С каждым вдохом: Удивительная история наших легких

Глава 1

Кислород, а потом жизнь

История нашей потребности в дыхании началась миллионы лет назад. Поскольку биологическая жизнь каждого человека включает зачатие, внутриутробный период, а также молодость, зрелость и старость, то же самое можно сказать и о самой Земле. Подобно тому, как младенец, приходящий в этот мир, может жить и развиваться, только когда освоит дыхание, расцвет на Земле начался, только когда возникло подобие дыхания и жизнь начала использовать кислород.

Земля не всегда имела кислород в своей атмосфере. Газы, содержащиеся в первой атмосфере, были бы токсичны для большинства из ныне живущих видов. Но появившийся кислород радикально изменил мир. И что удивительно, только в 1970-х гг. мы узнали, как кислород впервые окутал нашу планету.

Вселенная, а именно вся материя, которую мы видим перед собой в форме звезд, планет и всего остального, что содержится в наблюдаемом пространстве, как полагают, возникла около 14 млрд лет назад. Практически наверняка в одно мгновение после Большого взрыва вся прошлая и настоящая материя Вселенной ворвалась в пространство и заполнила космос. Постепенно отдельные части Вселенной расширялись и охлаждались, при этом вспышки сверхновых порождали разные солнечные системы, а остающиеся после взрывов газовые туманности конденсировались в твердую материю{17}.

Наша собственная Солнечная система сформировалась около 4,5 млрд лет назад. Наши соседние планеты, по сути, представляют собой каменистые массы, но Земля разительно отличается. На снимке, сделанном из космоса, она оправдывает свое название «Голубая планета» – прохладное, безмятежное сочетание вод глубоких синих океанов и вихрей белоснежной атмосферы. Она резко контрастирует с суровостью соседнего Марса, Красной планеты, или нашей собственной Луны, белой и бесплодной.

Но при образовании Земли на ней не было прекрасных океанов, роскошных зеленых пейзажей и компромиссов эволюции, жизни и смерти. В течение первых 4 млрд лет существования, когда Землю бросало то в жар, то в холод, ее атмосфера представляла собой токсичную смесь азота и углекислого газа. И в первые 2 млрд лет в ее атмосфере не было абсолютно никакого кислорода.

Кислород так важен, потому что способен эффективно генерировать энергию. Организмы получают энергию из молекул, называемых аденозинтрифосфат (АТФ), которые образуются в результате клеточного дыхания. Без кислорода клетки все равно могут производить в процессе анаэробного окисления всего лишь жалкие две единицы АТФ из каждой молекулы сахара. Это очень неэффективно по сравнению с кислородным метаболизмом, благодаря которому клетки могут производить 36 единиц АТФ из каждой молекулы сахара. Обладая этими дополнительными единицами энергии, организмы способны вырастать более крупными, бегать быстрее и прыгать выше. Без кислорода единственными подвижными живыми организмами были бы анаэробы, крошечные существа, не выдерживающие никакой конкуренции с потребителями кислорода в нашем мире.

Таким образом, в течение первых нескольких миллиардов лет существования Земли на ней не было ни растений, ни животных. Океаны появились на Земле вскоре после ее образования, когда планета охлаждалась и водяные пары в атмосфере конденсировались, но единственной жизнью, которая могла в них обитать, были маленькие одноклеточные анаэробные микроорганизмы. Затем, около 2,5 млрд лет назад, атмосфера начала постепенно наполняться кислородом. Потребовалось много времени на то, чтобы его концентрация достигла значимого уровня, но наконец около миллиарда лет назад поглотители кислорода на Земле, в основном отложения железа в скальных породах, оказались насыщены им. После этого кислород начал накапливаться в атмосфере и океанах. Этот переломный момент, названный кислородной катастрофой, форсировал взрывное развитие жизни – около 600 млн лет назад появились морские растения, а позднее губки, моллюски, рыбы и, наконец, наземные растения и развитые формы жизни{18}.

Однако долгое время не было ответа на один вопрос: откуда взялся весь этот кислород? Наверное, для того чтобы совершенно новый газ преобразовал планету таким уникальным образом, должно было произойти нечто масштабное. История о том, как мы начали понимать, откуда взялся кислород и как он изменил мир, – это необыкновенная история об упорном труде, внимательных наблюдениях и удаче (комбинация, которая, вероятно, применима ко многим научным открытиям, а может и к большинству). Это также история, которая просто не очень хорошо известна, а должна быть.

Джон Уотербери рос в долине реки Гудзон в штате Нью-Йорк, но лето он проводил в прибрежном городке Веллфлит на полуострове Кейп-Код в штате Массачусетс. Там в начале 1960-х гг. Уотербери бродил по просторам дюн, образующих протяженные пляжи, и смотрел на изумрудные воды Атлантики. Томясь на берегу, он стал выходить в океан на своей гоночной парусной яхте класса «Лайтнинг». Окруженный соленым океаном, на яхте, скользящей по вздымающимся волнам у полуострова Кейп-Код, он был переполнен ощущением чуда{19}.

Кислородная катастрофа: история образования атмосферных газов[2]

Первым этапом академической подготовки Уотербери был Вермонтский университет, где он защитил диссертацию по зоологии в 1965 г. По окончании учебы его выбор сузился до всего двух вариантов. В Океанографическом институте в Вудс-Холе, Массачусетс, всего в 40 милях от его летнего дома в Веллфлите на Кейп-Коде, требовался исследователь. А если бы он не остался в науке, его ждал воинский призыв и возможная командировка во Вьетнам. Неудивительно, что Уотербери выбрал Вудс-Хол. Он провел там четыре года, изучая нитрифицирующие бактерии, маленькие организмы, которые переваривают азотсодержащие вещества. Впоследствии он поступил в аспирантуру Калифорнийского университета в Беркли и провел несколько лет в Париже. Он вернулся в Океанографический институт в Вудс-Холе в 1975 г. и больше не покидал его. В Вудс-Холе Уотербери открыл, как Земля превратилась из планеты без кислорода, населенной только микроскопическими организмами, в планету с кислородом, изобилующую жизнью всевозможных размеров{20}.

