул идет таким образом, чтобы уравнять количество кислорода с обеих сторон, подобно воде, которая стремится к одному уровню, не важно, течет ли она со склона, как ручей, или вырывается из земли ключом.

В итоге кислород из воздуха переходит в клетки, выстилающие альвеолу. Под этими клетками расположена еще одна мембрана. Она не толще первой и представляет собой стенки крошечных кровеносных сосудов — капилляров. Частая капиллярная сеть плотно охватывает каждую альвеолу. Стенка капилляра также представляет собой полупроницаемую оболочку. Молекулы кислорода проникают сквозь нее, чтобы уравнять количество кислорода с обеих сторон. Как только кислород проходит через стенку, он оказывается в кровяном русле, где начинается другая стадия его путешествия.

Если вам показалось, что самая трудная часть путешествия кислорода из воздуха к клеткам организма осталась позади, если вы думаете, что кровь просто переносит молекулы кислорода из легких в другие органы, что они без труда через стенки капилляров попадают во все клетки организма, то вы ошибаетесь. Перенести необходимое количество кислорода не так легко, как кажется, и для этой цели существует сложный химический механизм.

Прежде чем приступить к обсуждению сложностей и возможностей решения вопроса перемещения кислорода, я бы хотел познакомить вас с еще несколькими единицами измерения.

Литр — единица измерения объема. Миллилитр — одна тысячная литра. Это относительно маленькая единица.

Грамм — единица измерения массы. Это маленькая единица. Миллиграмм — одна тысячная доля грамма.

Если чистый кислород пропустить через литр ледяной воды, то в воде растворится только часть кислорода, далеко не весь. В литре ледяной воды растворится всего 70 миллиграммов кислорода.

Напомню, это происходит, если кислород пропустить через воду. Если бы пропускали пузырьки обычного воздуха, состоящего всего на одну пятую из кислорода, то растворилась бы только эта одна пятая часть. В литре ледяной воды растворилось бы 14 миллиграммов кислорода. Растворилось бы также какое-то количество азота, но пока не будем говорить об азоте.

Может показаться, что 14 миллиграммов на литр воды — настолько незначительное количество, что можно не обращать на него внимания, однако от этого количества зависит жизнь. Рыбы и другие животные, дышащие жабрами, извлекают кислород не из атмосферы, иначе они начинают задыхаться, а из воды, где он растворен.

Конечно, нельзя недооценивать растворенный в морской воде кислород. Его количество в одном литре очень мало, но в океане много литров воды. В кубическом километре морской воды при температуре замерзания будет содержаться целых 60 000 тонн растворенного кислорода, а на Земле сотни кубических километров океана.

Вы заметили, что я все время говорю о ледяной воде. Это потому, что количество газа, который может раствориться в воде, зависит от ее температуры. Чем теплее вода, тем меньше газа в ней растворяется. В литре воды при 37 °C (температура человеческого тела) растворится всего около половины того кислорода, который может раствориться в ледяной воде, — 7 миллиграммов.

Но давайте оставим в покое океан и вернемся к крови. Сколько кислорода может раствориться в крови? Чтобы ответить на этот вопрос, надо сначала задать другой. Сколько крови в человеческом теле?

Это не так уж легко определить. Самым простым способом ответить на этот вопрос было бы взять тело только что умершего человека, выпустить из него всю кровь и измерить ее объем. Беда в том, что из тела выпустить всю кровь практически невозможно. Какое-то количество ее все равно останется в микроскопических капиллярах.

Более сложный, но и более точный метод заключается в том, чтобы взять определенное количество безвредного красителя и ввести его в вену. Краситель разнесется по кровеносной системе, смешиваясь с кровью. После того как они хорошо смешаются, берется анализ крови. По ее цвету можно судить, сколько в ней растворилось красителя. Цвет окрашенной крови сравнивается с первоначальным цветом крови и красителя. Это делается не на глаз, а при помощи точных инструментов, фотоэлектрических колориметров, в которых используются фотоэлементы, а также специальные фильтры или кварцевые призмы, чтобы на фотоэлементы попадал свет только определенных цветов. Если после смешивания цвет красителя в крови сохраняет всего одну тысячную долю первоначальной интенсивности, значит, он смешался с одной тысячной долей своего объема. Зная объем введенного красителя, мы можем легко вычислить объем крови.

Но и тут случаются ошибки. Например, некоторые красители могут просто вытечь из крови. Однако, используя методы, подобные этому, мы можем узнать, что кровь составляет от шести до восьми процентов от веса тела. Объем крови у всех людей немного различается, и у мужчин он больше, чем у женщин. Другими словами, на каждый килограмм массы тела (1 килограмм равен 1000 граммов) приходится около 77 миллилитров крови у мужчин и 66 миллилитров крови у женщин. В теле семидесятикилограммового мужчины содержится около 5,4 литра крови, пятидесятикилограммовой женщины — около 3,3 литра крови.

Но из всего количества крови вода составляет 80 %, и в основном в ней растворяется кислород. Количество воды в кровеносных сосудах среднего человека массой 70 килограммов составляет около 4,3 литра. При температуре тела в каждом литре воды растворится 7 миллиграммов кислорода, то есть всего около 30 миллиграммов.

Обычному взрослому мужчине требуется не менее 23 400 миллиграммов кислорода в час или около 390 миллиграммов в минуту, при условии что он находится в теплом помещении и ничего не делает.