Кен Окона-Менса

Взламывая анатомию

Ken Okona-Mensah

Cracking Anatomy

First published in Great Britain in 2020 by Cassell, an imprint of Octopus Publishing Group Ltd

Carmelite House, 50 Victoria Embankment, London, EC4Y 0DZ

All rights reserved.

Печатается с разрешения издательства Octopus Publishing Group Ltd.

В оформлении книги использованы иллюстрации Dreamstime.com, Istockphoto.com, Science Photo Library, Wikimedia Commons, Shutterstock и др.

© Ken Okona-Mensah 2020

© Octopus Publishing Group Ltd 2020

© Оформление. ООО «Издательство АСТ», 2020

* * *

Вступление

Наше тело — это удивительная машина, которая эволюциони… стоп! Неужели вам действительно нужно, чтобы кто-то это говорил? Если вы до сих пор не поняли, насколько удивительна «оболочка», которую вы носите каждый день — в болезни и здравии, — тогда, пожалуй, вам лучше отложить книгу в сторонку, подойти к зеркалу и внимательно рассмотреть свое отражение. Итак, поехали.

Что вы чувствуете теперь, когда посмотрели на себя со стороны? Что бы вы ни ответили, сам факт того, что вы решили прочесть эту книгу, свидетельствует о желании узнать о себе побольше — познакомиться с устройством человека с точки зрения физиологии.

Что вы видите, когда смотрите в зеркало?

Не так важно, верите ли вы в существование высших существ или нет. Главным остается то, что наше тело — это динамически и интеллектуально развитый продукт, который постоянно взаимодействует с окружающей средой и учится у нее. Этот продукт идет в комплексе с системами, наглядно показывающими принцип слаженной работы на благо общей цели — поддержания в нас жизни.

В природе все, что происходит на микроуровне, часто повторяется и на макроуровне. Учитывая это, нам, людям, было бы здорово поучиться у своих внутренних структур принципам коллективной работы. Представьте себе мир, в котором каждый из нас являлся бы сложным, но жизненно важным органом, работающим на благо общей цели — сохранения всего человечества.

Эта книга расскажет, из чего состоит наше тело и как оно работает. С первых страниц и до конца книги перед вами будет разворачиваться увлекательная история о закулисье анатомии. Вы сможете лучше понять, как складывались наши современные представления о науке и о чем нам следует помнить, шагая в будущее. На протяжении всей книги вас ждет много информации об анатомии и физиологии, ведь структура и функция всегда идут рука об руку.

Надеюсь, эта книга пробудит ваш аппетит и простимулирует выработку нужных пищеварительных соков, чтобы вы могли лучше переварить кусочки информации о том, насколько вы поразительны.

Глава 1. Основы

В чем тут дело?

Что вам представляется, когда вы слышите слово «анатомия»? Лягушачьи лапки, части человеческого тела, препарированные грызуны в позе витрувианского человека Леонардо да Винчи… или студенты-медики, рьяно изучающие онтогенез подвздошной впадины на переднемедиальной поверхности крыла подвздошной кости? Анатомия — это, конечно же, все вышеперечисленное и многое другое.

Анатомия — это раздел биологии, изучающий, что представляют собой разные части нашего организма, где они находятся и как складываются вместе в тело. Теоретические основы анатомии — это крайне объемная отрасль. Нам потребовались тысячи лет, чтобы пройти путь от первых сохранившихся трудов древних египтян до современного понимания анатомии. И все равно мы только-только разобрались в основах.

Анатомия — это не просто изучение того, что видно невооруженным глазом. К анатомии относится и такая сложная дисциплина, как гистология, которая исследует состав и структуру различных клеток и тканей, видимых лишь при большом увеличении.

Анатомия — это еще и необычайно древняя наука. За время своего существования она смогла развить собственный уникальный язык.

Макроскопический или микроскопический

«Анатомия» происходит от древнегреческого слова «рассечение», или «диссекция». Эта наука делится на две академические ветви: макроскопическую и микроскопическую. Макроскопическая, или топографическая, анатомия изучает структуры, видимые невооруженным глазом. Для того чтобы увидеть структуры на более глубоком уровне, необходимы оптические инструменты, специальная обработка и подготовка образцов. А для того чтобы различить две структуры, расположенные ближе, чем на 0,2 микрометра друг от друга (расширяющая способность сетчатки нашего глаза), нужны оптические инструменты. Изучение столь крошечных анатомических структур называют микроскопической анатомией, или гистологией. Эта научная область занимается изучением тканей, клеток и их органелл.

Примесь физиологии

Но анатомия не смогла бы справиться без своего предмета-близнеца — физиологии. Знать анатомию без физиологии — это все равно что писать музыку, не слушая ее. Физиология отвечает на вопросы «как» и «почему» и объясняет, что наше тело представляет из себя. Физиология изучает, как все работает при нормальных условиях и почему наше тело делает то, что делает. В сочетании с диагностикой и лечением заболеваний анатомия выходит за пределы чисто базовой и теоретической науки и превращается в нечто более обстоятельное и кропотливое — основу медицины.

Стоя на плечах гигантов

«Мы изучали анатомию человека еще со времен Везалия. И именно тогда, когда мы думали, что больше нечего изучать и нечему учиться, человеческое тело нас ловко провело».

Так считает ведущий анатом и антрополог-криминалист профессор Сью Блэк. И действительно: открытия, как автомат для игры в пинбол, меняли направление, по которому следовали люди в погоне за знаниями.

В Древнем мире подходы к пониманию человеческого тела сильно отличались. Некоторые традиционные учения занимались потоками энергий и балансом. Так зародились аюрведические и китайские практики, которые составляют основу современной альтернативной медицины. Другие учения пытались найти «вместилище души» с помощью более эмпирических подходов. Наше понимание анатомических знаний других цивилизаций ограничено, поскольку такие знания передавались из уст в уста, а не сохранялись письменно. Кроме того, мы мало знаем о достижениях женщин до Нового времени. Эту проблему мы затронем в главе 13.

Древние египтяне

Древние египтяне славились способностью извлекать и сохранять органы мертвых при мумификации. Позднее сердце стали возвращать обратно в тело усопших, поскольку считалось, что сердце было домом, где жила душа. Хотя в то время магия была обыденностью, в папирусе Эдвина Смита (ок. 1600 г. до н. э.) нашлись и научные обоснования. Этот свиток назвали в честь человека, который купил его в 1862 году, и считают старейшим из известных текстов, значимых с точки зрения медицины и анатомии.

Древние египтяне хранили внутренние органы усопших в канопах.

Древние греки

Философ, биолог и логик Аристотель (384–322 гг. до н. э.) проводил анатомические вскрытия животных, пытаясь отыскать место, где живет душа. Однако первым анатомом признали его коллегу — греческого ученого Герофила из Халкидона (ок. 325–255 гг. до н. э.). Отучившись в Александрии (современный Египет), Герофил стал проводить первые научные вскрытия. Для того времени это было большой редкостью, поскольку проводить вскрытие человека было категорически запрещено: его считали непочтительным, нечистым и небезопасным.

Во II веке примеру Александрийского ученого последовал и другой одаренный греческий врач по имени Гален (ок. 129–210 гг. н. э.). Он препарировал трупы животных и на основе своих наблюдений написал множество трактатов с бесценными сведениями о строении тела (особенно опорно-двигательного аппарата). Гален заметил, что повреждение спинного мозга связано с повышенным риском паралича и смерти — чем ближе к мозгу было повреждение, тем выше становился риск.

Эпоха ренессанса

Ренессанс (1300–1600 гг.) породил многих великих художников, которые своими точными изображениями человеческого тела способствовали развитию анатомии. Большая часть анатомических текстов до эпохи Ренессанса носила описательный характер и не баловала читателей подробными иллюстрациями. Чтобы научиться создавать максимально точные изображения, такие художники, как Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.), Альбрехт Дюрер (1471–1528 гг.) и Микеланджело (1475–1564 гг.), изучали трупы. Со временем эти наброски стали неотъемлемой частью их собственных (и чужих!) печатных публикаций, посвященных анатомическим открытиям.

Исламские ученые

Своей поздней известности Гален во многом обязан средневековым исламским ученым, которые переводили и перепечатывали его работы, попутно исправляя их с учетом собственных наблюдений. Один из исламских мастеров анатомии Абдул-Латиф аль-Багдади (1162–1231 гг.) провел первые посмертные вскрытия. В эпоху Средневековья интеллектуальное лидерство перешло к Ближнему Востоку, который сохранял его до XIII века — пока в Европе с наступлением Ренессанса в XIV веке не началась новая эра экспериментов и исследований.

Новаторская книга Везалия включала детальные изображения мышечной системы.

Отцом современной анатомии часто называют бельгийского анатома и врача Андреаса Везалия (1514–1564 гг.). Он внес существенный вклад в науку, изменив парадигму подхода к получению знаний. Визуальные наблюдения за препарированием трупов легли в основу самой известной публикации Везалия — монографии De humani corporis fabrica («О строении человеческого тела»). В наше время эту книгу считают первым значимым научным достижением: она предложила анатомический язык, не потерявший своей актуальности и по сей день, а также в красочных подробностях познакомила нас с опорно-двигательной системой.

Эпоха просвещения

Эпоха Просвещения ознаменовалась бурным развитием анатомии, что привело к пересмотру нашего понимания сердечно-сосудистой системы. Но для этой области ни один человек не сделал так много, как выпускник Кембриджского университета Уильям Гарвей (1578–1657 гг.). Он написал работу, подтверждающую ранние гипотезы исламского ученого Ибн ан-Нафиса (1213–1288 гг.) о существовании двух кругов кровообращения, через которые кровь поступает сначала в легкие, а затем — в остальные части тела. Кроме того, Гарвей, которого часто называют отцом физиологии, выдвинул предположение, что для размножения необходимо оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом.

ВЕЛИКИЕ АНАТОМЫ

Кадавры и заключенные

Испокон веков у анатомии складывались сложные отношения с кадаврами. Ни для кого не секрет, что трупы — главные обучающие материалы для врачей прошлого, настоящего и будущего. Но исторически сложилось так, что проведение вскрытий не по медицинским показаниям вызывало бурную негативную реакцию. Если отбросить религиозные соображения и боязнь потенциального вреда для здоровья, то общественное беспокойство было вполне оправданным — учитывая темное прошлое анатомии.

Большинство ранних анатомов повышали свой уровень знаний, препарируя животных. В основном, конечно, мертвых, но иногда — еще живых. И хотя такие вскрытия служили источником уникальных и полезных знаний, не всю полученную информацию можно было переложить на человеческий организм. Вскрытие трупа человека давало более точные и достоверные данные. В течение XVIII и в начале XIX века в Европе и Соединенных Штатах Америки открывали все больше медицинских учебных заведений, благодаря чему возрастал спрос на трупы. В то время единственным легальным источником кадавров служила пенитенциарная система, которая в качестве заключительного акта возмездия передавала тела казненных преступников на медицинские исследования. А поскольку спрос рождает предложение, люди поняли, что можно хорошо подзаработать, продавая человеческие останки на черном рынке.