Во время аспирантуры в Беркли Уотербери увлекся цианобактериями, микроорганизмами, про которые было известно, что они обитают в пресной воде. Эти организмы, которых чаще называют синезелеными водорослями, обладают свойствами, больше похожими на свойства растений, чем на свойства бактерий. Главным из этих необычных свойств является способность использовать фотосинтез – превращать углекислый газ и воду в кислород и углеводы. Но в 1970-х гг. главным образом считалось, что цианобактерии заселяют лишь небольшие пресноводные водоемы и не играют большой роли в процессе производства кислорода на Земле. Их обсуждали только в узком академическом кругу, а в основных учебниках по океанографии о них вообще не упоминалось.

После защиты докторской диссертации Уотербери устроился на работу научным сотрудником в Океанографический институт. В то время основной задачей в этой области было изучение океанических бактерий, о которых мало что было известно. Полевая работа была обычной частью исследований, и в августе 1977 г. Уотербери отправился на научно-исследовательском судне Atlantis II в Аравийское море – регион океана между Индией и Саудовской Аравией, известный очень высоким содержанием неорганических питательных веществ и богатый морскими обитателями. Задачей его группы был анализ проб из океана с использованием новой технологии: эпилюминесцентной микроскопии. С помощью этой новой методики планировалось определить типовые уровни содержания известных бактерий в океане.

Принципы эпилюминесцентной микроскопии простые. К пробе воды добавляются флюоресцентные метки, состоящие из строительных блоков ДНК. Эти метки прикрепляются к соответствующим частям ДНК бактерий, как фрагменты пазла, подходящие друг к другу. Под микроскопом, при облучении синим светом, благодаря прикрепленным меткам эти бактерии начинают флюоресцировать зеленым цветом. Если подходящие бактерии отсутствуют, метки не будут активированы и в микроскоп ничего не будет видно.

Прежде чем добавить метки ДНК к пробам воды из Аравийского моря, Уотербери сделал то, чему учат на всех занятиях по естествознанию, и это – обязательный этап при любом эксперименте, на любом уровне науки, от опытов в классе средней школы до лабораторных исследований, за которые дают Нобелевскую премию: он установил строгий контроль, чтобы гарантировать достоверность результатов. Ученые знают, что контрольные группы – основа всех открытий. Чтобы найти что-то аномальное, нужно уметь видеть и доказывать существование того, что считается нормальным. Поэтому, перед тем как добавлять метки ДНК, Уотербери проанализировал образец воды из Аравийского моря под новым эпилюминесцентным микроскопом, чтобы иметь исходные данные для сравнения.

Уотербери предположил, что не увидит ничего необычного в воде Аравийского моря, но был поражен. Синий свет эпилюминесцентного микроскопа прошел сквозь воду, и в окуляре вспыхнуло ярко-оранжевое флюоресцентное свечение. Уотербери раньше изучал цианобактерии и понял, что этот оранжевый свет был естественной флюоресценцией фикоэритрина, фотосинтетического пигмента, который совместно с хлорофиллом запускает важнейшую реакцию распада двуокиси углерода на кислород и углерод, делающую возможной жизнь на нашей планете. Прежде никому не было известно, что цианобактерии могут существовать в глубоководных соленых водоемах, поэтому это была колоссальная находка.

Открытие существования цианобактерий в Аравийском море было только началом, но Уотербери знал, что, для того чтобы детально изучить морские цианобактерии, ему придется выращивать бактериальные культуры. Он пытался в течение нескольких месяцев, всякий раз используя новую среду и разные питательные вещества, чтобы добиться репликации цианобактерий. Но всякий раз происходило одно и то же – в течение суток все клетки погибали. Без культивирования изучать морские цианобактерии было бы невозможно. Чтобы добиться успеха, Уотербери пришлось вернуться к базовой биологии окружающей среды.

Океанические и пресноводные организмы ведут себя совершенно по-разному. Обычно мы думаем, что океанские существа выносливы и хорошо приспосабливаются, а океан – суровое и дикое место. Пресноводные водоемы, наоборот, кажутся спокойными и идиллическими, там нет акул, скатов и смертельных медуз. Такова человеческая точка зрения. С точки зрения бактерий – все наоборот.

Среды обитания пресноводных и морских бактерий разительно отличаются. Во внутренних пресноводных водоемах температура, а также количество питательных веществ и минералов могут сильно колебаться. Кроме того, летом и зимой в пресноводной среде создаются очень разные условия жизни, и в зависимости от сезона там часто обитают очень разные виды. По сравнению с этими водоемами обстановка в океане исключительно стабильна. Перепады температур намного меньше, чем во внутренних водоемах, а состав питательных веществ в микроокружении гораздо более постоянный. Бактерии, процветающие в пресноводной среде, – то, что ученые-океанологи называют «эвтрофы», – это организмы, способные жить в условиях изобилия питательных веществ и при сильных колебаниях температуры. Для морских бактерий, «олиготрофов», требуются более низкие уровни основных питательных веществ. Так что, хотя нам это кажется контринтуитивным, морские бактерии более чувствительны, более уязвимы, чем их пресноводные родичи.

В том беспокойном году Уотербери начал это понимать. Он тщательно отмывал все колбы для культур и пробирки, следя за тем, чтобы в них не оставалось даже микроскопического количества кальция или иного вещества. Затем он калибровал питательную среду, чтобы она точно соответствовала тем наноколичествам питательных веществ, которые он измерял в океанской воде. Наконец, через год кропотливой работы, и к радости Уотербери, цианобактерии из океана впервые начали расти за пределами своей естественной среды обитания. Открытие вида Synechococcus официально состоялось.

Остались следующие вопросы: сколько этих бактерий и какова их среда обитания? С дальнего конца деревянной пристани в Вудс-Холе Уотербери набрал в несколько банок соленой воды, немного мутной, но в остальном ничем не примечательной. Он поместил образец под эпилюминесцентный микроскоп и увидел изобилие цианобактерий.

