Минулого разу ми говорили про клітини як про компоненти нашого тіла, схожі на маленькі машини. Ми говорили про клітини, про те, що ці клітини повинні перебувати в постійному середовищі. Клітини використовують матеріали з цього середовища, постійно їх поглинаючи: будівельні матеріали для створення нових частин, енергетичні субстрати для спалювання і виробництва енергії, щоб весь механізм працював. Також клітини постійно виробляють відходи або інші продукти, які вони виділяють у це середовище, і всі ці продукти накопичуються там. Матеріали, що потрапляють у клітину, виснажують середовище навколо клітини, тоді як матеріали, що залишають клітину, накопичуються в цьому середовищі.
Необхідно постійно розбавляти цю рідину свіжою рідиною, таким чином поповнюючи запаси поживних речовин та енергетичних субстратів, одночасно виводячи звідти продукти життєдіяльності клітини. Таким чином, ми підтримуємо внутрішню сталість середовища. Ми говорили, що можна думати про це як про динамічну рівновагу або як про підтримання гомеостазу. Динамічне означає змінне, рівновага означає сталість — змінна сталість. Через те, що окремі компоненти використовуються, а інші виробляються, ми спостерігаємо змінний фактор, але водночас рідина навколо клітин постійно освіжається, що підтримує це середовище сталим, приносячи нове і виводячи старе.
Саме цим займається наше тіло, це його головна мета — підтримувати сталий склад середовища. Згадайте про травну систему: ви їсте їжу, і ваша травна система розщеплює її за допомогою різних механізмів, потім переміщує перетравлені матеріали у позаклітинну рідину, рідину вашого організму навколо ваших клітин. Таким чином, поживні речовини потрапляють з травної системи до ваших клітин. Або сечова система, наприклад: циркулююча рідина проходить через сечову систему, через нирки, які, у свою чергу, регулюють склад її компонентів. Сечова система забезпечує регуляцію позаклітинної рідини. Дихальна система, наприклад, легені, забезпечує газообмін з навколишнім середовищем, постачаючи позаклітинну рідину достатньою кількістю кисню і виводячи з неї вуглекислий газ у вигляді відходів. Нервова система координує всі процеси в організмі, спонукаючи нас робити те, що потрібно, спонукаючи нас їсти те, що потрібно, щоб ми забезпечували клітини необхідними поживними речовинами. Нервова система забезпечує адекватність роботи різних частин організму, кров’яного тиску, частоти серцевих скорочень, і все це для того, щоб підтримувати потрібний рівень циркуляції позаклітинної рідини.
Кровоносна система забезпечує цю саму циркуляцію. Серце постійно прокачує позаклітинну рідину поруч з усіма вашими клітинами, щоб освіжити їхнє середовище, щоб підтримувати це середовище сталим. Виходячи з цього, хвороба — це нічого інше, як порушення цієї самої системи. При респіраторних захворюваннях виникають відхилення в газовому середовищі, при травних — у поживному, при ниркових — накопичення відходів і порушення підтримки нормальної концентрації компонентів тощо. При захворюваннях органів кровообігу, наприклад, при серцевому нападі, якщо серце повністю зупинилося, то середовище навколо клітин стає непридатним через три-чотири хвилини, і після цього клітини розпадаються безповоротно. Цього року ми будемо говорити про те, наскільки добре ця система здатна підтримувати сталу внутрішню середу.
Далі я хотів би переміститися на інший кінець спектра і поговорити про хімію, про хімічні компоненти нашого тіла і про те, як усе це працює. Обговоримо спочатку деякі базові принципи хімії тіла і хімії загалом. Спочатку давайте поговоримо про молекули. Кожен знає про атоми, про базові одиниці речовини, вони класифіковані в таблиці Менделєєва. Атоми «зачеплюються» разом і створюють молекули. Коли ми говоримо про молекули, саме це ми і маємо на увазі. Прикладами таких молекул є вуглеводи, білки, жири та інші компоненти. Потім ці молекули скріплюються разом і створюють компоненти ваших клітин. Якщо вам легше уявляти молекули як шестерінки, важелі чи ручки, де один елемент обертає інший, інший тягне третій, третій натискає на четвертий, і тоді щось відбувається, будь ласка. Головне, щоб ви думали про клітину як про механізм.
