Минулого разу ми почали говорити про біологічні рідини і зупинилися на дифузії. Дифузія — це рух частинок. Частинки і вся матерія завжди знаходяться в русі, поки не наткнуться на перепону, від якої відскакують і продовжують рух в іншу сторону. Рух вимірюється температурою: чим сильніший рух, тим гарячіше, і навпаки.
Дифузія — це рух частинок, але нас конкретно цікавить результуюча або спрямована дифузія. Якщо у нас є висока концентрація однієї речовини в одному місці і відносно низька концентрація тієї ж речовини в іншому місці, то частинки цієї речовини будуть рухатися з місця високої концентрації в місце низької концентрації.
Принцип дифузії легко зрозуміти на простому прикладі. Якщо взяти мензурку з водою і додати пару крапель синього харчового барвника, то барвник почне рухатися із зони високої концентрації (де краплі) в зону низької концентрації (решта води). Це відбувається тому, що в місці, де краплі, більше частинок барвника, ніж в іншій частині мензурки. Кожна частинка дифундує вниз за власним градієнтом концентрації. У результаті маємо спрямований рух в одну сторону. Як тільки концентрація барвника стане однаковою в усій ємності, результуюча дифузія припиниться. Сам процес дифузії буде продовжуватися, частинки також будуть рухатися, але рух в одному напрямку буде приблизно рівним переміщенню в іншу сторону, а підсумковий результат наближатиметься до нуля.
Говорячи про дифузію, ми маємо на увазі рух частинок із зони високої концентрації в зону низької концентрації. Це дуже важлива ідея щодо нашого тіла і руху речовин по біологічних рідинах. Адже всі речовини, як правило, рухаються вниз по своєму градієнту концентрації. Візьмемо, наприклад, кисень. Кисень рухається по вашому тілу виключно за допомогою дифузії. У жодній ситуації ми не переносимо кисень цілеспрямовано. Всі гази: кисень, вуглекислий газ, азот тощо — просто рухаються із зон високої концентрації в зони низької концентрації, вони лише рухаються вниз по своєму градієнту концентрації, точно так, як синій барвник у мензурці води.
Якщо нам потрібно доставити кисень до клітин, то найвища концентрація кисню буде в атмосфері, а найнижча — всередині клітин. Кисень почне рухатися з атмосфери в альвеолярні мішки наших легень, потім з альвеолярних мішечків у кров. Кров, звичайно ж, циркулює по тілу (циркуляція не залежить від кисню). Потім кисень потрапляє в кровоносні судини поруч з тканинами і дифундує за межі судин у тканинну рідину, а з тканинної рідини — всередину клітин. І все це відбувається строго за градієнтом концентрації: кисень рухається із зони вищої концентрації в зону нижчої концентрації, точно як і синій барвник. Найнижча концентрація кисню буде всередині клітин, тому що там він використовується. Ми використовуємо кисень для розриву ковалентних зв’язків, для окислення. Ми постійно спалюємо паливо всередині клітини, і нам необхідний цей кисень. Ми беремо глюкозу (C₆H₁₂O₆) і окислюємо її шістьма молекулами кисню (6O₂), у результаті чого утворюються шість молекул вуглекислого газу (6CO₂) і шість молекул води (6H₂O). У клітині, де відбувається процес окислення, кисень постійно використовується. Після окислення кисень зникає, оскільки він перетворюється у вуглекислий газ і воду. І кожен тип частинок дифундує за своїм власним градієнтом концентрації.
Кисень дифундує звідти, де його більше, туди, де його менше. Найменше кисню в тілі буде в клітинах, тому що там він спалюється. Далі за концентрацією кисню йде тканинна рідина, потім кров, ще вище — в альвеолярних мішечках легень, і найвища концентрація, звичайно ж, буде в повітрі, в атмосфері. Кисень буде дифундувати за своїм градієнтом концентрації всередину ваших клітин.