В следующие десять лет наблюдался взрывной рост количества исследований цианобактерий. Почти в каждом уголке океана на Земле были выявлены сотни различных видов. Теперь мы знаем, что синезеленые водоросли населяют любой водоем с температурой выше 5 ℃, обычно во внушительных количествах, настолько внушительных, что Уотербери называет их «эти зверюшки».

Сегодня считается, что кислородом в нашей атмосфере мы обязаны главным образом цианобактериям, так как численность их огромна, а среда обитания разнообразна. Они выделяют его в ходе фотосинтеза – процесса, используемого растениями, водорослями и цианобактериями для превращения поглощаемого ими солнечного света в энергию. Первичной молекулой, улавливающей солнечный свет, является хлорофилл, молекула, которая использует энергию фотонов света для реакции взаимодействия углекислого газа и воды с образованием глюкозы и кислорода. В ходе этой реакции фотосинтеза также выделяется энергия, которая помогает цианобактериям преобразовывать углекислый газ из атмосферы в питательный углерод, который сначала потребляется низшими формами жизни, а затем передается по пищевой цепочке. Этот процесс делает цианобактерии источником большой доли производимых питательных веществ на нашей планете. Они также ответственны за большую часть нефти, природного газа и угля на Земле, потому что все они образовались из отложений (мертвых цианобактерий), скапливавшихся на дне океана в течение миллионов лет. Группа цианобактерий и правда является самым многочисленным видом на Земле и одним из важнейших для жизни.

Мы склонны ассоциировать процесс фотосинтеза с растениями, но почти наверняка первыми его начали использовать цианобактерии. Считается, что миллионы лет назад предки цианобактерий слились с более крупными клетками в процессе, называемом эндосимбиозом, эволюционировали и превратились в содержащие хлорофилл хлоропласты, благодаря которым более крупные клетки смогли осуществлять фотосинтез. Впоследствии эти клетки, содержащие хлоропласты, объединились друг с другом и стали предшественниками современных растений и водорослей.

Несмотря на весь наш технический прогресс, мы можем только восхищаться тем, как цианобактерии, а затем и растения овладели фотосинтезом. Люди рано поняли, как сжигать углерод, но мы до сих пор не можем производить его самостоятельно из углекислого газа и света. Если бы фотосинтез можно было смоделировать искусственно, это стало бы золотым ключом к решению наших энергетических проблем; это также решило бы проблему глобального потепления, позволив вывести углекислый газ из атмосферы.

Теперь, оглядываясь назад, мы знаем, что взрывное развитие жизни в кембрийский период, около 500 млн лет назад, в значительной степени подхлестнуло повышение концентрации кислорода в атмосфере, который производили цианобактерии{21}. Без этих маленьких существ не было бы сейчас ни высших животных форм жизни, ни большинства растительных форм жизни.

Наши легкие развились, чтобы использовать кислород и эффективно управлять нашими метаболическими реакциями. Мы аэробные существа, и если легкие – наш самый важный орган, то кислород – самый важный газ в атмосфере. Анаэробные организмы существуют, но их развитие сдерживается неэффективным методом производства энергии. С кислородом открылись возможности мира. Почти каждое живое существо на Земле зависит от того или иного способа извлечения кислорода, а Джон Уотербери и другие, занимавшиеся океаническими бактериями, помогли нам понять, откуда взялась вся эта жизнь.

Благодаря появлению нового газа в атмосфере Земли, последние 500 млн лет существования нашей планеты радикально отличаются от первых 4 млрд. Первый период был отмечен отсутствием жизни, второй – ее изобилием. Момент появления кислорода и жизни не случаен. Кислород – это жизненная сила, источник бесконечных возможностей жизни.

Вместе с повышением содержания кислорода, производимого цианобактериями, примерно в это же время начала расцветать растительная жизнь. Сначала она возникла в океане, а затем неотвратимо эти растительные формы проникли на выжженный оранжевый массив суши, где в то время не было совершенно ничего, кроме скал. Сначала скалы колонизировали невысокие мхи, затем постепенно там обосновался и более продвинутый растительный мир. Деревья появились позже и повысили концентрацию кислорода еще больше.

Животный мир в насыщенном кислородом океане становился все более сложным. Чем больше растений, тем больше кислорода, а с ним появились черви, двустворчатые моллюски и медузы, использующие примитивные жабры или простую диффузию для извлечения кислорода из океана. В конце концов, за десятки миллионов лет живые существа вышли на землю, заселенную растениями. Насекомые, пауки и черви первыми воспользовались зарождающимся зеленым ландшафтом. Но они не смогли бы совершить этот удивительный переход, не обладая хотя бы какой-то способностью использовать кислород.

У червей нет функционирующей дыхательной системы. Они получают кислород из окружающей их влажной почвы, позволяя ему проникать сквозь кожу в кровь. Высушите червяка, и он задохнется. У пауков и насекомых есть дыхательная система, но это просто длинная трубка, проходящая через их тело, которая позволяет кислороду распространяться по окружающим тканям. У всех этих видов нет мышечной системы, которая содействовала бы более эффективному использованию кислорода, и нет способа значительно увеличить снабжение кислородом, когда это требуется. Эти примитивные системы ограничивает отсутствие эффективности. Поэтому тело и мозг этих существ не могут вырасти до больших размеров. Их сдерживает отсутствие легких.

Черви и пауки выползали из моря, а жизнь в океане развивалась гораздо быстрее, чем на суше. Существа увеличивались в размерах, и у них развивались более сложные органы. Появились позвоночные животные с эндоскелетом и кожным покровом, а также рыбы со знакомыми нам органами, такими как мозг, печень, сердце и пищеварительный тракт. Эти сложные позвоночные начали заселять множество различных водных ниш, от самых высоко расположенных рек до самых глубоких океанских впадин. Девонский период, длившийся с 420 до 359 млн лет назад, известен как эпоха рыб из-за взрывного роста количества видов и количества мест их обитания{22}.