Життя — це означає складатися з клітин, у яких постійно працює безліч маленьких деталей. І коли ці деталі зупиняються, це є кінець життя, це і є смерть. Адже якщо хтось помирає, це означає, що його клітини припинили працювати. Клітини є одиницею життя. Життя — це рух цього механізму.
Коли ви уявляєте компоненти клітини, думайте про ці молекули. Якщо ми складемо атомну масу всіх атомів у молекулі, ми отримаємо так звану молекулярну масу, тобто масу цієї молекули в якихось одиницях атомної маси. Розглянемо на прикладі глюкози, базової форми цукрів, її молекули постійно плавають у нашій позаклітинній рідині. Уявляйте ці образи: позаклітинну рідину, яка тече поруч з клітинами, постійно омиваючи ці клітини, і в цій рідині знаходиться глюкоза, молекули цукру. Клітини використовують ці молекули цукру для спалювання в якості джерела енергії, а також як ресурси для побудови інших компонентів. Хімічна формула глюкози — C6H12O6 : шість атомів вуглецю, дванадцять атомів водню і шість атомів кисню. Атомна маса вуглецю — дванадцять, водню — один, кисню — шістнадцять. Якщо все це скласти, отримаємо молекулярну масу сто вісімдесят. Цю молекулярну масу ви повинні знати напам’ять. Головне, щоб ви орієнтувалися в відносних розмірах молекул. Наприклад, молекулярна маса води — вісімнадцять. Якщо я попрошу вас уявити глюкозу, що плаває у воді, то, знаючи молекулярну масу обох молекул, ви зможете уявити більш точну картину. Молекула глюкози буде приблизно в десять разів більше молекули води.
Грубо кажучи, молекулярна маса води — вісімнадцять. Уявіть ці молекули. Тепер, уявляючи глюкозу в позаклітинній рідині, ви зможете точніше співвіднести розмір. Якщо ми уявимо створення білків з амінокислот, то варто пам’ятати, що молекулярна маса більшості амінокислот десь в районі трьохсот-чотирьохсот. Якщо у нас у воді плаває амінокислота, і її молекулярна маса — чотириста, можете уявити, наскільки великою буде ця молекула амінокислоти порівняно з глюкозою і тим більше з водою. Тепер беремо багато таких амінокислот і з’єднуємо їх разом в ланцюг, щоб зробити білок. Щоб зробити білок, потрібно взяти амінокислоти, з’єднати їх разом, як намистинки на нитці, об’єднати в єдиний ланцюг, і в результаті у нас будуть сотні амінокислот у цій молекулі білка. Якщо молекулярна маса амінокислоти складає чотириста, а їх у нас, скажімо, сто штук, отримаємо сорок тисяч. Тепер ви можете порівняти, наскільки великий білок порівняно з глюкозою і порівняно з водою.
Якщо не виходить уявити, спробуйте з чимось, що ви знаєте. Уявімо вісімнадцятикілограмову гирю — це наша молекула води. Потім уявіть невеликого ведмедя гризлі масою сто вісімдесят кілограмів, який буде нашою молекулою глюкози. А тепер, по-вашому, що важитиме сорок-п’ятдесят тисяч кілограмів? Велика навантажена фура або автопоїзд цілком може важити п’ятдесят тонн. Тепер у нас поруч стоїть гиря, ведмідь і навантажений автопоїзд. Тепер вам легше уявити, наскільки білок більший за молекулу води. Якщо я просто скажу, що білок важить сто тисяч або що його молекулярна маса складає сто тисяч, ви, можливо, просто запам’ятаєте це число. Але якщо це не має візуальної аналогії, то запам’ятовувати це безглуздо. Якщо ви знаєте молекулярну масу різних речей, тоді ви можете порівняти їх і створити картину в голові, картину відносних розмірів цих речей, і як вони працюють разом.
Тепер уявіть знову цю молекулу білка як ланцюг амінокислот, згорнутий певним чином, схожий на шматок каната, якщо дивитися на тривимірну структуру. Якого розміру повинні бути молекули води поруч з цим білком, якщо його молекулярна маса — сто тисяч? Молекули води будуть дуже маленькими порівняно з ним і будуть всюди навколо нього, потрапляючи не тільки між складками, але й між прядками «каната». Тепер у вас в голові зовсім інша картина білка, що плаває або розчиняється у воді. Саме тому потрібно враховувати молекулярну масу. Потрібно лише приблизне значення, щоб наша картина точніше описувала відносні розміри речей. В іншому випадку, коли ми почнемо говорити про клітинні мембрани з білками всередині або про подібні речі, якщо у вас не буде чіткої картини відносних розмірів різних молекул, це буде схоже на картину Сальвадора Далі. Точна картина не гарантує правильний прогноз, але з більшою ймовірністю ви зможете визначити, що станеться або що може статися в тій чи іншій клінічній ситуації.