Люди часто плутають дифузію з кровообігом та функціями кровоносної системи. Але насправді тут головне — метаболізм, ваші біохімічні процеси. Уявіть вашу маленьку клітину — це маленький моторчик, який виробляє вихлопи, і ці вихлопи є вуглекислим газом. Тому найвища концентрація вуглекислого газу в тілі буде всередині клітин, тобто там, де він утворюється. Потім він дифундує в тканинну рідину, де його менше, потім у кров, де його ще менше. І потім, само собою, кров циркулює до легень, а вуглекислий газ дифундує в альвеолярні мішки, звідки ми його і видихаємо.
Що буде, якщо я перестану дихати, якщо я затримаю дихання? Тоді вуглекислий газ почне накопичуватися в альвеолярних мішечках моїх легень, потім у крові, далі — у тканинній рідині, і нарешті він буде накопичуватися в клітинах. Іншими словами, дифузія припиниться. Ми повинні підтримувати градієнт концентрації в альвеолярних мішечках шляхом безперервного дихання. Якщо ми затримаємо дихання, концентрація вуглекислого газу зросте, градієнт концентрації зникне, і як результат, рух газу в нашому тілі зупиниться. Кров продовжить циркулювати, але користі від цього не буде, тому що ми більше не створюємо потрібний рівень градієнта концентрації.
Практично все, що рухається до клітин і від клітин, рухається завдяки дифузії, тобто рух відбувається від місця з вищою концентрацією до місця з нижчою концентрацією, так само, як і голубий барвник у мензурці з водою. Речовини рухаються із зони високої концентрації в зону низької концентрації. Кожен вид частинок рухається за власним градієнтом концентрації.
У минулий раз ми почали говорити про біологічні рідини і зупинилися на дифузії. Я намагаюся донести до вас, що кисень розсіюється, дифундує по своєму градієнту концентрації з альвеолярних мішечків у кров, а вуглекислий газ по своєму градієнту концентрації, навпаки, буде дифундувати з крові в альвеолярні мішечки. Те, що рух кисню в одному напрямку не має жодного відношення до руху вуглекислого газу в зворотному напрямку. Це два абсолютно різні явища. Згадайте: кожен тип частинок дифундує за своїм власним градієнтом концентрації. Якщо повернутися до прикладу з барвниками, то наявність частинок голубого барвника в одному куті мензурки та їх дифузія в один бік абсолютно не залежить від наявності частинок червоного барвника в іншому куті мензурки та їх дифузії в інший бік. Вони не взаємодіють між собою. Усі дифундують за своїм градієнтом концентрації.
Знання і розуміння на молекулярному рівні вимагає практики, але це одне з тих правил, які ви дійсно повинні усвідомити і осмислити, створивши у своїй уяві реальний візуальний образ. Адже у вашому тілі величезна кількість процесів здійснюється саме завдяки цьому явищу. Якщо у людини зупиняється дихання і кровообіг (серцево-респіраторна зупинка), він більше не здатний підтримувати необхідний рівень градієнта концентрації, і його система в результаті припиняє функціонувати.
Якщо знову взяти приклад з мензуркою води, в якій знаходяться частинки голубого барвника, і вони зосереджені в одному кутку, то в цьому напрямку виникає результуюча дифузія. Водночас починається результуюча дифузія води у протилежному напрямку. Концентрація води буде вищою у кутку з меншою кількістю барвника і нижчою у кутку з більшою кількістю барвника, тому вода дифундує у протилежному напрямку. Частинки голубого барвника займають місце, і відповідно, там буде менше молекул води. В результаті виникає градієнт концентрації води так само, як і виникає градієнт концентрації частинок барвника у протилежному напрямку.