Рыбы, вероятно, столь разнообразны, потому что выработали способность использовать кислород через эффективную систему кровообращения. Важная часть этой системы – жабры. У большинства рыб с обеих сторон есть по одной щели, через которую протекает вода. Обширная сеть капилляров в жабрах извлекает кислород из поступающей воды. Капилляры также выводят углекислый газ через газообменную систему, подобную нашей. Еще у большинства рыб вокруг жабр имеются мышцы, с помощью которых жабры могут раздуваться и увеличивать поток воды и приток кислорода в систему по мере возрастания потребности в энергии. Это хорошая система использования кислорода, и это объясняет, почему некоторые рыбы смогли стать одними из крупнейших существ на Земле.

Со временем, и только после того как у них развились легкие как способ извлечения кислорода из атмосферы, рыбы вышли на сушу. Это уникальное и экстраординарное превращение, хотя для него и потребовались десятки миллионов лет. Оно завораживает нас, потому что мы можем думать о нем как о моменте нашего рождения, символическом моменте, когда жизнь, какой мы ее знаем, уже была не за горами. Этот переход стал возможен благодаря появлению легких, органа, который определяет нас как сухопутных существ.

Считается, что метаморфозы в рыбах начали происходить в мутных водах мелководья, на стыке океана и суши. Возможность длительное время находиться вне воды, чтобы воспользоваться преимуществами суши, изобилующей пищей в виде растений, была явно выгодной с точки зрения приспособляемости.

Вопрос о том, как именно у рыб впервые развились легкие, обсуждается уже давно. Единственное, что кажется очевидным, хотя и не интуитивным, – это то, что наши современные легкие образовались не из жабр. Интересно, что жабры некоторых рыб, особенно клариусов, разновидности сома, эволюционировали в подобие легких. У этих рыб, типичных обитателей Азии, теперь захватывающих Флориду, возникла очень небольшая зона газового обмена, которая открывается только тогда, когда они закрывают свои жабры.

Наши легкие, однако, скорее всего, зародились как выпячивание пищевода, когда рыбы начали дышать, просто глотая воздух, который затем попадал в систему циркуляции путем простого осмоса. Некоторые рыбы сохранили это изначальное выпячивание, известное как плавательный пузырь, который заполнен воздухом. Современные рыбы используют плавательный пузырь в качестве балластного механизма для плавучести. Но у некоторых ранних рыб этот пузырь развился в легкие, какими мы их знаем сегодня.

Еще одной важной трансформацией, необходимой рыбам для успешной жизни на суше, было формирование ног, которые давали максимальную маневренность вне воды. Существа с четырьмя конечностями называются четвероногие – класс, в который сегодня входят все млекопитающие, рептилии, птицы (крылья тоже считаются конечностями) и земноводные. Скорее всего, в девонский период, около 400 млн лет назад, из океана вышел первый тип четвероногого с только что и одновременно сформировавшимися легкими и ногами.

Ископаемые находки данного периода демонстрируют явные признаки того, что некоторые рыбы пытались выйти на сушу. Эти первые колонизаторы имели более четко выраженную костную структуру в плавниках и зачатки легких в дополнение к жабрам. Одной из таких рыб был целакант, или латимерия, которая, как считалось, вымерла миллионы лет назад. Это убеждение изменилось случайно в один прекрасный солнечный день 1938 г., когда одна молодая женщина в Южной Африке заметила нечто необычное на рыболовецком судне, породившее историю о необыкновенной рыбе и международную сенсацию.

Марджори Куртене-Латимер была куратором музея из Ист-Лондона (ЮАР), расположенного между Кейптауном и Дурбаном на восточном побережье ЮАР. В рамках своей работы Марджори отвечала на звонки местных рыбаков, поймавших что-нибудь интересное. Звонок, который изменит ее жизнь, раздался 22 декабря 1938 г. Звонил капитан Хендрик Госен, вернувшийся с рыбалки в Индийском океане, в районе устья реки Чалумна. Марджори приехала, чтобы проверить, не было ли в улове каких-либо необычных экземпляров, и заметила синий плавник, выглядывающий из-под кучи скатов и акул на палубе. Она разгребла других рыб и наткнулась на, как она позже описывала, «самую красивую рыбу, которую я когда-либо видела, длиной полтора метра, бледного лилово-синего оттенка с радужными серебристыми отметинами. Она была покрыта твердой чешуей, имела четыре плавника, похожие на конечности, и странный хвост, как у щенка»{23}.

Марджори никогда раньше не видела такой рыбы, поэтому она отправила телеграмму с наброском доктору Джеймсу Смиту, местному профессору химии с репутацией ихтиолога-любителя. Доктор Смит сразу же понял, насколько важна была эта находка, и отправил ответную телеграмму: «САМОЕ ГЛАВНОЕ: СОХРАНИТЕ СКЕЛЕТ И ЖАБРЫ ОПИСАННОЙ РЫБЫ». В волнении, он прервал свой отпуск на два дня раньше и отправился в Ист-Лондон, где сразу же идентифицировал рыбу как целаканта, призрака из эволюционного прошлого, который, как считалось, вымер 66 млн лет назад. Рыба получила название Latimeria chalumnae (от фамилии Марджори и названия реки, в которой была поймана), а изучив ее, а также еще одну, пойманную несколькими годами позже, ученые четко увидели по анатомическому строению, что эта рыба представляет собой начальный переход из океана на сушу. Во-первых, у нее была некая структура в грудной клетке, которую можно было бы описать как легкое, только у целаканта она была наполнена жиром. Во-вторых, в отличие от простых плавников современных рыб, в ее четырех плавниках был хрящ, делающий их явными предшественниками наших современных конечностей. Будучи донным обитателем, целакант использовал свои плавники последовательно, один за другим, неуклюже передвигаясь по дну океана.