Расхитители могил

Спрос на свежие трупы был особенно велик, поэтому многие воры регулярно расхищали свежие могилы (особенно бедных или бесправных людей) и продавали кадавров в медицинские школы.

В Соединенных Штатах чаще всего от таких «похищений» страдали порабощенные и даже свободные афроамериканцы. «Похищение тел» приносило хорошую прибыль так называемым воскрешателям по обе стороны Атлантики. Самым ценным товаром считались тела младенцев. Большую часть трупов, поставляемых пенитенциарной системой, составляли мужчины, и знания о том, как развиваются люди, были довольно скудными. Иногда медицинские школы специально открывались как можно ближе к кладбищам. И некоторые безнравственные люди (например, эдинбуржцы Уильям Берк и Уильям Хэйр) действительно убивали людей, чтобы затем продать их трупы в медицинские школы. Но как только это стало публичным достоянием, общественность взбунтовалась.

Анатомический акт

В 1832 году в Соединенном Королевстве был принят Анатомический акт, по которому казненных убийц больше не ждало посмертное наказание в виде вскрытия, а лицензированные врачи могли закупать для обучающих целей только невостребованные трупы из больниц, психиатрических лечебниц и работных домов. Но, учитывая, что чаще всего невостребованными оставались родственники бедняков, эта и без того уязвимая прослойка населения посмертно становилась еще более уязвимой. В Соединенных Штатах Америки приняли целый ряд анатомических актов, первый из которых был опубликован в штате Массачусетс в 1831 году. Однако некоторые южные штаты разрешали анатомическое вскрытие умерших в тюрьмах, подавляющее большинство заключенных в которых было афроамериканцами. Подобные практики оставили в истории анатомии жуткий след.

Эту фотографию кафедры анатомии Кембриджского университета сделали примерно в 1890 году.

Зверства нацистов

Важным приоритетом германского Третьего рейха (существовал с 1933 по 1945 г.) было одно из ответвлений движения евгеники — преподавание и проведение анатомических исследований. Ученые рейха пытались лучше понять строение человеческого тела, чтобы доказать превосходство «высшей» арийской расы над «низшими» людьми. Для своих исследований многие немецкие анатомы использовали жертв нацистского геноцида.

В основном такими жертвами становились заключенные из концентрационных лагерей: евреи, западные и восточные цыгане, жители Восточной Европы, военнопленные, те, кого сочли «людьми с сексуальными отклонениями», антинацисты или преступники, а также пациенты психиатрических лечебниц. В анатомические отделения по всей Германии и на оккупированные территории, к которым относились Польша, Австрия и Чешская Республика, привозили их тела. Точное число трупов, доставленных для вскрытий, доподлинно неизвестно, однако их количество исчисляется десятками тысяч.

Те, кто проводил вскрытия, не всегда были только пассивными получателями. Хотя некоторые задавались вопросами нравственности подобных методик, другие становились активными участниками процесса. К числу последних можно отнести профессоров-анатомов Эдуарда Пернкопфа и Августа Хирта. В 1943 году Хирт, будучи офицером СС, приказал убить 86 евреев, чтобы он мог составить скелет для выставки в Институте анатомии Рейхского университета в Страсбурге. Он хотел показать гостям, чем, по его мнению, евреи отличаются от других людей. Его приказ выполнили, но публике экспонат так и не представили.

Атлас Пернкопфа

Пернкопф создал один из самых точных и подробных учебников по анатомии человека. Чтобы завершить «Атлас топографической и прикладной анатомии человека», опубликованный в 1950-х годах, Пернкопфу понадобилось более 20 лет. Многотомная карта человеческого тела стала первым изданием, в котором использовалась четырехцветная офсетная печать. Это помогало анатомам и хирургам по всему миру точнее идентифицировать структуры, которые в реальной жизни выглядели почти так же, как на картинках. Лишь после расследования в конце XX века выяснилось, что изображения в атласе «писались» с жертв геноцида. Некоторые ученые настаивали на отказе от использования атласа, а другие считали, что в память о жертвах нацистов мы должны пользоваться им, чтобы учить медицинской этике, истории и анатомии.

Уроки прошлого

Теперь, когда уроки прошлого усвоены, мы должны навсегда запомнить всех тех, кого лишили человеческого достоинства ради расширения наших знаний по анатомии. Анатомические препараты многих музеев и коллекций содержат образцы неизвестного происхождения, многие из которых были получены без согласия человека. Большинство таких препаратов служат постоянным и суровым напоминанием о темном прошлом анатомии. Остальные все же были должным образом захоронены в память о бессмертной и недобровольной жертве их «доноров».

Анатом Джон Хантер рядом со скелетом (ногами) «ирландского гиганта» Чарльза Бирна. Экспонат выставлялся против посмертной воли самого Бирна

Говоря на языке анатомии

После того, как вы разобрались с ключевыми событиями истории анатомии, глубже погрузиться в тему вам поможет понимание ее языка. Для описания анатомических структур и их топографического расположения используют термины, происходящие из языков, на которых говорили первые анатомы.

Анатомические плоскости

При препарировании трупа срезы выполняются в следующих плоскостях.

Медиальная. Сечение выполняют вертикально вниз по середине тела через среднюю линию; препарат разделяют на две равные половины — правую и левую. Если разрез проводят по срединной (медиальной) плоскости, но с ассиметричным смещением влево или вправо, то такая плоскость называется сагиттальной.

Основные анатомические плоскости используются не только в препарировании, но и в медицинской визуализации. Их используют для описания различных проекций тела при проведении компьютерной (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Фронтальная. Срез выполняется вертикально под прямым углом к медиальной плоскости; препарат разделяют на переднюю и заднюю половины.

Горизонтальная (или аксиальная, или поперечная). Срез выполняют горизонтально под прямым углом к фронтальной и медиальной плоскостям; препарат разделяют на верхнюю и нижнюю половины.

Анатомическое расположение

Под анатомическим, или стандартным, расположением понимают такое положение тела, при котором человек стоит прямо, лицо обращено вперед, руки опущены, предплечья супинированы (пальцы выпрямлены, ладони открыты и обращены вперед, большой палец каждой руки смотрит вбок). Если ладонь обращена назад, а большой палец смотрит в сторону тела, то такое положение предплечья называется пронированным. Все описания топографического расположения структур в организме приведены по отношению к стандартному положению. Это контрольная точка, помогающая медицинским специалистам лучше ориентироваться в нашем теле.

Глава 2. По крупицам

Организация вашего тела

Древнегреческий философ и биолог Аристотель как-то сказал: «Целое больше суммы своих частей». Но так ли это, если говорить о человеческом теле? Поговорки из серии «дьявол в деталях» и «мал золотник, да дорог» прочно вошли в наш лексикон. А говоря о строении человека, можно с уверенностью утверждать, что целое зависит от коллективной работы всех составляющих.

Наше тело наглядно демонстрирует принцип командной работы. Это классическая биологическая структура, в которой каждый участник одинаково ценен и выполняет свою жизненно важную функцию. И действительно: крупные структуры не смогли бы существовать без своих «подчиненных».

На этой магнитно-резонансной томограмме (МРТ) изображен мозг. У человека есть несколько органов, без которых он не сможет жить, а мозг является единственным незаменяемым.

Чтобы лучше разобраться в различных органах и системах внутри организма, можно воспользоваться наглядной схемой всех ее составляющих. Давайте представим человеческое тело в виде иерархической структуры. Это упорядоченная пирамидальная система, коротко, от простого к сложному описывающая основы архитектуры человеческого тела.

Строение клетки

Первооткрывателем клетки считают английского естествоиспытателя Роберта Гука (1635–1703 гг.). В 1665 году он изучал срезы пробки с помощью ранней версии микроскопа. Ученый заметил, что все срезы были похожи на маленькие комнатки — кельи, в которых жили монахи (лат. cellula, отсюда пошло английское название клетки — cell). На самом деле Гук увидел мертвые стенки растительных клеток с сотоподобной структурой.

На протяжении веков талантливые ученые открывали разные элементы клетки. В XIX веке немецкие ученые Теодор Шванн, Маттиас Якоб Шлейден и Рудольф Вирхов помогли сформулировать клеточную теорию. Один из ее принципов дал идеальную отправную точку для развития науки: он гласит, что клетка является базовой единицей жизни.

Самая большая и самая маленькая

В организме человека «живет» около 200 типов клеток, но самые большие и самые маленькие — те, которые отвечают за само наше существование. Яйцеклетка видна даже невооруженным глазом: ее размер составляет 0,5 мм в диаметре. В отличие от нее сперматозоид можно увидеть лишь под микроскопом, а длина его головки не превышает 0,004 мм.

Наше тело состоит из триллионов клеток. Довольно часто назначение клетки определяется ее строением (и наоборот). Но есть и фундаментальные структурные сходства. Все клетки, вне зависимости от своего типа, заполнены водянистым желеобразным матриксом, который заключен в наружную клеточную мембрану. Этот желеобразный матрикс, или цитоплазма, контролирует все, что входит и выходит, и поддерживает структуру клетки. Кроме того, в цитоплазме расположены микроскопические органоиды (органеллы), которые помогают клеткам выполнять специальные функции. С этой точки зрения отличия упираются в то, какие органеллы есть в клетке и сколько их.

Ядро

Во всех наших клетках присутствует (или присутствовал в начале их существования) некий центр управления под названием «ядро». Этот «командир» органелл определяет, к какому таксономическому типу отнести их обладателя: к простому, например бактериям, у которых нет ядра, или более сложному организму, обладающему собственным ядром. Ядро — это мозговой центр клетки, поэтому оно занимает центральное положение. Ядро содержит специальный код — нашу генетическую информацию — в форме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). О привилегированном положении ядра в клетке свидетельствует и то, что у него есть собственный матрикс, и то, что оно покрыто «двойной» мембраной.

Митохондрии

Если какая-то органелла и способная оспорить главенствующую роль ядра, то это колбасовидная структура под названием «митохондрия». Это не просто эволюционные гиганты с двойной мембраной и собственной генетической системой, именно они решают, будет ли клетка жить или умрет. Считается, что митохондрии развились из бактерий, которые когда-то давно проникли в клетку. Эти биологические «поселенцы» смогли обосноваться в определенной части клетки, установив симбиотические отношения с клеткой-хозяином.

В отличие от электрических генераторов, митохондрии сами вырабатывают всю необходимую для жизни энергию. Без этой способности они были бы не более чем плавающими частичками детрита. Митохондрии пользуются молекулами кислорода для преобразования энергии из питательных веществ (глюкозы) в высокоэнергетические молекулы (аденозинтрифосфат, или АТФ), нужные для всех химических реакций в организме. В результате этого процесса, известного как аэробное клеточное дыхание, выделяются углекислый газ, вода и тепло. Сам АТФ необходим клеткам для производства белков.

Эндоплазмическая сеть и рибосомы

По команде ядра в органеллы начинают каскадным способом передаваться белковые структуры. Первые «получатели» — это рибосомы, свободно плавающие в цитоплазме или связанные с мембранной сетью каналов, которую называют эндоплазматической сетью (ЭПС). Сферические рибосомы получают шаблон, на основе которого создаются белки.