Друге, що я хотів би відзначити стосовно цього дифузійного процесу, — це поняття розчинності. Якщо нам необхідно створити дифузію через певне середовище, частинки повинні бути розчиненими в цьому середовищі. Якщо взяти клітину, в якій є ліпідний бішар, що відокремлює внутрішньоклітинну рідину від позаклітинної рідини (клітинна мембрана з ліпідного шару), і щось знаходиться у високій концентрації ззовні та у низькій концентрації всередині клітини, виникає градієнт концентрації. В результаті цей вид частинок буде прагнути до дифузії з місця високої концентрації в місце низької концентрації. Але спочатку частинка повинна якось пройти крізь клітинну мембрану. Якщо вона нерозчинна в клітинній мембрані, тобто не може пройти через клітинну мембрану, вона просто вдариться об неї і відскочить. Перш ніж дифундувати з позаклітинної рідини у внутрішньоклітинну або навпаки, речовина повинна бути жиророзчинною. В іншому випадку необхідно надати їй якийсь транспорт, наприклад, встановити пропускні ворота у мембрану, мембранний білок, що працює як ворота, канал або насос, здатний закріпити частинку і переправити через мембрану, щось на зразок транспортної молекули.
Уявіть, що ми говоримо про гормони. Гормон, по суті, є клітинним сигналом. Уявіть, що якась клітина виділяє молекулу, а потім ця молекула дифундує через біологічну рідину до іншої клітини в абсолютно іншому місці і впливає на фізіологію цієї клітини. Наприклад, розглянемо гіпофіз на основі вашого мозку. Гіпофіз (hypophysis cerebri) розташований у невеликому кістковому заглибленні в основі мозку, званому турецьким сідлом (Sella turcica). Гіпофіз — це маленька залоза, яка знаходиться у турецькому сідлі. За формою ця маленька краплеподібна залоза, що звисає на тоненькому стеблі з основи вашого мозку в порожнині цього заглиблення. Ця залоза виробляє гормони, які дифундують у вашу кров, потім циркулюють по вашому тілу і потім дифундують з крові в іншу рідинну середу десь в іншому місці, і так по всьому тілу. Конкретний вид гормону потрапляє в яйцеклітини і потім змінює функції клітин яйцеклітини, стимулює дозрівання яйцеклітин, активує певні фізіологічні перемикачі всередині клітин, і зрештою яйцеклітини стають зрілими.
Деякі гормони є стероїдами. Стероїди — це ліпіди, або жири. Оскільки стероїди є жирами, і тому вони можуть безперешкодно проходити через клітинну мембрану, адже вони жиророзчинні. Гормон може вільно проникати через клітинну мембрану і взаємодіяти з внутрішніми механізмами клітини. Однак більшість гормонів є білками. Білок водорозчинний, а не жиророзчинний, адже він не є ліпідом. Білок — це водорозчинна сполука, і тому він не здатний пройти через клітинну мембрану. Йому потрібні рецептори, розташовані на поверхні клітини. Стероїди можуть легко проникати в клітину і безпосередньо взаємодіяти з внутрішньоклітинними рецепторами, але водорозчинні гормони діють на поверхні клітин, взаємодіючи з мембранними рецепторами. Якщо рецептор заблокований, то клітина стає нечутливою до цього типу водорозчинних гормонів.
Здається, що це лише дрібні деталі молекулярних процесів, але насправді вони мають величезне значення. Прямо зараз у мене в голові безліч прикладів ідей, де ці знання застосовуються. Жодну з ідей або концепцій не можна ігнорувати, вважаючи їх непотрібними. Я розповідаю про дифузію, і ви, напевно, думаєте: «Це знову про якусь нудну теорію. Навіщо мені знати про дифузію?» Але важливо зрозуміти, що порушення цих процесів руйнує основні механізми роботи вашого тіла. І ми повертатимемося до цих ідей знову і знову, вивчаючи інші теми.
Ось ще один аспект. Згадаємо про кисень. Нам потрібно доставити кисень до наших клітин. Відомо, що кисень розчиняється у воді. Але звідки ви це знаєте напевно? Тому що хтось десь сказав вам це на уроці хімії? Ні, не зовсім. Як можна дізнатися про це, навіть якщо вам про це ніхто ніколи не говорив?