Целакант стал международной сенсацией, когда его «открыли» в 1938 г., но на земле живут и другие виды, которые проливают еще больше света на ранние этапы развития легких и ног. В то время как у целаканта есть зачатки легких, у некоторых рыб есть настоящие легкие. Наиболее узнаваемыми из этих существ являются илистые прыгуны, рыбоподобные существа размером 9 см, естественной средой обитания которых являются илистые равнины в восточной части Мадагаскара, а также в некоторых районах южного Китая и северной Австралии. Илистый прыгун прекрасен не своим внешним видом; на самом деле у него отталкивающая выпуклая, раздутая голова с глазами навыкате, его покрытое слизью тело внушает отвращение, а два странно расположенных на спине плавника выглядят налепленными кое-как. Но существование илистого прыгуна оправдывается тем, что он обладает удивительной способностью дышать как в воде, так и на суше. Вот он весело плавает в воде, а вот уже выпрыгнул на сушу, агрессивно защищая свою территорию, раззявив рот и угрожающе расправив плавники. Для этого илистый прыгун не только сохранил жабры, но и приспособился поглощать кислород через кожу, рот и эпителий глотки (область ниже рта, но выше пищевода и трахеи). Он может оставаться на суше в течение нескольких дней, перекрывая свои жабры лоскутом втягивающейся кожи и сохраняя их влажными. У него также развились рудиментарные передние конечности – маленькие ручки, с помощью которых он может передвигать свое скользкое тельце в своей илистой среде обитания.

Илистый прыгун не единственный вид, сохранившийся с того периода выхода из воды на сушу 400 млн лет назад. Амфибии, особенно лягушки, жабы и тритоны, могут дышать с помощью кожного дыхания, при котором кровь, протекающая в коже, забирает кислород и выделяет углекислый газ. Амфибии пользуются этой системой как под водой, так и на суше. Австралийский рогозуб – это еще одно эхо нашего эволюционного прошлого. Это один из шести оставшихся видов двоякодышащих рыб, который оказался наиболее эффективным: он по-прежнему обитает в двух мирах – в океане и на воздухе. Он выглядит неопасным, у него длинное, оливково-зеленое, массивное, змееподобное тело, маленькие глазки и четыре плавника, с помощью которых он передвигается как в воде, так и на суше. У него не такие уж маленькие размеры: в среднем его масса тела составляет солидные девять килограммов, а длина – более метра. Он живет в мелководных, мутных, пресных водах Квинсленда на севере Австралии, в уединенном, тихом месте, где обитают изолированные виды, казалось бы, застывшие во времени. Существующего в течение 370 млн лет австралийского рогозуба также окружает ореол первобытности, как будто бы для него было бы привычным ускользать от укуса птеродактиля или стремительных челюстей крокодила.

Использование кислорода рогозубами впечатляет, потому что они могут обитать и как рыбы в воде, и как сухопутные существа на суше. В отличие от илистого прыгуна, у рогозуба есть настоящие легкие, с настоящими ячейками газообмена, а не только простая диффузия воздуха через мембрану. Он может жить несколько дней на суше, питаясь растениями, которые иначе были бы для него недоступны. Легкие также оказываются полезными, когда воды в естественной болотистой среде обитания рыбы становится мало.

Целакант, илистый прыгун и австралийский рогозуб – это увлекательное окно в наше прошлое, показывающее, как виды экспериментировали с различными способами извлечения кислорода. Без кислорода и способа его извлечения ни нас, ни большинства видов, живущих вокруг нас, не было бы вовсе.

Перекресток, где встречаются наше существование, кислород и дыхание, интересен не только как история, но и как дорожная карта, указывающая нам путь в будущее. Выдающиеся ученые предупреждают нас, что жизнь на нашей планете уязвима, что в любой момент астероид или ядерная война могут стереть нас всех с лица земли. Они предупреждают, что когда-нибудь судьба человечества, да и всех видов, возможно, будет зависеть от того, сможем ли мы покинуть планету.

Для этого мы, конечно, должны подумать о наших легких. Сейчас, примерно 400 млн лет спустя, мы снова столкнулись с вызовом, которому успешно противостояли илистый прыгун, целакант и рогозуб, – научиться выживать в негостеприимной окружающей среде. К сожалению, мы не можем изменить наш орган извлечения энергии так, как это сделали они, но мы можем попытаться сделать токсичную атмосферу более благоприятной.

В качестве первого кандидата на колонизацию рассматривается Марс, а технический процесс превращения атмосферы на этой планете в подходящую для людей называется терраформированием. Существует множество препятствий, в том числе крайне низкая температура и малая сила притяжения по сравнению с Землей. Но еще большей проблемой является сама атмосфера Марса, которая состоит на 95 % из углекислого газа, на 2,7 % из азота, на 1,6 % из аргона и всего на 0,13 % из кислорода. Кроме того, воздух чрезвычайно, примерно в 100 раз, более разреженный, чем на Земле. Поэтому нам придется каким-то образом сделать атмосферу более плотной и наполнить ее кислородом.

Один из планов, разрабатываемых NASA, называется «Эксперимент по добыче кислорода на Марсе из местных ресурсов» (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), или MOXIE для краткости. Идея заключается в том, чтобы производить кислород из углекислого газа, как это делает дерево, используя электричество для запуска реакции превращения углекислого газа в кислород. Уже есть планы установить небольшую версию аппарата MOXIE на ровере, отправить ее на Марс и отслеживать, чтобы обеспечить правильное функционирование. Затем можно было бы построить аппарат гораздо больших размеров, который помог бы создавать кислород как в качестве топлива, так и для наполнения атмосферы{24}.

Другая идея насчет того, как можно было бы привнести кислород в окружающую среду на Марсе, заключается в том, чтобы установить биокуполы по всей планете, а затем привезти туда микробы с Земли, чтобы они делали то, что миллионы лет делают на нашей планете. Самым лучшим кандидатом, скорее всего, был бы вид цианобактерий, таких, которые уже живут здесь в экстремальных условиях. Азота, их природного топлива, на Марсе предостаточно. Потом производство кислорода в биокуполах стали бы отслеживать, и, если эксперимент окажется успешным, можно будет построить гораздо больше таких конструкций{25}.