Митохондрия

Эндоплазматическая сеть

Аппарат Гольджи

Вакуоль

Лизосома

ЭПС работает как конвейерная лента и получает готовые белки, собранные связанными рибосомами. Эти плоские и изогнутые мембраны помогают продуктам из ядра проникать глубоко в цитоплазму. Они поддерживают внутреннюю транспортировку и выведение таких белков, как антитела (используются в иммунной системе) и ферменты (ускоряют химические реакции). Не у всех ЭПС есть связанные рибосомы. ЭПС, которые не содержат рибосом, называют гладкими. Они производят компоненты жиров, а также гормоны и химические ионы, запускающие реакции.

Аппарат Гольджи

Было бы настоящим упущением не рассказать о том, как клеточные продукты связываются и упаковываются для использования внутри и вне клетки. Стопки мембран, более известных как диктиосомы, или аппарат Гольджи, были названы в честь итальянского биолога Камилло Гольджи (1843–1926 гг.). Эти органеллы отвечают за двустороннюю транспортировку веществ и добавляют финальные штрихи белкам из ЭПС перед тем, как упаковать их в маленькие мембраносвязанные везикулы (пузырьки).

Вакуоль

Эти крупные и заполненные жидкостью пузырьки служат плавающими контейнерами для хранения нужных клеткам веществ (питания и ферментов) либо специально изолированных субстанций.

Лизосома

В клетке проходит множество процессов, поэтому она должна тщательно следить за внутренним порядком. К счастью, в каждой клетке есть собственный центр переработки — лизосомы. Вам бы точно не захотелось очутиться внутри лизосом: они заполнены ферментами, которые перерабатывают и переваривают изношенные компоненты клетки, а также воздействуют на инвазивные инородные тела и саму клетку (если она повреждена и не подлежит восстановлению).

ДНК: все дело в основе

Клетки создают белки, а схему для их сборки берут напрямую из самих генов в ядре. Эти упорядоченные последовательности биологических данных, которые мы наследуем от родителей, влияют на работу организма. Все, начиная с нашего внешнего вида и заканчивая тем, как мы перевариваем пищу, представлено в виде инструкций, которые закодированы в основных единицах наследственности — удивительных молекулах ДНК.

Лауреаты Нобелевской премии Джеймс Уотсон (слева) и Фрэнсис Крик (справа) вывели молекулярную структуру ДНК на базе работ рентгеновских кристаллографов Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин.

Было бы настоящим кощунством описать структуру ДНК и не упомянуть Джеймса Уотсона (род. в 1928 г.) и Фрэнсиса Крика (1916–2004 гг.). В 1953 году эти кембриджские выпускники смогли определить молекулярную структуру ДНК. Говоря простым языком, структура молекулы похожа на винтовую лестницу, которую вертикально разрезали на две равные части. Обе части, или полотна лестницы, состоят из двух последовательно расположенных соединений: фосфатной группы и молекулы сахара, известной как дезоксирибоза. Это и есть основа ДНК. Под углом в 90 градусов к каждой связанной молекуле сахара одного полотна прикрепляется органическая молекула — углеродное основание, формирующее одну половину ступени. Эти основания бывают разных типов: А (аденин), Ц (цитозин), Г (гуанин) и Т (тимин). Порядок их расположения является ключом к расшифровке генетического кода.

Каждое основание в двойной спирали ДНК связывается с сахарной частью сахаро-фосфатного остова и комплементарной парой с помощью слабых водородных связей

Если совместить два этих полотна и объединить их углеродные основания с помощью слабых водородных связей, то образуются подвесные ступени, или пары оснований. (Водородная связь представляет собой особый тип силы, или притяжения, между атомом водорода и каким-то другим атомом.) Для конечной «подгонки» нужно соединить основания одной ступени с правильными (комплементарными) основаниями другой. В молекуле ДНК A связывается только с T, а Г — только с Ц. Далее лестница закручивается в спираль — и вуаля! — у вас получилась модель ДНК.

К чему этот поворот?

Не очень приятно думать, что мы обязаны всем одной цепочке молекул, скрученной как зефирная трубочка. Но давайте разберемся. В этой конструкции скрыто гениальное преимущество. Считается, что витки спирали защищают основания от деструктивных взаимодействий и поддерживают суперспирализацию ДНК в плотно упакованных хромосомах (см. параграф «Свертывание в хромосомы», стр. 34–35). Именно поэтому такие молекулы могут втиснуть 6 миллионов пар оснований в одну клетку. ДНК-основания гидрофобны, то есть не переносят воду, а наши клетки во многом состоят именно из нее. Поэтому можно с уверенностью предположить, что перекрученная структура молекулы обеспечивает максимальную защиту ее самых чувствительных областей.

Производство белков

Белки — это длинные молекулы, состоящие из цепочек одной или нескольких аминокислот. Порядок расположения аминокислот определяется последовательностями оснований в конкретной части ДНК. Белки необходимы для создания и работы всех клеток, тканей и органов человека. Но каким образом ДНК из двойной спирали переходит к созданию белков? Недостающим звеном процесса является рибонуклеиновая кислота (РНК).

ДНК и РНК очень похожи. С той лишь разницей, что РНК — это одиночная цепочка, а ее сахарный компонент состоит из рибозы (не «дезокси−», поскольку в данном случае он не пропускает атом кислорода). В отличие от ДНК, РНК связывает аденин (A) не с тимином (T), а с урацилом (У). Существует теория, согласно которой в ходе эволюции ДНК променяла свой урацил на тимин, поскольку последний создает более прочные структуры, через которые не могут пройти опасные частицы. Очевидно, что таким образом дальновидная ДНК изобрела куда более безопасный способ для хранения генетической информации.

Транскрипция

Как только ген включается для производства белка, или экспрессируется, определенная часть ДНК, кодирующая этот ген, раскручивается и начинает постепенно распаковываться. При этом молекула передает свои основания в белок под названием «РНК-полимераза». Этот фермент транскрибирует код из одной цепочки ДНК, совмещая последовательные блоки из фосфатной группы, рибозу (сахар) и присоединяемое основание (все вместе это называется рибонуклеотидом). Кроме того, РНК-полимераза следит за комплементарностью пар оснований по правилу Г — Ц и А — У. В результате образуется особая молекула РНК — матричная РНК (мРНК), а сам процесс называют транскрипцией.

Одна цепочка ДНК служит матрицей для транскрипции. Новообразованная молекула мРНК превращается в шаблон для связывания аминокислот при производстве белков.

Очевидно, что перемещать внутри клетки копии кода, а не священную ДНК, — в разы безопаснее. Завершив транскрипцию, мРНК выходит из ядра через пору мембраны и попадает в цитоплазму. Там она вступает во взаимодействие с рибосомами и продолжает процесс трансляции кода в аминокислоты.

Новые белки

Новые белки могут использоваться внутри клетки или готовиться для экспорта во вне. Ферменты ускоряют химические реакции, поэтому такие белки используются и внутри, и вне клетки. К внутриклеточным белкам относятся рецепторы, которые внедряются в наружную мембрану. Они преобразуют внешние сигналы во внутриклеточные действия. Мембранные белки можно сравнить со светофорами, регулирующими движение молекул на клеточной мембране.

Мембранные белки, характерные для клеточной мембраны, называются интегральными. Их функции зависят от их структуры.

Свертывание в хромосомы

Хромосомы — это ДНК, которая плотно обмотана вокруг своеобразных «катушек» — белков, называемых гистонами. Все наши клетки, кроме половых, содержат по 23 пары (или 46 единиц) хромосом, что называют диплоидным числом хромосом. Один набор берется от отца, а другой наследуется от матери. ДНК сворачивается в хромосомы, только когда клетка готовится к делению. И именно в этот момент хромосомы можно увидеть под микроскопом. Если бы ДНК не превращалась в хромосомы, то при делении клетки превращались бы в запутанные клубки.

В процессе репликации ДНК геликаза разделяет цепочки, а праймаза создает праймер, который указывает ДНК-полимеразе, с чего начинать копирование.

Перед тем как начать делиться, клетка должна реплицировать свою ДНК. А для упрощения процесса необходимо раскрутить спираль ДНК. Основная задача состоит в том, чтобы создать две копии одного и того же генетического материала. Тогда одна из копий будет передаваться из родительской клетки новым потомкам. Этот процесс регулируется ферментом — ДНК-полимеразой, которому помогают и другие белки. Например, ДНК-геликаза раскручивает спираль.

Короткое плечо хромосомы называют P-плечом, а длинное — Q-плечом.

Крайне важно, чтобы эти новые «комплементарные» цепочки ДНК копировались правильно. Поэтому, перед тем как новая ДНК будет закручена в двойную спираль, произойдет ее коррекция. Сформировавшаяся цепочка ДНК получается гибридной: одна ее половина — новая, а вторая является частью матричной цепи. По сравнению с объединением двух совершенно новых цепей, такая схема дает более точный результат.

Форма хромосом

Две копии ДНК, или сестринские хроматиды, сближаются и склеиваются в корсетоподобной перетяжке — центромере. Она разделяет хромосому на две части, или плеча. Каждую хромосому образует своя двойная спираль с собственным набором связанных генов.

Пары хромосом

Наша ДНК кодирует от 20 000 до 25 000 генов, в каждом из которых содержатся инструкции по созданию белков. Полный набор генов, или геном, распределяется между 23 парами хромосом, но неоднородно. Самой длинной является первая пара хромосом (в ней содержится около 2100 генов). Давайте сравним ее с последней парой (23), определяющей пол. Самая крупная из пар половых хромосом называется Х-хромосомой; меньшая по размеру — это Y-хромосома. (Эти термины не имеют ничего общего с формами хромосом.) Те, кто наследуют две копии Х-хромосомы, развиваются в особей женского пола. Получившие ХY-набор хромосом превращаются в особей мужского пола. У мужчин Y-хромосома, унаследованная от отца, короче материнской Х-хромосомы. Это объясняется тем, что вместо 800 генов в ней содержится лишь 50–70 единиц.

Деление клетки

Чтобы заменять мертвые или поврежденные структуры, клеткам нужно делиться. Кроме того, деление необходимо для роста и создания половых клеток, которые «собирают» нас из оплодотворенного яйца и превращают во взрослого человека. Деление клеток является сложным процессом, который подчиняется строгим правилам. Невыполнение этих правил может не только нести катастрофические последствия отдельной клетке, но и поставить под удар сам факт нашего существования.

В зависимости от сообщений, получаемых клеткой, она может находиться в состоянии покоя и выполнять свои обычные задачи, либо переходить в фазу активного деления. Часть клеточного цикла, предшествующая непосредственному делению, называют интерфазой. Во время этой фазы клетка увеличивается в размере, удваивает количество органелл, реплицирует ДНК и готовится к делению. Далее, в зависимости от типа клетки, она будет делиться с помощью митоза или мейоза.