Як ви зрозумієте, що кисень розчиняється у воді. Просто по рибам. Риби живуть у воді і потребують кисню. Як вони його отримують? Значить, кисень може розчинятися у воді і проникати з атмосфери по своєму градієнту концентрації. Риби споживають кисень з води, знижуючи його концентрацію, що створює градієнт, який забезпечує надходження нового кисню з атмосфери у воду.
Ось приклад. Якось студентка, їдучи на літо, залишила мені золоту рибку. Я забув про зміну води і просто налив у акваріум водопровідну воду, відразу помістивши рибку. Через кілька хвилин рибка плавала догори черевцем. Чому? Воду потрібно було попередньо залишити настоюватися. Це пов’язано з двома причинами. По-перше, свіжа водопровідна вода містить хлор, який є токсичним для риб. Якщо залишити воду на деякий час, хлор випаровується в атмосферу через дифузію, а кисень з повітря надходить у воду, збагачуючи її.
Ви можете легко це перевірити: якщо закип’ятити воду, то під час кипіння з’являються бульбашки — це розчинені у воді гази, які випаровуються при нагріванні. Якщо таку воду охолодити, а потім знову наситити киснем, наприклад, добре струснувши її в банці, вона знову стане придатною для рибки.
Щодо транспорту кисню в організмі: вода в крові сама по собі не може забезпечити достатню концентрацію кисню для клітин. Тому організм використовує гемоглобін — білок, що добре розчиняється у воді. Гемоглобін зв’язує кисень, дозволяючи транспортувати його в значно більшій кількості, ніж могла б вода сама по собі. Таким чином, ми збільшуємо ефективність перенесення кисню і задовольняємо потреби наших клітин.
Тепер поговоримо про інші способи транспортування речовин у нашому тілі. Перший і найосновніший спосіб перенесення речовин, як ми вже казали, — це дифузія, тобто рух речовини за градієнтом концентрації. Другий спосіб транспортування — це активний транспорт. По суті, це насоси, які перекачують речовини через клітинну мембрану. Наприклад, один із найважливіших типів насосів, про який варто згадати, — це натрій-калієвий насос. Він перекачує іони натрію назовні, а іони калію — всередину клітини.
Є два основних моменти, які потрібно пам’ятати про насоси. Їхній принцип роботи такий самий, як і у звичайних насосів, які ми використовуємо щодня. Наприклад, у вашому автомобілі є паливний насос, що перекачує бензин із паливного бака до двигуна. Або ж насос, який перекачує охолоджувальну рідину з радіатора. Навіть у підвалі будинку зазвичай є насос, що відкачує воду, яка просочується з ґрунту.
Перше, що важливо запам’ятати: для роботи насоса потрібна енергія. Без джерела живлення він не працюватиме. Друге: насоси переміщують речовини проти градієнта концентрації. Якщо дифузія сприяє руху частинок від місця з високою концентрацією до місця з низькою, то активний транспорт працює навпаки — речовини переміщуються з області низької концентрації в область високої. Іншими словами, ми ніби качаємо речовини «вгору по схилу», збільшуючи їх концентрацію.
Уявіть, що ми всі знаходимося в цій аудиторії. Якщо раптом у кутку вибухне димова шашка, то в цьому місці буде висока концентрація диму. Дим поступово розсіється по всій кімнаті, рухаючись від зони високої концентрації до зони низької. А тепер уявімо, що ми вмикаємо вентилятор — він, як насос, буде активно виводити дим назовні, перекачуючи повітря з менш задимленого місця в більш задимлене.
Цей приклад нагадує мені одну історію. Одного разу навесні, коли я викладав курс, у нас у аудиторії був старий прожектор, і в його промені добре було видно дрібні частинки пилу. Під час лекції я помітив, як у світлі променя видно потоки диму, які пливуть у повітрі. Незабаром студенти почали кашляти. Перша думка була, що десь пожежа, тому я сказав студентам залишити приміщення. Але в коридорі не було ні запаху диму, ні сигналу тривоги.