Для того чтобы этот произведенный кислород не покинул планету, потребуется создать более плотную атмосферу. Ученые считают, что создание магнитной сферы вокруг планеты, защитного плаща из электромагнитных волн, подобно тому, что окружает Землю, позволит задерживать разрушительную радиацию Солнца и минимизировать влияние солнечного ветра. Физический щит, излучающий защитные магнитные волны, нужно будет расположить в наиболее подходящем месте между Солнцем и Марсом. В случае успеха он позволит накопить существующий углекислый газ и вновь образующийся кислород, благодаря которым планета сможет нагреться, а давление воздуха увеличиться. Есть надежда на то, что это поможет растопить льды, которые в настоящее время ограничены полярными шапками Марса, и снова выпустить воду на планету.

Все это может казаться фантастикой, но есть достаточные основания полагать, что терраформирование будет успешным и через несколько сотен лет мы сможем постоянно жить на Марсе. Проблемы – это атмосфера, легкие и дыхание, проблемы, которые существуют с самого начала жизни на Земле. В первый раз эти вопросы были решены эволюцией; на этот раз необходимы технологии.

Глава 2

Мы должны вдыхать и выдыхать. Но почему?

Помню, как темной январской ночью, где-то после полуночи, я зашел в спальню и посмотрел на нашего первенца, дочку, лежащую в колыбельке, родившуюся в канун Нового года, которой еще и двух недель от роду не было. Серебристый лунный свет проникал в окно, освещая ее очертания. Ее глазки были плотно закрыты, ручки закинуты за головку в извечном жесте, головка слегка повернута вправо. Ее упоительный запах новорожденного вызвал у меня восторг и умиротворение.

Как и миллионы родителей до меня, я думал о безмятежности сна новорожденного, его восстанавливающей глубине, однако я также инстинктивно проверил функцию, чтобы убедиться, что, несмотря на внешнее спокойствие, жизнь не угасла. Это означало посмотреть на животик, чтобы убедиться, что дочка дышит. Конечно же, она дышала: ее грудная клетка и животик ритмично поднимались и опускались под одеяльцем плавными движениями, которые для всех нас означают жизнь.

Когда мы наблюдаем за спящими любимыми, старыми или юными, людьми или домашними животными, мы инстинктивно обращаем внимание на их дыхание. В этом есть что-то существенное, на что все мы настроены, что-то, что мы автоматически и неосознанно приравниваем к жизни. Каждый раз, когда мы проверяем друг друга, мы подтверждаем слова римского философа Цицерона: Dum spiro, spero, что означает «пока дышу, надеюсь»{26}.

Физиологически то, что мы наблюдаем, – это чудо газообмена. Мы забираем из атмосферы невидимый элемент и вводим его в наш организм для потребления. Этот процесс запускается по сигналу от ствола головного мозга, примитивной части мозга в основании черепа. Этот сигнал передается по нервам к мышцам, ответственным за вдох, и дает им команду сократиться. Самая большая и важнейшая из этих мышц – диафрагма, тонкая, в виде купола, плоская скелетная мышца, отделяющая грудную клетку (грудную полость) от брюшной полости.

С каждым сигналом диафрагма сокращается, опускаясь и вытягивая грудную клетку и легкие. При этом в трахее и тканях легких создается отрицательное давление, за счет которого воздух устремляется внутрь, как течет вода в реке. Заходя через рот или нос, воздух проходит по задней части горла, мимо голосовых связок и попадает в трахею. Примерно на полпути за грудиной трахея разделяется на левый и правый бронхи, которые разделяются снова и снова на бронхи меньших размеров, называемые бронхиолами. Воздух проходит через бронхиолы, уходящие глубоко в легкие, как струйки материи от взрыва звезды в космосе, пока, наконец, не проникает в похожие на пещерки закоулки глубоко в легких. Они называются альвеолами и напоминают пчелиные соты. Именно в этих похожих на виноград кластерах на конце все сильнее и сильнее сужающихся дыхательных трубок происходит газообмен.

Дыхательная система человека[3]

Продолжая свой естественный поток из зоны высокой концентрации в зону низкой концентрации, кислород беспрепятственно проходит сквозь тонкую поверхность альвеол, толщиной всего в одну клетку, в соседние капилляры. Там его захватывают тысячи голодных эритроцитов, а сердце перекачивает их в артерии, а затем к тканям органов, которые пронизаны обширной сетью капилляров. На уровне тканей кислород выскакивает из эритроцитов и проникает через капилляры в клетки органа или мышцы, находящихся поблизости.

Внутри каждой клетки находятся митохондрии, специализированные органеллы, в которых происходит клеточное дыхание: там кислород соединяется с глюкозой с образованием углекислого газа, воды и АТФ. АТФ является нашим основным источником энергии. Благодаря молекуле АТФ возможны многие процессы нашего организма, включая сокращение мышц, производство ферментов и движение молекул внутри наших клеток. АТФ запускает эти процессы путем отщепления одной из своих фосфатных групп, электроны которой находятся в высокоэнергетическом состоянии, и передавая эту энергию для активации необходимых процессов в клетке. Теперь, став аденозиндифосфатом, она возвращается в митохондрии, чтобы снова стать высокоэнергетическим трифосфатом в ходе непрекращающегося процесса клеточного дыхания.

Побочным продуктом использования кислорода и клеточного дыхания является углекислый газ (CO₂), который в процессе диффузии переходит из клетки в кровь и снова в капилляры, по которым кровь теперь поступает в вены. Не используемый организмом, CO₂ доставляется обратно в легкие нашей венозной системой и также за счет диффузии переходит в альвеолы. Оттуда воздух, теперь уже содержащий другую смесь газов, на выдохе при расслаблении диафрагмы выталкивается наружу через сеть бронхиол и бронхов и, наконец, изгоняется изо рта или носа снова в атмосферу. CO₂ легко рассеивается в воздухе, где его концентрации очень низки – 0,04 % от всех газов атмосферы. Концентрация кислорода в атмосфере остается на сравнительно стабильном уровне – 21 %, поэтому на следующем вдохе мы сможем снова наполниться этой молекулой жизни. (Остальную часть атмосферы практически полностью составляет азот, безвредный, но и бесполезный для нас газ.)