Мейоз

Для полового размножения характерен тип деления клетки под названием «мейоз», при котором образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Мейоз создает четыре неидентичные дочерние клетки, каждая из которых содержит половину хромосомного набора родителя (гаплоидное число хромосом). Это происходит, потому что клетка делится дважды. В отличие от митоза, дочерние клетки в данном случае генетически отличаются друг от друга и от клеток родителей.

Перед 1-м делением мейоза сперматоцит (будущий сперматозоид) проходит через интерфазу. Затем начинается первая фаза — профаза 1, в ходе которой гомологические пары хромосом обмениваются генетическим материалом. У яйцеклеток 2-е деление мейоза завершается при оплодотворении.

Митоз

В результате митоза образуются две идентичные дочерние клетки, каждая из которых содержит то же диплоидное число хромосом, что и родительская клетка. Клетка делится один раз, но хромосомы исполняют причудливый четырехфазный танец.

Профаза.

На первом этапе деления, называемом профазой, растворяется ядерная оболочка и конденсируются сестринские хроматиды. Хроматиды сходятся на центромере, чтобы затем объединиться с парами хроматид, унаследованных от другого родителя.

Метафаза.

Все хромосомы сходятся на экваторе (в центре). Им помогают канатовидные белки, или микротрубочки, которые связывают между собой центромеры каждой хромосомы. Сами же микротрубочки прикрепляются к лебедкообразной перетяжке — центросоме, которая располагает их в нужном порядке.

Анафаза.

Центросома катализирует следующую фазу — анафазу, в которой сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам клетки.

Телофаза.

Вокруг новообразованных хроматид вновь формируется ядерная оболочка, а цитоплазма разделяется на две части.

Цитокинез.

В процессе цитокинеза клетка окончательно расщепляется на две части и «оборачивается» в клеточную мембрану.

Многообразие клеток

Клетки в организме трудятся на благо своего хозяина, то есть нас. Эта внутренняя рабочая сила с различным опытом, компетенциями и ролями позволяет создавать более крепкую и динамичную структуру. Именно поэтому мы не похожи на гигантскую амебу или пласт однообразных клеток. По последним данным, в нас «живет» порядка 206 различных типов клеток, каждая из которых по-своему выполняет нужные команды. Давайте познакомимся с некоторыми из этих типов.

Фоторецепторы

Фоторецепторы — это клетки сетчатки, расположенной на задней стенке глаза. Они содержат светочувствительные пигменты, которые отвечают за реакцию на входящий свет, благодаря чему мы можем видеть. Эти уникальные клетки созданы для преобразования картинки, попадающей в глаз, в нервный импульс, который наш мозг интерпретирует как визуальный образ. Существует два типа фоторецепторов: палочки улавливают свет, темноту и движение, а колбочки отвечают за восприятие цвета.

Палочки и колбочки заселяют наружные слои тонкой ткани специализированных клеток, которые называются сетчаткой. Палочки более многочисленны, особенно на краях сетчатки. В центре сетчатки больше колбочек.

Вдоль кишечника и дыхательных Микроворсинки путей располагаются бокаловидные клетки. Они содержат множество секреторных пузырьков, которые вырабатывают защитное вещество — слизь.

Красные кровяные тельца

Чтобы выполнять важнейшую функцию в клетке, эритроцитам пришлось пожертвовать своим ядром в обмен на дополнительную рабочую поверхность. Структурная модификация, отличающая эритроциты от остальных клеток организма, позволяет им переносить как можно больше кислорода и доставлять этот жизнеобеспечивающий газ в наши ткани. Это чрезвычайно важная работа, поэтому эритроциты составляют почти треть всей популяции клеток в организме.

Гормоны и создание ферментов

Клетки, расположенные в эндокринной и пищеварительной системах, выполняют свои функции с помощь дополнительных инструментов. В этих клетках содержатся дополнительные рибосомы и комплексы Гольджи. Они нужны для производства и упаковки гормонов и пищеварительных ферментов, которые затем выделяются в кровь (гормоны) или желудок (ферменты).

Остеоцит занимает определенную костную область — лакуну. Его множество отростков (выростов цитоплазмы) соединяются с другими остеоцитами с помощью крошечных каналов, называемых канальцами.

Костные клетки

Самые твердые клетки располагаются в костном отделе, который постоянно обновляется и перестраивается. Эту работу делят три типа клеток. Остеобласты создают основу (матрикс) для формирования кости. Некоторые остеобласты «дорастают» до клеток остеоцитов, которые в буквальном смысле врастают в создаваемую ими субстанцию. Остеоциты — самый распространенный тип костных клеток. Они образуют большую часть кости, а также помогают в ее координации и перестройке, особенно при стрессе. Остеокласты, наоборот, реабсорбируют костный материал для высвобождения необходимых минералов (например, кальция) из матрикса или после периодов бездействия.

Стволовые клетки

Существует особый тип клеток, который выделяется среди других своими скрытыми регенеративными способностями. Стволовые клетки могут самообновляться и создавать клетки любого типа. В нескольких тканях и органах эти клетки терпеливо ждут своей активации.

Стволовые клетки, в отличие от большинства типов, не дифференцированы. Это означает, что они не являются специализированными и не выполняют каких-либо строго обозначенных ролей или функций. Получив зеленый свет для начала деления, стволовая клетка дает потомство — по одной специализированной и недифференцированной клетке.

Эмбриональные стволовые клетки

По источнику происхождения стволовые клетки делятся на два основных типа. Эмбриональные стволовые клетки присутствуют только у очень молодых эмбрионов, называемых бластоцистами. Они могут естественным образом превращаться в клетки любого типа, поэтому их назвали плюрипотентными.

Эмбриональные стволовые клетки образуются из внутренней клеточной массы бластоциста — области, которая развивается в плод. Трофобласт превращается в плаценту.

Зрелые стволовые клетки

Зрелые (или дифференцированные) стволовые клетки присутствуют почти во всех тканях взрослого человека. До недавнего времени считалось, что такие клетки способны создавать лишь ограниченное количество клеточных типов — в зависимости от расположения в ткани. Однако исследования доказали, что эти «многоцелевые» клетки не так ограничены, как нам казалось. И действительно: теперь исследователи научились химически стимулировать стволовые клетки из различных тканей, запуская преобразование в любые клеточные типы. Кроме того, ученые научились перепрограммировать, или индуцировать, «обычные» (не стволовые) взрослые клетки с уже оформленной дифференциацией или специализацией в структуры с плюрипотентными свойствами.

Трансформационный потенциал этих возможностей в регенеративной медицине просто огромен. Он не только позволит обойти этическую дилемму при использовании человеческих эмбрионов для сбора плюрипотентных клеток, но и станет панацеей в борьбе с отторжением трансплантатов со стороны иммунной системы.

На этой растрово-электронной микроскопии (РЭМ) изображена стволовая клетка костного мозга. Такие клетки, известные как зрелые, или соматические, встречаются и у детей, и у взрослых.

Квартет тканей

Наши клетки, как и сам зародыш, проходят через определенные этапы дифференциации, необходимые для того, чтобы в дальнейшем сформировать четыре типа тканей. Эти типы возникли эволюционным путем, когда специализированные клетки «узнали» друг о друге и стали объединяться в четко выраженные колонии эпителиальных, мышечных, соединительных и нервных клеток.

Соединительная ткань

Если стволовые клетки являются по отношению к другим типам мультипотентными, то клетки соединительной ткани считаются убиквитарными — потому что они есть повсюду. Соединительную ткань в организме можно найти везде. Эти клетки образуют костную и жировую ткань, хрящи, сухожилия, связки и даже кровь, поскольку имеют общее эмбриональное происхождение (они происходят из мезодермы, или среднего зародышевого листка). Как следует из названия, клетки данного типа соединяют различные части тела с помощью матрикса определенной консистенции (от жидкой до твердой или волокнистой), который прикрепляется к своим клеткам-создателям. Соединительная, или поддерживающая, ткань связывает различные ткани внутри органов, амортизирует чувствительные структуры, сохраняет энергию и держит форму.

Мышечная ткань

Клеточный компонент мышечной ткани — это мышечное волокно, названное так из-за вытянутой формы клеток. Ядра мышечных клеток располагаются по краю клеточной мембраны, благодаря чему остается больше места для тысяч мышечных нитей (миофиламентов). Миофиламенты располагаются внахлест, как переплетенные пальцы, и скользят по поверхности друг друга, отвечая за сокращение мышц и укорачивание клетки. Подробнее о структуре мышц см. параграф «Архитектура мышц», стр. 96–97.

Нервная ткань

Нервная ткань — основная в нервной системе. Она нужна для выработки и проведения электрических импульсов, благодаря которым осуществляется движение и/или выделение физиологических жидкостей. Основной единицей нервной ткани считается нейрон, или нервная клетка, который связывается с другими с помощью специфических соединений — синапсов. Нейронам помогают глиальные клетки: они поставляют питательные вещества и участвуют в проведении нервных импульсов. Подробнее см. параграф «Нейроны» на стр. 190–191.

Эпителиальная ткань

Эпителиальная ткань встречается в пограничных областях: коже, слизистой оболочке пищеварительной системы и глазах. Она также выстилает поверхность внутренних органов и дыхательных путей, носа, рта и легких. Эта ткань присутствует в различных формах — от однослойных плоских или кубических клеток до сложных многослойных видов. Эпителиальные клетки создают барьер между органами и инвазивными веществами или микроорганизмами. В этом деле им помогает один слой клеток и базальная мембрана, которая прикрепляет эпителий к остальным частям тела и регулирует все, что попадает внутрь. В модифицированной эпителиальной ткани присутствуют специальные секреторные железы, помогающие носу вырабатывать слизь, желудку — выделять пищеварительные ферменты, а коже — производить пот и себум (кожное сало).

Эпителиальные клетки, которые выстилают стенки кишечника, называются слизистой оболочкой, или мукозой.

Подсчет органов

В нашем теле можно насчитать от 78 до 79 различных органов. Эта неточность объясняется тем, что четкое определение понятия «орган» отсутствует. Но однозначно ясно, что орган представляет собой сочетание слаженно работающих тканей, выполняющих определенную функцию в организме.

Говоря об органах, подавляющее большинство людей вспоминает лишь пять известных представителей: мозг, сердце, почки, печень и легкие. Однако в одной только мочевыделительной системе, кроме почек, есть еще три важных органа: мочевой пузырь, мочеточник и мочеиспускательный канал. Самым крупным внутренним, или висцеральным, органом в нашем теле считается печень. Печень среднестатистического человека весит 1,8 кг. Но в номинации «самый тяжелый орган» все-таки побеждает кожа с весом в 2,7 кг.

Мозг, достойный собственного чемпионского звания, является самым энергозатратным органом, потребляющим порядка 20 % от всей генерируемой энергии. Мозг стал домом и для самого маленького органа — шишковидной железы. Она вырабатывает гормон мелатонин, помогающий нам заснуть.

Системы органов

С классификацией систем органов ситуация обстоит так же, как и с подсчетом точного количества органов в организме. Эта книга познакомит вас с 10 системами органов:

• покровной; • опорно-двигательной;

• сердечно-сосудистой; • лимфатической;

• дыхательной; • нервной;

• эндокринной; • пищеварительной;

• половой.