Поговоримо про ковалентні зв’язки. Ковалентний зв’язок — це спільне використання електронів. Але чи має для вас сенс це визначення? Ви просто запам’ятали «спільне використання електронів». Вам сказали, що десь там зберігається енергія, і якщо розірвати ковалентний зв’язок, то отримаємо енергію. Якщо я підпалю що-небудь, то це звільнить енергію у вигляді світла і тепла. Деякі речі горять, а деякі — ні. В чому різниця між цими речами? Спалахуючі речі зроблені з молекул з ковалентними зв’язками.
Більшість запалювальних речовин складаються з вуглецю: дерево, дизельне пальне, папір і так далі. Звідки ці речі беруться? Вони всі походять від живих організмів. Усі молекули живих істот містять атоми вуглецю, і ці атоми з’єднані між собою ковалентними зв’язками. Коли ми підпалюємо органічний матеріал, ковалентні зв’язки розриваються, і в результаті звільняється енергія.
Звідки береться вся ця енергія, яка знаходиться в ковалентному зв’язку? Цю молекулу з ковалентним зв’язком ми отримали від живого організму. Звідки живі організми беруть енергію? З їжі. А що ви їсте? Яловичину, наприклад, тобто інших тварин. Або, якщо ви вегетаріанець, продукти рослинного походження: кукурудзу, пшеницю, фрукти, овочі і так далі. Уявіть кукурудзяне поле. Ви садите зерно, воно сходить, з’являється стебло, і воно стає все вище і вище, поки не досягне трьох метрів в довжину і не стане зрілим кукурудзяним стеблом. Але як йому це вдалося? Воно зроблене з клітин, а клітини складаються з молекул. Воно все час виробляло ці молекули і укладало їх у вигляді нових і нових клітин. Рослина виробило ці молекули, які в основному складаються з вуглецю, водню, кисню і азоту. Звідки береться вуглець для побудови цієї великої кукурудзи? З вуглекислого газу в повітрі. Кисень також береться з повітря, азот – з ґрунту. Водень рослини отримують з ґрунту і в певній мірі з повітря.
Отже, все, що було потрібно, – це чотири хімічні елементи, і, по суті, всі вони в складі молекул, які є вуглецевими сполуками. Рослини з’єднують ці молекули з вуглецем і отримують великі молекули, потім складають їх у вигляді клітин, і таким чином ростуть. Процес цієї збірки, процес цього будівництва є не що інше, як організація атомів вуглецю. Адже до цього вони були розкидані по повітрю хаотично, а тепер рослина бере їх і укладає рядами, будує ланцюг, скріплює ланки ланцюга разом і в підсумку отримує клітини. Але щоб щось організувати, мені потрібна енергія. Якщо ви прибираєте у своїй кімнаті, ви витрачаєте енергію, і організовані речі розпадаються, тому потрібно знову витрачати сили, щоб організувати весь цей безлад. Тому для з’єднання молекул вуглецю цьому рослині потрібно витратити енергію.
Звідки береться ця енергія, щоб перейти з стану неупорядкованості в стан упорядкованості? Від сонця. Для мене ця ідея одна з найвражаючих у всесвіті. Сонце – це, по суті, воднева бомба в процесі вибуху, серія водневих вибухів неймовірної потужності, що вивергає колосальну кількість енергії в усіх напрямках. І де-то там, неймовірно далеко, знаходиться ледве помітна кулька під назвою Земля. Відстань від Землі до Сонця складає близько ста п’ятдесяти мільйонів кілометрів. Світло від Сонця летить до Землі близько восьми з половиною хвилин. Просто уявіть, скільки енергії випромінює Сонце, і яка крихітна частина цієї енергії потрапляє на нашу Землю. Ця крихітна частка є вся наша енергія, вона живить кожен процес, кожен рух, кожну одиницю життя на Землі. Якби раптом Сонце згасло, вся енергія на Землі зникла б, і настав би кінець усьому живому.