Газообмен на уровне альвеол[4]

Наше ухо так точно настроено на дыхание спящих близких, потому что мы инстинктивно пониманием его важность: питаться мы можем нерегулярно, но дыхание должно быть непрерывным. Эта система должна быть идеально скоординирована, так как концентрации газов в нашей крови не должны выходить за пределы очень узкого диапазона значений. Рецепторы в аорте и сонной артерии постоянно контролируют уровни кислорода и углекислого газа и посылают сигналы обратной связи в дыхательный центр в стволе головного мозга. Даже малейшее изменение в уровнях газа будет инициировать больше или меньше сигналов на наши мышцы, управляющие дыханием. В кору головного мозга, высший отдел мозга, также подается сигнал обратной связи о процессах в дыхательном центре ствола мозга, оповещая нас о любой надвигающейся опасности. При этом возникает знакомое всем нам тревожное ощущение, если наш мозг чувствует, что с уровнями кислорода или углекислого газа что-то не так, например, когда мы задерживаем дыхание.

Углекислый газ – это то, что вызывает большинство симптомов при задержке дыхания, потому что при этом он начинает накапливаться в нашей крови и превращаться в кислоту. Эта кислота токсична для наших клеток, особенно когда начинает связываться с белками и другими молекулами, с которыми связываться не должна, препятствуя нормальному функционированию клеток. Если продолжать задерживать дыхание, проблемой также становится недостаток кислорода, и так как клеточное дыхание в наших митохондриях в случае нехватки кислорода прекращается, наступает клеточная смерть. Особенно чувствительны к этому клетки сердечной мышцы, и в экстремальных случаях, при слишком высокой концентрации углекислого газа или слишком низкой концентрации кислорода, может возникнуть сердечная аритмия. Дыхание – это самый важный процесс из тех, что мы осознаем, и организм строго следит за ним.

Основы нашего понимания этих легочных процессов, да и всей западной медицины, были заложены в Древней Греции. После мифических персонажей, Аполлона и его сына Асклепия, чей жезл является сегодня символом медицины, первой легендарной, но реальной фигурой в истории медицины стал Гиппократ, родившийся в 460 г. до н. э. на греческом острове Кос. Он навеки прославился тем, что придумал клятву, которую все врачи до сих пор дают, когда получают диплом, и заслуженно известен как «отец медицины» за то, что осознал: болезнь является следствием природных процессов, а не результатом действия магии или богов{27}.

Гиппократ размышлял над многими анатомическими системами, а также изучал дыхание. Он понял, что вдыхание воздуха имеет основополагающее значение для жизни. По этой причине Гиппократ и греки считали воздух жизненно необходимым и уникальным. Они называли его пневма (pneuma), что буквально означает «воздух» или «дыхание», но для древних греков это слово также означало «жизненная сила». Эту пневму вдыхали, она проходила через легкие в кровь и далее в сердце, где становилась пневмой зотикон (pneuma zoticon), или жизненным духом. Затем этот жизненный дух переносился в органы, в том числе в печень и мозг, где превращался в пневму психикон (pneuma psychicon), или животный дух, который считался движущей силой, создаваемой телом из воздуха. От духа (воздуха или пневмы) к жизненному духу и к животному духу – греки и Гиппократ прозорливо считали, что, по сути, наше существование неотделимо от атмосферы{28}.

Следующей великой фигурой, изменившей наши представления о дыхании и кровообращении, стал Клавдий Гален, живший примерно на 500 лет позже Гиппократа. Более известный просто как Гален, он родился в сентябре 129 г. н. э. в городе Пергаме недалеко от Эгейского моря, который сейчас находится на территории Турции. Его отец, богатый патриций, изначально планировал, что сын станет философом и государственным деятелем. Эти планы изменились, когда во сне отцу явился врач Асклепий из мифов и наказал, чтобы его сын начал изучать медицину. Отец не жалел средств, и Гален обучался в самых лучших учебных заведениях по всей Римской империи.

Закончив учебу, Гален начал практиковать в Пергаме. Он стал личным врачом гладиаторов верховного жреца Азии, совершив дерзкий поступок. По его собственным словам, он извлек внутренности из обезьяны, а затем бросил вызов другим врачам – сможет ли кто-то из них устранить повреждения. Когда никто не вызвался, он самостоятельно провел операцию, успешно восстановив обезьяну и завоевав расположение верховного жреца. Позднее он переехал в Рим и стал личным врачом нескольких императоров, в частности Коммода, который правил с 161 по 192 г. н. э.

Гален внес свой вклад во многие области медицины, а также расширил наше понимание легких и системы кровообращения. Он заметил, что «кровь, проходя через легкие, впитывает из вдыхаемого воздуха качество тепла, которое затем переносится в левое сердце»{29}. Римский закон запрещал анатомирование человеческих тел, но Гален делал вскрытия приматов и свиней. Он первым описал две отдельные системы кровообращения – артерии и вены. Он считал, что печень, темно-фиолетовая внутри, является местом, где образуется кровь. Из печени, предположил он, половина крови выходит в вены, доставляется к тканям и поглощается. Другая половина идет по вене в легкие, где захватывает пневму, затем к сердцу, артериям и к тканям.

Несмотря на то что теории Галена о кровотоке окажутся частично ошибочными, его работы были важны, как и у Гиппократа, благодаря своей методологии. Гален зацементировал представление о том, что лечение и болезни не результат божественного вмешательства, а могут быть распознаны по эмпирическим свидетельствам и путем умозаключений на основании наблюдений и анализа причинно-следственных связей. Тем не менее прошло более тысячи лет, прежде чем его идеи о движении кислорода в кровообращении были исправлены.

По несколько ироничному контрасту с принципами Галена на протяжении веков его идеи воспринимались как доктрина, в частности, идеи о потоке крови как в артерии и вены, так и в печень, эпицентр производства крови. К счастью, мысль о важности дыхания также не изменилась, о чем свидетельствуют слова ученого эпохи Возрождения Алессандро Бенедетти, поэтически написавшего в 1497 г.: «Как печень превращает лимфу, так легкое превращает дыхание в пищу для жизненного духа»{30}.