Некоторые эксперты считают, что иммунная система не входит в состав лимфатической, а мышечная относится к скелетной. Другие же объединяют лимфатическую, иммунную и сердечно-сосудистую в одну — кровеносную. Абстрагируясь от подобных вариантов, стоит помнить, что системы органов не работают изолированно: в разных системах есть множество перекликающихся функций, из-за чего точность классификации отходит на второй план.

Внутренний баланс

Наши системы органов отвечают за поддержание двух взаимосвязанных процессов: метаболизма и гомеостаза. Метаболизм не сводится к скорости, с которой мы перерабатываем пищу, чтобы производить энергию. Метаболизм представляет собой сумму всех химических реакций, происходящих внутри организма. Гомеостаз — это способ, которым организм достигает постоянства внутреннего состояния, вне зависимости от внешних условий.

Метаболизм

Метаболизм — это больше, чем деление пищи на составные элементы (белки, углеводы и сахара) в процессе, который называют катаболизмом. К метаболизму относится и обратный процесс — анаболизм. Он описывает, как именно организм использует молекулы меньшего размера (амино- и жирные кислоты) для создания более сложных молекул, способных накапливаться в виде энергии или использоваться для различных целей — от роста до борьбы с инфекциями. Скорость данных процессов зависит от различных факторов, включая возраст, пол и наследственность.

Форма активного участка фермента уникальна (напоминает замок). Реакция может происходить, только когда субстрат (ключ) подходит к ферменту (замку). В результате продукты могут соединяться или расщепляться.

К эффекторам метаболизма иногда относят ферменты, потому что они являются биологическими катализаторами, ускоряющими химические реакции в клетке. Катализировать реакции этим белкам позволяет их особая шаровидная структура. В ферментах присутствуют щели (или активные центры), в которые попадают «правильные» молекулы (субстраты). Затем эти вещества распадаются (разлагаются) на две составляющие либо соединяются, образуя более крупную молекулу. Ферменты легко узнать по названию — все они пишутся с суффиксом «-аза» (например, полимераза, амилаза и дегидрогеназа). Большинство ферментов находится внутри клетки. Наличие ферментов в крови может указывать на возможное повреждение тканей. Например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) обычно присутствует в клетках печени и сердца, поэтому повышение ее уровня в крови говорит о возможных повреждениях данных органов. Объем вырабатываемых ферментов строго ограничен — во избежание любой реакции (слишком быстрой или медленной), способной пошатнуть баланс веществ в организме и в конечном счете повлиять на гомеостаз.

Гомеостаз

Гомеостаз — это динамический и автоматический процесс, направленный на достижение внутреннего физиологического покоя. Гомеостаз во многом зависит от обратной связи со стороны различных систем органов, в частности — от нервной и эндокринной систем. Благодаря циклу отрицательной обратной связи наш организм способен управлять реакциями и минимизировать любые дисбалансы. Ведь иначе подобные реакции могут привести к болезни и, в худшем случае, к смерти.

Гомеостаз в действии

Несколько систем органов отвечает за регуляцию водного обмена в организме. При обезвоживании объем воды в крови падает. Тогда особая мозговая структура — гипоталамус — замечает изменение в состоянии и подает сигнал, который мы воспринимаем как жажду. Далее гипоталамус начинает выделять гормоны, которые заставляют почки экономить воду. Мы пьем воду до тех пор, пока ее уровень в крови не восстановится. После этого гипоталамус регистрирует это новое состояние и начинает постепенно снижать уровень гормонов, посылаемых в почки.

Когда клетки умирают

Главной особенностью всех живых существ, будь то одноклеточные или многоклеточные, является их гарантированная смерть. Это довольно парадоксальная черта, ведь, с одной стороны, она определяет, что такое быть живым, а с другой — лишний раз подчеркивает факт неизбежной гибели. На клеточном уровне смерть — примечательное событие. Сигнальные пути, отвечающие за эту важную процедуру, так же сложны и разнообразны, как и сама жизнь.

Для одноклеточного организма гибель клетки — это рок, обрывающий жизнь. Но у многоклеточных организмов, как мы знаем с начала XX века, смерть клеток играет важную роль в нормальном процессе развития. Исторически мы привыкли рассматривать смерть клетки в зрелом организме как некоего врага жизни, проводя аналогию с часами, замедляющими свой ход из-за пагубных влияний среды. Эта точка зрения потеряла свою актуальность: теперь мы понимаем, что многие травмы, вызванные внешними агентами, способны запускать суицидальную программу и активировать процедуру по избавлению от поврежденных клеток. С адаптационной точки зрения данный процесс является оптимальным решением.

С начала 1990-х годов в понимании механизмов клеточной гибели произошел радикальный сдвиг. В результате было выделено два явных сценария: случайная и запрограммированная гибель.

Недостаток кислорода или питательных веществ (или воздействие токсических веществ) может привести к гибели клеток печени из-за некроза. Обратите внимание на их бледную цитоплазму, потерю ядра, тканевую структуру и очаги воспалительных клеток (черные точки).

При некрозе клетки теряют способность управлять транспортом веществ внутри себя. Клетки и органеллы набухают, а затем лопаются, выбрасывая содержимое во внеклеточную жидкость.

Случайная гибель клетки: некроз

Случайная гибель клеток происходит неожиданно и не имеет четко выраженной цели. Она пагубна для всего организма. Такой сценарий иногда называют патологической гибелью клеток, или некрозом (от греч. nekros — мертвый). Некрозные клетки почти всегда отмирают вследствие острой или тяжелой травмы, вызванной:

• экстремальными изменениями в водно-электролитном балансе (электролиты — это соли и минералы);

• внезапной и продолжительной нехваткой питательных веществ;

• резким недостатком кислорода (аноксия);

• сильнейшими физическими и химическими травмами из-за интенсивного воздействия тепла, токсичных веществ или давления.

Некроз используют для описания всех изменений, через которые клетки и ткани проходят в процессе гибели. Клетки и органеллы не могут контролировать собственный объем и начинают набухать. В результате они лопаются и изливают свое содержимое на близлежащие области. Это очень грязный процесс, вызывающий локальную воспалительную реакцию.

Запрограммированная гибель клетки: апоптоз

В отличие от некроза, запрограммированная гибель клеток (PCD — от англ. programmed cell death) представляет собой планируемый или регулируемый сценарий гибели. PCD — это строго регламентированная процедура, происходящая в развитии организма по плану. Естественная, или «физиологическая», гибель клеток может происходить в определенных тканях на отдельных этапах развития либо затрагивать весь жизненный цикл (например, при обновлении иммунных клеток). PCD удаляет нежелательные и потенциально опасные клетки. Таким образом, PCD может возникать из-за различных стимулов, однако сам механизм гибели клеток подчинен определенному процессу под названием «апоптоз».

На этом рисунке показаны основные стадии апоптоза. Митохондрии сохраняются в клетке до самых поздних стадий, так как апоптоз является энергетически затратным процессом.

Понятие «апоптоз» происходит от греческого слова, обозначающего «листопад». Этот термин ввели патологоанатом Эндрю Уилли и его коллеги в 1971 году. Апоптоз — это «встроенная» программа гибели внутри клеток, эффективный и чистый способ избавления от нежелательных и умирающих клеток. Несмотря на то что термины «PCD» и «апоптоз» часто используются как синонимы, бывают случаи, когда PCD не является апоптозом. Например, клетки, выстилающие матку, запрограммированы на гибель к началу менструации, но по факту они погибают от некроза в результате недостаточного кровоснабжения.

В отличие от некротических клеток, на апоптозные действует ряд белков, которые называются каспазами. Апоптозные клетки не разбухают, а, наоборот, сжимаются и со временем распадаются на мембранно-связанные везикулы (апоптозные тельца). На поверхности этих везикул располагаются специальные маркеры, которые привлекают белые кровяные тельца (фагоциты), поглощающие клетки. Клеточные компоненты оборачиваются защитной протеиновой оболочкой, благодаря чему в апоптозе, в отличие от некроза, нет «утечки» потенциально вредных субстратов.

Темная сторона апоптоза

Апоптоз отвечает за поддержание нормального тканевого баланса, но в то же время связан и с рядом заболеваний. Следовательно, у апоптоза, как и у некроза, есть своя темная сторона.

Слишком слабый апоптоз (в клетке с аномальной устойчивостью к апоптозу) вызывает следующее.

Врожденные дефекты.

Лишние клетки не отмирают.

Аутоиммунные заболевания.

Накапливаются аутоиммунные реактивные клетки.

Рак.

Клетки с поврежденными генами, управляющими ростом, не умирают и продолжают расти.

Чрезмерный апоптоз (когда апоптоз активируется в клетке, в которой его быть не должно) может иметь следующие последствия.

Синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД).

Белые кровяные тельца (Т-клетки) начинают погибать после заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ). Подробнее см. «Иммунодефицит» на стр. 163.

Дегенеративные заболевания нервной системы.

Начинают гибнуть нейроны, что ведет к ухудшению работы мозга. Подробнее см. параграф «Нейроны» на стр. 190–191.

Инсульт.

Временный недостаток кислорода в клетках головного мозга приводит к их гибели от апоптоза.

Глава 3. Идеальная обертка

Покровная система

Известная компания по уходу за кожей говорит нам: «Любите кожу, в которой вы живете». И это справедливо, ведь кожа у нас одна. Хотя на самом деле кожа обновляется чуть ли не каждый месяц, но меняется только ее поверхностный слой…

Кожа относится к покровной системе. Кожа и ее производные формируют покровный слой, или интегумент (от лат. integumentum — покрытие). Кожа не только покрывает всю поверхность тела, но и выстилает ротовую полость, а также анальный канал. Так почему же мы должны любить свою кожу? Вот несколько причин:

• это самая заметная часть тела, влияющая на внешний вид;

• кожа бывает разных оттенков;

• это основной барьер между нами и внешним миром — кожа является первой линией защиты от вредных химических веществ и микробов;

• кожа помогает контролировать температуру тела;

• под действием солнца она вырабатывает важнейший укрепитель костей — витамин D;

• кожа эластична, но прочна, непроницаема, но не позволяет организму высыхать;

• кожа передает сенсорную информацию об окружающей среде;

• она помогает защитить нас от ультрафиолетового излучения.

Что здесь можно не любить? Конечно же, кожа заслуживает должного внимания. В отличие от многих герметичных оболочек, кожа представляет собой необычайно активный и разноплановый, дышащий и секреторный орган. Кроме того, она весьма скрупулезно следит за всем, что попадает внутрь. Например, если бы мы были жирорастворимым химическим веществом и отчаянно пытались пройти фейсконтроль в клуб под названием «организм», то нам стоило бы обходить стороной ступни, чтобы на входе не прождать слишком долго. Быстрее всего мы пройдем фейсконтроль в мошонке. Так что, если нам вдруг захочется поскорее попасть в организм, заходить лучше оттуда.

Кожный покров состоит из трех слоев: эпидермиса, дермы и нижнего слоя — гиподермы.