Я вийшов назовні та побачив, що кілька працівників вирішили влаштувати барбекю прямо біля вентиляційного отвору, що всмоктував повітря в аудиторію. Вони подумали, що витяжка забере дим, але насправді вона просто нагнала його в аудиторію. Цей випадок добре ілюструє, як насоси можуть працювати в неправильному напрямку, переміщуючи речовини в небажані місця.
Тепер, розуміючи ці принципи, давайте поговоримо про кров. Адже основна функція кровообігу — це оновлення рідинного середовища навколо клітин. Кровообіг необхідний, щоб постійно постачати клітинам поживні речовини і видаляти відходи їхньої життєдіяльності.
Кров проходить через легені, де позбавляється вуглекислого газу і насичується киснем. Потім вона циркулює до нирок, які фільтрують відходи. Далі кров йде до кишечника, де насичується поживними речовинами. Таким чином, кров виконує роль транспортної системи, постійно оновлюючи рідинне середовище організму.
Багато хто вважає, що головна функція серця — це просто перекачування крові. Насправді, серце грає роль насоса, який оновлює рідинне середовище навколо клітин. Воно забезпечує надходження необхідних речовин і виведення відходів, а це і є основна мета кровоносної системи. Просто циркуляція крові по судинах без оновлення її складу була б марною.
Об’єм крові у вашому тілі близько 80-85 мілілітрів на кілограм ваги. Не треба просто записувати це на автопілоті і думати: «Ось ще одне число, яке я повинен запам’ятати». Подумайте, про що я кажу. Для початку, скільки це — 80-85 мілілітрів? В банці для содової — 350 мілілітрів. 80 помножити на 80 буде 320, тобто таким чином маємо близько чверті банки содової на кілограм ваги. Згадайте про пачку масла. Зазвичай стандартна пачка масла важить 250 грамів, тому виходить, що на масу тіла, еквівалентну чотирьом пачкам масла, припадає чверть банки содової, тобто 80-85 мілілітрів крові на кілограм ваги. А скільки важить середня людина? У фізіології, коли ми думаємо про масу тіла, як стандарт для середнього чоловіка зазвичай беруть 70 кілограмів, це, зазвичай, худа особа чоловічої статі, тобто молодий чоловік. У фунтах це близько 150 (70 помножити на 2,2). Якщо помножити 70 кілограмів на 80 мілілітрів на кілограм, отримаємо 5600 мілілітрів крові, тобто близько 5,5 літрів. Якщо важко уявити цей об’єм, уявіть два трилітрових бутилки: один повний, а інший неповний на півлітра. Здається багато. Я завжди для порівняння думаю про крововтрату. Наприклад, ви стали свідком аварії і бачите людину, яка стікає кров’ю. Просто подумайте: якщо людина втрачає 100-200 мілілітрів крові, уявіть, 200 мілілітрів — це повний стакан. Якщо я виллю стакан крові на когось, ви подумаєте: «Чорт, він же зараз помре від втрати крові». Звісно ж, порівняно з 5,5 літрами крові це дрібниці. Наприклад, якщо ви є донором і здаєте кров, скільки у вас зазвичай беруть? Зазвичай кажуть «одна одиниця». А коли кажуть «одна одиниця», скільки це? Це 500 мілілітрів, тобто півлітра. Іншими словами, це 10% від п’яти літрів. Так що у вас забирають майже 10% від загального об’єму крові. Якщо подивитися на цифри, здається, що це не так вже й багато. А ось якщо б ви лежали в калюжі крові, і я вилив би на вас півлітра крові, то, чорт забирай, створилося б враження, що у вас страшна крововтрата, хоча це лише неповні 10% від вашого об’єму крові. Ваш організм здатен витримати досить серйозну втрату крові без значних наслідків. Якщо ви втрачаєте два літри, тоді, звісно, вже варто трохи насторожитись. Просто уявіть: два літри — це дуже багато крові.