Человеком, который изменил наше понимание кровотока, был Уильям Гарвей, английский врач, получивший образование в Падуе, Италия. Он, как и Гален, был масштабной личностью и часто ходил с кинжалом на поясе, как это было в моде в хаотичной Италии эпохи Возрождения. Он был невысокого мнения о своих собратьях, а биограф, живший в то же время, утверждал: «Он имел обыкновение говорить, что человек – это всего лишь большой шаловливый павиан»{31}.

Завершив обучение в Италии и обосновавшись в Англии, Гарвей опубликовал в 1628 г. книгу «О движении сердца и крови» (De Motu Cordis et Sanguinis), тем самым закрепив свою репутацию гиганта в истории медицины. Эта работа была основополагающей для нашего понимания основных физиологических принципов движения крови в организме. У Гарвея было два революционных озарения. Он отмечал, что от своего итальянского наставника узнал: все вены имеют клапаны одностороннего действия, направленные от тканей и органов в сторону сердца. Почему венозная система, которая, согласно постулату Галена, приносила кровь к органам так же, как это делали артерии, имела обратные клапаны, не подпускающие кровь к этим частям тела, было нелегко объяснить.

Второе важное наблюдение Гарвей сделал, усердно анатомируя людей и животных. Он подсчитал, что сердце перекачивает намного больше крови, чем считалось ранее, примерно 5 л в минуту. Он правильно рассудил, что ткани не могут потреблять такой объем крови каждую минуту, как считал Гален. Ему требовалось более разумное объяснение, простая, но элегантная система – и это противоречило догмам, существовавшим в течение 1500 лет. Поэтому он предложил нечто часто встречающееся в природе: систему повторного использования и переработки, систему непрерывного потока, кругооборот, или, как мы ее сейчас называем, кровообращение. Кровь не потребляется тканями – она используется снова и снова.

Как правильно заключил Гарвей, кровь движется по кругу. По артериям она попадает в ткани, где кислород выпрыгивает из молекул гемоглобина, а углекислый газ запрыгивает в них, затем по венам уносится в правую часть сердца, оттуда через легочную артерию в легкие, где углекислый газ, образовавшийся в процессе тканевого дыхания, высвобождается, а кислород захватывается, потом в левую часть сердца и снова наружу через обширную артериальную систему обратно к тканям. Кровь непрерывно циркулирует в красивой петле, при этом костный мозг (а не печень) создает новые красные и белые кровяные клетки по мере необходимости.

Эта идея сначала была воспринята как научная ересь из-за главенствовавших тогда взглядов Галена. В ответ на широко распространенные сомнения в мае 1636 г. Гарвей прочитал лекцию, которая примечательна тем, что была столь же поучительной, сколь и шокирующей. В развевающемся белом халате для препарирования, он обращался к собравшимся в Альтдорфском университете в Баварии, Германия, профессорам, студентам и широкой публике на латыни. Сначала на секционный стол положили и закрепили на нем ремнями живую собаку. Далее Гарвей заявил: «Очевидно, что наблюдать за движением и функцией сердца легче на живых животных, чем на мертвых людях». Сказав это, он вскрыл ножом грудную клетку извивающейся собаки, чтобы обнажить бьющееся сердце, а затем перерезал у сердца кровеносный сосуд, чтобы показать зрителям, какое огромное количество крови начало выплескиваться наружу. Он стремился втолковать свою идею о том, что сердце – это насос и что такое количество крови не может быть потреблено тканями, а должно циркулировать{32}.

Система кровообращения[5]

Несмотря на это эффектное представление, многие современники Гарвея продолжали сомневаться. Каспар Гофман, ученый, присутствовавший на его лекции в Альтдорфском университете, заявил: Video sed non credo («Вижу, но не верю»). Другие критики указывали на то, что его теория не заработает, если Гарвей не объяснит два важнейших, но пока необъяснимых момента. Первым было то, что между артериями на одном конце и венами на другом должна была существовать какая-то сеть сосудов. Сейчас мы знаем о капиллярах, но у Гарвея не было инструментов, с помощью которых можно было бы увидеть или открыть эти крошечные кровеносные сосуды. Он сделал обоснованное предположение, которое так часто необходимо в науке. Подтверждение последовало вскоре, в 1661 г., когда Марчелло Мальпиги опубликовал свою работу «Анатомические наблюдения за легкими» (De Polmonibus Observationses anatomicae), подтвердив с помощью микроскопа, что капилляры действительно существуют.

Второй неизвестный момент – почему и как кровь изменяет окраску от темной на светлую. И здесь Гарвей смутно подозревал, что что-то существенное в атмосфере, втягиваемой легкими, превращало синеватую кровь в ярко-алую. Тогда никто не имел представления о роли кислорода, но Гарвей интуитивно понимал это и описал в «Лекциях по полной анатомии» (1653), когда сделал проницательное наблюдение: «Жизнь и дыхание дополняют друг друга. Все живое дышит, а все, что дышит, – живет».

Установить, что же такое легкие и тело должны были захватывать из атмосферы, удалось нескоро. Древние греки считали воздух одним из четырех классических элементов, наряду с огнем, водой и землей. На протяжении последующих веков считалось, что воздух – это единое вещество. Только в XVIII в. ученые начали эксперименты по выделению различных химических элементов, в том числе содержащихся в воздухе. Одним из первооткрывателей кислорода считается Джозеф Пристли. Он проводил эксперименты в 1774 г., а затем в течение следующих нескольких лет публиковал информацию о них в журнале «Эксперименты и наблюдения о различных типах воздуха» (Experiments and Observations on Different Kinds of Air). Один из этих экспериментов документально подтвердил, что в запечатанной банке с воздухом умирает мышь и затухает пламя свечи. Затем Пристли создал новый газ, фокусируя свет с помощью аппарата, похожего на лупу, на куске оксида ртути, и заметил, что этот новый газ поддерживал и горение свечи, и мышь живой намного дольше, чем обычный воздух. Пристли поделился своими наблюдениями с французским ученым Антуаном Лавуазье, который проведет дальнейшие эксперименты по очистке воздуха и подарит нам термин кислород