Слои кожного покрова

Существует три защитных слоя покровной ткани. Внешний слой, или эпидермис, прочно соединен с более глубоким слоем — дермой. Именно на такую глубину набиваются татуировки. Под этими слоями располагается гиподерма, которая состоит в основном из жировых клеток и соединяет кожу с мышцами и костями.

К вспомогательным структурам кожи относят волосы и ногти, а также секреторные железы, выделяющие пот или маслянистое вещество под названием «себум» (кожное сало). Все они образуются из одного эмбрионального слоя, который затем развивается в эпидермис и простирается вплоть до дермы.

При повреждении кожного покрова тяжесть и последствия травмы зависят от количества пораженных слоев — чем глубже поражение, тем серьезнее травма. К счастью, кожа является одной из самых быстро восстанавливающихся частей тела. Подробнее о целительных способностях кожи см. параграфы «Реакция на занозу» и «Обитель тромбоцитов» на стр. 157–161.

Эпидермис

Верить в то, что эпидермис — это не более чем верхний слой кожи, простительно. Но если копнуть чуть глубже, выяснится, что сам эпидермис состоит из нескольких слоев, число которых может доходить до пяти.

Самый нижний слой эпидермиса — это базальный слой. Он располагается чуть выше дермы и образуется одним слоем «живых» эпителиальных клеток (см. параграф «Квартет тканей» на стр. 43). Такие клетки называются кератиноцитами. Остальные слои эпидермиса состоят из клеток, которые в буквальном смысле доживают последние дни. И действительно: эпидермис — это место, где мертвые покоятся над живыми.

На этом микроснимке показаны клетки эпидермиса. Клетки всех слоев над самым глубоким, или базальным, слоем называются кератиноцитами. Постепенно они отмирают, сплющиваются и затвердевают, а под давлением новых клеток выталкиваются ближе к поверхности.

Зародышевый слой — зачастую так называют базальные кератиноциты. Они постоянно делятся и создают новые клетки, которые затем выталкиваются в поверхностный слой. В процессе этого движения кератиноциты вырабатывают белок — кератин, который придает эпидермису прочность и водостойкость. По мере продвижения на поверхность кератиноциты сплющиваются, теряют ядро, затвердевают и умирают, лишая верхний слой живых клеток. Этот верхний, или роговой, слой отпадает в результате ежедневной активности человека. Крайне важно, чтобы клетки в базальном слое обновлялись с той же скоростью, с которой они отмирают в роговом слое. Дисбаланс может привести к развитию псориаза. При такой патологии клетки заменяются слишком быстро (каждые 3–7 дней) и скапливаются в утолщенных чешуеобразных пятнах.

Создан защищать

Толщина кожи по всему телу неоднородна. Она зависит от количества слоев эпидермиса и интенсивности воздействия, которому подвергается кожа. Самый тонкий участок кожи — веки, а самый толстый — ладони и ступки. В них, помимо стандартных четырех слоев эпидермиса, присутствует еще и пятый. Также в эпидермисе содержатся иммунные клетки — клетки Лангерганса, которые очищают кожу от инвазивных микроорганизмов.

Кератиноциты в нижних слоях эпидермиса склеиваются между собой в определенных участках — десмосомах, что повышает механическую прочность кожи.

Эта модель показывает молекулярную структуру белка кератина, который присутствует в эпидермисе, волосах и ногтях.

Базальная мембрана

Эпидермис крепится к следующему слою — дерме — с помощью межклеточного вещества, которое называют базальной мембраной. Эта мембрана выполняет адгезивную функцию, а также защищает нижние структуры кожи от потенциально опасных объектов, включая наши собственные клетки, которые могут мутировать и превращаться в злокачественные.

Меланин защищает ДНК наших клеток от вредного ультрафиолетового излучения. Он поглощает ультрафиолетовые лучи, отводя их от ДНК. Нарушение этого процесса вызывает мутацию, способную привести к развитию рака.

Цвет кожи

Люди всех цветов кожи вырабатывают одинаковое количество меланоцитов. Темный оттенок кожи определяется степенью активности меланоцитов и количеством дендритов, которые могут «дотягиваться» до других клеток. У темнокожих людей более крупные меланоциты. Такие клетки вырабатывают больше меланина, а большее количество дендритов в клетках охватывает большую поверхность кожи.

Как бы странно это ни звучало, но у альбиносов тоже есть меланоциты, однако их способность вырабатывать и распространять меланин ограничена генетической мутацией. Все это приводит к тому, что кератиноциты лишаются пигмента.

Родинки, или невусы, образуются при скоплении групп меланоцитов. Веснушки появляются, когда под действием ультрафиолета гиперактивные меланоциты начинают вырабатывать много меланосом. И группы кератиноцитов в огромном количестве поглощают эти меланосомы.

Чаще всего веснушки встречаются у бледнокожих и рыжеволосых людей, поскольку такие люди являются носителями варианта гена MC1R.

Меланоциты

Одной из популяций клеток, которая чаще всего превращается в злокачественную, являются особые клетки — меланоциты. Эти клетки располагаются вдоль базального слоя и вырабатывают темный пигмент меланин. Именно он придает окрас нашей коже, волосам и радужной оболочке глаз. Это возможно благодаря дендритам — пальцевидным отросткам цитоплазмы меланина. Дендриты встречаются не только у меланоцитов, они широко распространены и в нервных клетках. Меланоциты и клетки нервной системы очень похожи, ведь когда-то, когда мы еще были развивающимися эмбрионами, группа клеток, которой суждено было стать меланоцитами, отделилась от области, из которой в дальнейшем сформировался спинной мозг.

Меланоциты, как альтруистичные осьминоги, упаковывают меланин в гранулы (меланосомы) и распределяют их по соседним кератиноцитам для дальнейшего всасывания. Оказавшись внутри, меланосомы распадаются, а клетки наполняются меланином. Это «клеточное подношение» повторяется по всей поверхности кожи, делая ее способной разрушать ультрафиолетовое излучение.

Дерма

Эпидермис аваскулярен, то есть в нем отсутствуют кровеносные сосуды. Именно поэтому поверхностные порезы кожи не кровоточат и болят не так сильно. Однако если рана рассекает эпидермис насквозь, то обнажается белоснежный слой плоти, и начинается кровотечение. Если травма доходит до дермы с ее внутренними системами восстановления и сетями кровеносных и лимфатических сосудов, то после заживления остается шрам.

Этот толстый слой соединительной ткани отвечает за питание эпидермиса. Скрученные белковые волокна коллагена и эластина помогают дерме создавать прочный и эластичный каркас, который позволяет нашей коже растягиваться и сжиматься. Между этими волокнами располагается целая популяция различных структур.

Наша способность различать тактильные ощущения, незначительную боль и тепло зависит от всех этих структур.

Сосочки

Сосочки — это крошечные кожные отростки, или бугорки, выступающие из дермы в эпидермис. Лучше всего сосочки видны на стопах и ладонях. Там они образуют петли и завитки, из которых складываются отпечатки пальцев. Под микроскопом сосочки видны как завитки крошечных кровеносных сосудов (капилляров), которые объединяются в вертикальные дуги. Кстати, именно эти дуги вызывают точечные кровоизлияния при ссадинах.

Сосочки дермы питают эпидермис и содержат тактильные рецепторы, или осязательные тельца Мейснера. Тельца Мейснера позволяют различать даже легкие прикосновения.

Сенсорные рецепторы

Дермальные нервы проходят через эпидермис, благодаря чему оба слоя могут передавать сенсорную информацию в головной мозг. Большинство сенсорных рецепторов реагирует на давление, температуру и осязание.

Эти специально приспособленные нервные окончания располагаются в дерме на разной глубине, именно поэтому мы можем реагировать на различные типы прикосновений. Малейшее нарушение или искажение запускает нервный импульс, который либо заглушает реакцию, и мы забываем о происходящем (например, при трении одежды о кожу), либо посылает сигналы для привлечения нашего внимания (например, когда мы испытываем боль).

Потовые железы

Говорят, что лошади — взмыливаются, мужчины — покрываются испариной, а женщины сияют.

Но что это: пережиток викторианских культурных традиций или научный факт? Японское исследование, проведенное в 2010 году, доказало научную обоснованность этого утверждения. Ученые выяснили, что небольшая группа женщин из 37 испытуемых начинала потеть только после повышения температуры тела. В то время как у мужчин подобной закономерности не отмечалось. Мужчины начинали потеть быстрее, возможно под влиянием тестостерона.

Наше тело содержит миллионы потовых пор (показаны на микроснимке), которые образуют изогнутые каналы у основания дермы.

Другие ученые оспорили эти результаты, указав на ограниченность исследования и подчеркнув тот факт, что потоотделение регулируется абсолютной силой, а не половой принадлежностью.

Если оставить в стороне научные объяснения, то получается, что все мы потеем, даже находясь в покое. Но не всегда замечаем это. Процесс потоотделения реализует потовая железа — длинный, полый и извитый проток эпидермальных клеток.

В нашей коже можно насчитать до 3 миллионов потовых желез. Они вырабатывают водянистый секрет, который помогает телу охлаждаться и сохранять постоянную температуру, или, метафорически говоря, остывать. И в каждом из этих случаев потовыми железами управляет нервная система.

Извитый клубок потовой железы располагается глубоко в слое дермы, а проток позволяет выводить пот на поверхность. Но не все потовые железы одинаковы, как известно вашему носу. Существует два типа потовых желез.

Апокринные. Эти потовые железы располагаются в волосистых областях кожи (подмышки и пах), а также вокруг сосков. В период полового созревания апокринные железы стимулируют выделение пота с характерным запахом. Этот запах вызывают сочетание продуктов распада, выделяемых бактериями на поверхности кожи при разрушении углеводных, белковых и жировых компонентов пота, и мускусный аромат феромонов, связанных с сексуальной привлекательностью.

Эккринные. Эккринные потовые железы встречаются чаще и располагаются по всей поверхности тела, кроме губ и определенных участков гениталий. Наиболее распространены на ладонях и ступнях. В основном эккринные железы выделяют воду, соль и продукты распада, включая незначительное количество мочевины. В жаркий день мы можем терять с потом до 2 л жидкости, поскольку организм охлаждается за счет того, что тепло собственного тела испаряется через пот.

Еще одним типом секреции является ушная сера, или cerumen. Ее вырабатывает церуминозная железа — видоизмененная потовая железа в ухе. Она выделяет липкий воскоподобный субстрат, состоящий из пота и маслянистого себума. Сера служит защитной для барабанной перепонки.

Сальные железы

Сальные железы вызывают прыщи. Но имейте в виду: это происходит только при закупорке или инфицировании желез. Эти специализированные эпидермальные клетки служат для тела источником естественного увлажнения. Они присутствуют повсюду (кроме век) и прикрепляются к волосяному фолликулу, в который выделяют маслянистую жирную субстанцию для смазки кожи и волос. Если не мыть лицо или голову несколько дней подряд, то этот жир — кожное сало — накапливается.

Кожное сало, которое вырабатывают сальные железы, может смешиваться с омертвевшими клетками кожи и вызывать появление угрей. Угрем (комедоном) называют закупоренный волосяной фолликул. Черные или белые угри инфицируются бактериями, что приводит к воспалению, повреждению и возможному рубцеванию кожи или волосяного фолликула.