Сонце випромінює енергію, і ця енергія поступає на Землю і освітлює рослину. Уявіть клітину кукурудзи, повну білків. Білок «хапає» молекули вуглекислого газу, і поки сонце світить на нього, він починає змінювати свою форму і з’єднує ці два атоми вуглецю. Коли він з’єднує ці два вуглецю разом, вони починають ділитися між собою електронами, і це спільне використання створює ковалентний зв’язок. Уявіть це явище наступним чином: ось вуглець, ось ще один вуглець, а ось пружина між ними. З наближенням цих двох атомів пружина починає стискатися. І коли я з’єднаю ці атоми разом, вони закріплені «засувкою», і я можу їх відпустити. Білок кукурудзи бере ці два атоми і з’єднує їх між собою, і тепер вони «заскочили» разом, а між ними стиснута пружина. Потім я можу послабити свою хватку, і нове з’єднання з двох вуглеців відпливає, але суть в тому, що тепер у ньому міститься енергія.
Поступово кукурудзяні рослини додають більше атомів вуглецю і створюють величезні довгі молекули, і з часом їх виробництва рослина продовжує свій ріст. Потім ви бачите цю кукурудзу. Потім корови їдять кукурудзу, а ви їсте корів, і ці молекули переходять до вас. Коли вуглецеві молекули потрапляють у ваші клітини, в них міститься спеціальний білок. Білок в одній з ваших клітин бере цю молекулу з двох вуглеців, «натискає на застібку», і в результаті відразу ж звільняється енергія. Атоми розлітаються, я можу прикріпити цей білок до чогось ще і використовувати цю енергію для створення інших зв’язків, або для скорочення м’язів, або для перекачування іонів через клітинну мембрану. Я можу використовувати енергію розриву ковалентного зв’язку для різних видів клітинної роботи. У ваших м’язових клітинах є механізм, який скорочує ці клітини, а ці клітини, в свою чергу, прикріплені до ваших кісток. По мірі скорочення м’язової клітини ваші кістки можуть рухатися або згинатися через суглоб. Я вставляю цю молекулу в клітинний механізм, вона розлітається, живлячи скорочувальний механізм, і ось ми в русі.
Ось що таке ковалентний зв’язок, ось що означає спільне використання електронів. Важливо те, що якщо ми щось спалюємо, ми, по суті, розриваємо ковалентні зв’язки, і в результаті цього вивільняється енергія. Коли цей зв’язок розривається всередині клітинної машини, ми не випускаємо всю енергію у вигляді тепла і світла, хоча, звісно, ми випускаємо певну її кількість у вигляді тепла. Основна частина цієї енергії використовується для певної роботи, для роботи певних механізмів всередині клітини.
Як працює ваш автомобіль? Автомобіль — це пристрій, який перетворює енергію в рух. Він витягує енергію ковалентних зв’язків з бензину. Бензин — це перероблена нафта. Нафта — це розкладені рослини, тварини і бактерії, в основному рослини. Колись давно в атмосфері Землі було набагато більше вуглекислого газу, ніж зараз. Рослини росли, вибираючи вуглець з атмосфери, потім з’єднували їх разом і створювали рослини. Шар за шаром рослини накопичувалися на поверхні землі, і ці мертві рослини починали гнити і розкладатися. Під впливом величезного тиску під землею цей гумус став нафтою. Нафта — це сховище сонячної енергії, захопленої і укладеної живими організмами. Ваш автомобіль — це механізм, який перетворює цю енергію в рух.
Автомобіль виробляє дуже багато тепла. Тому в машині є радіатор, щоб повітря проходило через нього і охолоджувало двигун. Наскільки ефективний двигун? Ми вираховуємо, скільки споживаної енергії використовується для виконання корисної роботи. Найефективніший автомобіль на сьогодні ефективний десь на двадцять п’ять відсотків. Так що сімдесят п’ять відсотків енергії пального втрачається у вигляді тепла, і лише двадцять п’ять відсотків перетворюються в кінетичну енергію, щоб рухатися по дорозі. Наскільки ефективне ваше тіло як «машина»? Практично настільки ж — двадцять п’ять відсотків, і всю іншу енергію ми втрачаємо у вигляді тепла. Температура вашого тіла — тридцять шість і шість градусів Цельсія — це тепліше, ніж повітря навколо, і це тепло повинно звідкись з’являтися. Це саме тепло, яке втрачається при перетворенні енергії під час клітинної активності.