Кожное сало не только поддерживает водостойкость кожи, но и создает неблагоприятную среду для определенных типов бактерий и грибков, поскольку при смешивании с потом окисляет поверхность кожи. Количество выделяемого кожного сала (себума) зависит от наших половых гормонов. Эти гормоны активируются в период полового созревания, поэтому подростковые годы сопровождаются появлением характерных прыщей.

Мышцы волоса

В коже есть все четыре типа тканей: эпителиальная, нервная, соединительная и мышечная (см. параграф «Квартет тканей» на стр. 43–44). Мышечная ткань представлена в виде arrector pili — мышцы, поднимающей волос. Эти небольшие пучки гладких мышц располагаются по диагонали и в непосредственной близости к волосяным фолликулам. Контролировать их мы не можем. Когда нам холодно или страшно, мышцы сами сокращаются, натягивая основание волоса и приподнимая его кончик. Это называется пилоэрекцией.

Гусиная кожа, или мурашки, — это эволюционное наследие от наших предков — волосатых обезьян.

Скорее всего, пилоэрекция знакома вам под названием «гусиная кожа» или «мурашки». В те времена, когда наши предки выглядели как йети, это была необычайно важная функция. Сейчас же пилоэрекция больше нужна мохнатым животным, ведь она удерживает у поверхности тела воздух, повышая теплоизоляцию. Кроме того, в ситуациях «бей или беги» пилоэрекция помогает животным выглядеть крупнее. К счастью, у нас не бывает гусиной кожи на лице (а также в бровях, ресницах, усах и носах). У таких волосков нет мышц.

Гиподерма

Термин «гиподерма» происходит от греческих слов, означающих «под кожей». Гиподерму часто называют подкожно-жировым слоем или подкожной фасцией. Технически гиподерма не является частью кожи, но она соединяет кожу с остальной частью тела и сливается с соединительными тканями, покрывающими мышцы.

Гиподерма, которая состоит в основном из белой жировой ткани (подкожно-жировой клетчатки), кровеносных сосудов и белковых волокон, выполняет сразу несколько функций:

• коллагеновые волокна гиподермы позволяют коже без труда перемещаться по низлежащей мышечной ткани;

• большое содержание жира в гиподерме служит теплоизолятором, амортизатором и резервным запасом энергии;

• жировая ткань является основным эндокринным органом, секретирующим гормоны. Она выделяет небольшое количество эстрогена (у мужчин и женщин), а также гормон лептин, который управляет чувством голода. Гиподерма содержит рецепторы, позволяющие ей реагировать на сигналы других эндокринных органов и нервной системы.

Типы жировой ткани

Около 50 % гиподермы здорового взрослого человека состоит из жира. Этот тип называют белой жировой тканью, она накапливается в организме, когда вы набираете вес. Бурый жир, также известный как бурая жировая ткань, располагается в передней и задней частях шеи и в верхней части спины. В бурых жировых клетках много митохондрий, а железо, содержащееся в этих митохондриях, придает клеткам бурый оттенок. Наше тело использует бурый жир только для сжигания калорий и выработки тепла. В отличие от белой жировой ткани, бурый жир не откладывается про запас, а физические упражнения, сон и воздействие холодных температур, наоборот, увеличивают количество такого жира в организме.

Висцеральный жир при метаболическом синдроме. Это серьезная патология, при которой вокруг органов скапливается большое количество белой жировой ткани.

Увядание кожи

Одним из преимуществ или недостатков нашей кожи является то, что она наглядно демонстрирует процесс старения. Как правило, возрастные изменения в коже начинаются после тридцати лет. Из-за образа жизни и невоздержанности этот процесс может ускоряться. С возрастом наша кожа теряет свою эластичность: клетки уменьшаются в размерах, а в эпидермисе и дерме увеличивается количество аномалий. Если базальный слой замедляет производство новых клеток и не поспевает за скоростью отмирания клеток из рогового слоя, то эпидермис истончается. С возрастом коллагеновые и эластиновые волокна дермы, обеспечивающие прочную структуру кожи, теряют свою упругость и деформируются, что приводит к образованию морщин. К возрастным изменениям в гиподерме относится потеря жировой ткани, особенно в руках и ногах. Это лишний раз подчеркивает изменения в дерме и способствует обвисанию кожи. А с потерей упругости кровеносные сосуды становятся более уязвимыми к перфорации и ушибам.

Разве вы не волосаты?

Наши волосы — это еще одна разновидность мертвых клеток эпидермиса. Для многих людей волосы в равной мере повод и для гордости, и для беспокойства. Около 5 миллионов белковых волокон, или филаментов, испещряют поверхность кожи. У большинства людей с густой шевелюрой свыше 100 000 прядей на голове.

Волосы выполняют множество функций, включая:

• теплоизоляцию;

• защиту носа и ушей от попадания вредных микробов;

• защиту внутренних структур от солнечных лучей. Этим и объясняется высочайшая плотность волосяного покрова на голове: он защищает ценнейший орган нашего тела — мозг.

Со временем во всех трех слоях кожи происходят изменения.

Структура волос

Стержень: волосы развиваются так же, как и верхний слой кожи. Видимая часть пряди, или стержень волоса, — это особая форма кератина. Он состоит из трех слоев: губчатого внутреннего ядра (мозгового слоя), среднего — кортекса (коркового вещества) и наружного, прозрачного слоя кутикулы. Все клетки стержня — неживые.

Фолликул: стержень удерживается на коже благодаря трубке эпидермальных клеток — волосяному фолликулу, который проникает в дерму. Волосяные фолликулы формируют скрытую часть пряди — корень волоса. Форма волосяных фолликулов определяет тип волос: вьющиеся, прямые или волнистые.

Луковица: если рассмотреть корень волоса повнимательнее, можно увидеть, что он имеет форму луковицы, чем-то напоминающую лук-батун. Луковица — это место, откуда волос растет. Зародышевый слой базальных кератиноцитов постоянно вырабатывает новые клетки, которые выталкивают вышестоящие вверх, подальше от целебных питательных веществ, поставляемых волосяным сосочком. Сосочек — это структура у основания волосяного фолликула, в которой крошечные кровеносные сосуды переносят кровь, кислород и питательные вещества в волосяную луковицу. Базальные клетки луковицы — одни из самых быстро делящихся клеток. В процессе нашего развития их активные профили заставляют эпидермальные клетки погружаться все глубже в дерму для достаточного кровоснабжения. Также здесь присутствуют и меланоциты, которые поставляют меланин в корневые клетки, а затем окрашивают внутреннюю и среднюю области волосяного стержня.

Сплетение: обвивает волосяную луковицу. Сплетение — так закручено называют сеть сенсорных нервов, которые помогают нам ощущать движение волос.

От прямых волос до афрокудряшек: тип волос определяется формой волосяных фолликулов.

Рост волос

Клетки наших волос — одни из самых активных во всем организме, поэтому иногда им нужна передышка. Вот почему наши волосы периодически входят в стадию активного роста или отдыха, а затем выпадают. За свою жизнь каждый волосяной фолликул может пройти этот цикл как минимум 25 раз.

Этот рисунок показывает три фазы роста волос. Максимальная длина волоса определяется тем, как долго он пребывает в стадии анагена.

Анаген. Длина активной фазы роста, также известной как анаген, различается у волос, растущих в разных местах. У волос на голове она занимает порядка 2–6 лет. В других участках (брови или ноги) анаген длится недели или месяцы, чем объясняется короткий период жизни этих волос. В ходе анагена различные факторы роста стимулируют волосяные фолликулы к созданию новых клеток. В любой отрезок времени в этой фазе будет находиться около 80 % всех волос. Волосы на голове растут примерно на 1,25 см в месяц. Известно, что повышенный уровень женского гормона эстрогена во время беременности продлевает эту фазу и награждает женщин более густыми и длинными волосами.

Катаген. Затем волосяной фолликул переходит в следующую фазу — катаген. В этой фазе активный рост прекращается. Фолликул сжимается и разворачивается, из-за чего волосяная луковица отрывается от корня и лишается питания. Эта короткая фаза длится всего 2–3 недели.

Телоген. В течение нескольких недель волосы не растут, но затем волосяной фолликул активируется. Тогда он начинает создавать новые волосы и избавляется от старых, вынуждая их выпасть во время мытья или расчесывания. Таким образом, ежедневно мы теряем по 50–100 волосков на голове.

Потеря волос

Факторы, влияющие на волосяной фолликул или повреждающие его, могут привести к замедлению роста волос или их выпадению (алопеции):

• старение влияет на количество активных волосяных фолликулов;

• стресс может способствовать ускоренному приходу фазы телогена для большого количества волосяных фолликулов, что приведет к интенсивному выпадению волос;

• считается, что гормон дигидротестостерон (ДГТ), получаемый из главного мужского гормона тестостерона, снижает количество волосяных фолликулов у мужчин (и некоторых женщин) с генетической восприимчивостью к данному гормону. Это приводит к замедлению роста волос и классическому облысению по мужскому типу;

• фолликулит — частое заболевание кожи, которое вызывают бактерии или грибки, поражающие волосяной фолликул. Фолликул воспаляется и заполняется гноем, образуя красные и болезненные пустулы;

• очаговая алопеция заставляет наши иммунные клетки воспринимать волосяные фолликулы как «чужаков» и нападать на них.

A, O и M — это различные типы облысения по мужскому типу. Они наследуются по материнской линии.

Цвет волос

Цвет волос определяют только три фактора, не считая парикмахеров. Благодаря меланоцитам, солнцу и возрасту наши волосы превращаются в настоящих хамелеонов.

Меланоциты. Под действием фермента тирозиназы меланоциты из волосяных фолликулов вырабатывают два типа пигмента меланина: светлый (феомеланин) и темный (эумеланин). Если у вас светлые волосы, то ваши меланоциты вырабатывают феомеланин. Если у вас каштановые или черные волосы, то ваши меланоциты вырабатывают много эумеланина. Если цвет ваших волос лежит посреди между этими двумя оттенками, то у вас вырабатывается смесь двух меланиновых пигментов.

Черный и каштановый — самые распространенные цвета волос в мире.

Солнечный свет. У меланоцитов в коже складываются совершенно особенные отношения с солнечными лучами, чего не скажешь о наших волосах. Попадание солнца на кожу вызывает окисление меланина. Меланоциты не переносят окисленный меланин, поэтому в ответ начинают вырабатывать еще больше меланина, из-за чего наша кожа темнеет. Если же солнце достигает меланина в стержне волоса и окисляет его, то со временем этот волос светлеет (или обесцвечивается). Это происходит, потому что в стержне нет меланоцитов, которые могли бы нейтрализовать солнечное воздействие.

Серая седина может появляться и тогда, когда белые волосы равномерно распределены среди волос с нормальной пигментацией. Как правило, белые волосы являются признаком старения и отключения тирозиназы.

Старение. С возрастом фермент тирозиназа замедляет свою активность и начинает выделять слишком мало пигмента. Так появляется серая седина. Если же тирозиназа полностью исчезает и перестает вырабатывать пигмент, то волосы становятся совершенно белыми.

Ногти

Ногти нужны не только для того, чтобы чесаться или ковырять в носу. Эти прозрачные ороговевшие пластины кератина защищают наши самые удаленные части тела — пальцы рук и ног, — а также помогают нам захватывать и удерживать предметы.

Строение

Строение и развитие ногтей и волос похожи.

Тело ногтя. Это та самая часть, которую красят лаком. Тело ногтя, как и волосяной стержень, состоит из мертвых клеток. Однако здесь больше кератина, а клетки расположены ближе друг к другу. Все это делает ногти необычайно твердыми.

Корень (матрица) ногтя. Ноготь развивается из корня, или основания. Мы не видим основание ногтя, потому что оно спрятано за ногтевой лункой. Эпидермальные клетки корня постоянно делятся, и за месяц может отрастать до 5 мм ногтей. Новые клетки выталкивают старые. Они уплотняются кератином, отмирают и формируют тело ногтя, которое покоится на ногтевом ложе.

С маникюром или без, но все ногти устроены одинаково.

Лунула (ногтевая лунка). Является частью корня ногтя. Лучше всего ее видно на большом пальце — она представлена в виде белесого полумесяца (из-за более толстого слоя). Ногтевая лунка прикрывает крошечные кровеносные сосуды ногтевого ложа.

Кутикула. Корень и основание ногтя прикрыты полупрозрачным слоем кожи — кутикулой. Эта тонкая полоска мертвых эпителиальных клеток прилипает к телу ногтя.

Свободный край. Свободный край ногтя, или кончик, — это непрозрачная область, которая растет в длину. Ногти на руках растут быстрее ногтей на ногах. Отчасти потому, что процесс роста идет тем быстрее, чем длиннее кость в конце фаланги.

Расскажут о здоровье

У ногтей есть еще одно полезное свойство: они могут многое рассказать об общем состоянии организма. Дело в том, что если какому-то органу нужны питательные вещества, то каждый раз эти вещества забираются у ногтей. Если в вашей диете не хватает белка, то через пару месяцев это проявится в виде бледных пятен на ногтях, их еще называют млечными пятнами (а на медицинском языке это лейконихия). Похожие на занозы крошечные красные полоски под ногтем — это кровоизлияния у основания ногтей. Они могут указывать на инфекцию сердца — инфекционный эндокардит, хотя могут возникать и из-за других, менее серьезных причин. При инфекционном эндокардите сгустки крови из сердца переносятся в другие части тела, включая крошечные кровеносные сосуды ногтевого ложа.

Когда врач смотрит на наши ногти, он ищет признаки возможных проблем со здоровьем. Болезни и дефициты способны изменять внешний вид и скорость роста ногтей.

Глава 4. Двигай телом

Опорно-двигательная система

Когда-то давно мышечная и скелетная системы решили объединиться, чтобы мы смогли двигаться. Наши кости способны на многое, но для движения им необходимы мышцы. Без мышц осознанное движение невозможно.

Мышцы

Мышцы бывают трех форм и относятся к двум разным группам. Скелетная мышца — это тип, который чаще всего ассоциируют со словом «мышцы». Как следует из названия, такая мышца прикрепляется к скелету. Ее еще называют произвольной или поперечно-полосатой. Вы не можете осознанно управлять сердечной мышцей и гладкой мускулатурой, поэтому они относятся к непроизвольно сокращающимся мышцам. Гладкие и сердечные мышцы описаны в главе 5 «Кроваво-красная магистраль» на стр. 113.

Соединительная ткань

Опорно-двигательная система во многом полагается на соединительную ткань и активно эксплуатирует ее для собственных нужд. Наши кости соединяются между собой эластичной волокнистой соединительной тканью (связками).

Пространства, образованные в месте соединения костей, называются суставами.

Суставы покрыты упругой соединительной тканью — хрящом. Мышцы прикрепляются к костям с помощью жестких волокон соединительной ткани, которые называются сухожилиями.

Еще одна разновидность соединительной ткани для крепления мышц — фасции. Фасции соединяют мышцы между собой и фиксируют их.

Скелет

Наш костный ансамбль состоит из 206 участников, самый крупный из которых — бедренная кость, или бедро, а самый мелкий — стремечко в среднем ухе. Более половины костей нашего тела расположены в руках и ногах. Кстати говоря, когда вы были ребенком, то костей у вас было гораздо больше. Просто часть из них срослась, выполнив свою основную функцию.

Кости похожи на строительные балки. Эта прочная, живая и подвижная соединительная ткань постоянно перестраивается, восстанавливается и обновляется. Изношенные кости растворяются и заменяются новой тканью.

Без костей мы были бы бесформенными, слизнеобразными студнями жира, кожи и мышечной массы, не способными защитить свои органы от воздействий. Кости не только выполняют двигательную функцию и защищают наше сердце, легкие и центральную нервную систему (головной и спинной мозг), но и помогают дышать, останавливать кровотечения и бороться с инфекциями. Как? Предоставляя для производства кровяных клеток площадку, лежащую в глубине костного мозга.

Но на этом их польза не заканчивается. Наши кости служат хранилищем для важнейших минералов — кальция и фосфатов, которые выделяются в кровь в случае необходимости.

Ну и насколько сильно вы любите свой скелет сейчас?

Осевой скелет

Как правило, все кости относятся к двум типам скелетов. В состав осевого скелета входят череп, позвоночник, ребра и грудина. Проведите воображаемую линию от макушки головы вниз. Эти кости образуют центральную вертикальную ось, которая защищает всю центральную нервную систему и внутренние органы. А добавочный скелет включает все кости, которые прикрепляются к центральной оси.

Череп

Череп защищает мозг и органы чувств. Наши глаза погружены в глубокие глазницы, а «детектор запаха» всей обонятельной системы находится в носовой полости. Существуют разные классификации костей черепа. Если классифицировать их по подвижности, то выделяют череп и нижнюю челюсть.

Кости черепа защищают самый ценный орган — мозг.

Также можно классифицировать кости черепа в соответствии с тем, что именно они защищают: мозговой отдел черепа (круглый свод черепа и лобная часть, в которых расположены мозг и его ствол) и лицевой отдел черепа (лицевые кости, которые защищают органы чувств и являются основой для крепления лицевых мышц).

Семь пар грудинных (истинных) ребер соединяются с грудиной реберными хрящами. Три пары ложных ребер соединяются с груди- ной седьмым ребром. У некоторых людей две последние пары свободных ребер могут отсутствовать.

Грудная клетка

Грудная клетка состоит из 12 пар изогнутых костей, которые защищают сердце и легкие. По способу крепления к грудине или позвоночнику выделяют истинные, ложные и свободные ребра. На грудине, или грудной кости, есть небольшая косточка — мечевидный отросток, который реаниматологи используют в качестве ориентира для проведения непрямого массажа сердца.

Позвоночник

Позвоночник, или позвоночный столб, состоит из 33 позвонков. Он поддерживает голову и туловище, а также служит основой для крепления ребер. Позвоночный столб имеет изогнутую форму, необходимую для равномерного распределения веса. 24 верхних позвонка соединяются друг с другом суставами, благодаря чему мы можем наклоняться и поворачиваться. По структуре и типу нагрузки выделяют три отдела позвоночника: шейный, грудной и поясничный. Нижний отдел позвоночного столба состоит из двух сросшихся позвонков: крестца и копчика.

Что у нас в костях?

Разгрызть кости куда сложнее, чем кажется, если глядеть на собак. Давайте взглянем на бедро. Тело длинной кости называется диафизом, а выпуклые концы — эпифизами.

Собаки не глупы: в костном мозге содержится множество полезных элементов. Он бывает двух типов. Внутри диафиза находится желтый костный мозг, который состоит в основном из жировых клеток. У взрослых в желтом жире из костного мозга присутствуют стволовые клетки, создающие костную и хрящевую ткани. Желтый мозг является резервом для создания клеток крови, но обычно все клетки крови производит красный костный мозг.

Нашу кость формируют два типа оссеина, или костной ткани. Стенки диафиза состоят из трубчатой кости — крепкой и компактной, способной выдерживать тяжелый вес и не ломаться. В эпифизах, наоборот, преобладает внутренний слой губчатой кости, заполненный красным костным мозгом.

Типичная длинная кость состоит из структур, способных накапливать минеральные вещества и создавать клетки крови.

Наружную часть кости выстилает надкостница — двухслойная мембрана из соединительной ткани. Ее внешний слой состоит из волокон коллагена. Именно к надкостнице прикрепляются мышцы, сухожилия и связки. Она содержит нервные, кровеносные и лимфатические сосуды, которые переносят питательные вещества к компактному веществу кости. В более глубоком клеточном слое присутствуют стволовые (остеогенные) клетки, создающие остеобласты — строительные кирпичики костей.

Костные клетки

Остеогенные клетки.

Эти стволовые клетки — единственные клетки в кости, способные к делению. Они формируют внутреннюю оболочку эндоста (внутренней надкостницы).

Остеобласты.

Кость — это каркас, или матрикс, создаваемый остеобластами. Остеобласты секретируют вещества, которые становятся основой для коллагеновых белковых волокон. Затем к этим волокнам прилипают, затвердевая, соли фосфата кальция.

Остеоциты.

За состоянием кости следят более зрелые типы остеобластов — остеоциты. Эти клетки созревают по мере окостенения остеобластов в матриксе. Остеоциты «живут» в небольших участках матрикса, называемых лакунами. Это овальные клетки с множеством отростков. Их цитоплазма проходит по небольшим канальцам, позволяющим остеоцитам взаимодействовать друг с другом и обмениваться полезными веществами или продуктами распада.

Остеокласты.

Остеокласт не остеогенный по происхождению. Это скорее лейкоцит второго поколения и потомок макрофагов (см. параграф «Белые кровяные тельца» на стр. 146–149). Такие клетки присутствуют в надкостнице и в эндосте. Остеокласты с остеобластами следят за тем, чтобы скорость разрушения и реабсорбции существующей кости не превышала скорость образования новой ткани. В противном случае может возникнуть остеопороз.

У каждого из четырех типов костных клеток своя роль.

Губчатая и трубчатая кости

В разных костях содержится разное количество костной ткани. Несмотря на то что губчатые и трубчатые кости состоят из одинаковых материалов, их внутреннее строение различается.

Трубчатая (компактная) кость

Трубчатая кость формирует внешнюю стенку костей. Это второй по твердости материал в нашем организме (после зубной эмали); на его долю приходится 80 % веса костей. Трубчатая кость в разы плотнее губчатой, поэтому такая кость выглядит белой и гладкой.

Трубчатая кость формирует твердую и прочную защитную оболочку вокруг губчатой кости. В ней содержится плотно упакованный костный материал.

Трубчатую кость формируют микроскопические столбики (остеоны), которые состоят из концентрических колец остеоцитов. Такое кольцо называют ламеллой (костной пластинкой). В центре каждого остеона располагается Гаверсов канал, выстланный эндостом. В эндосте содержатся нервы, кровь и лимфатические сосуды, которые разветвляются во внешний и внутренний слои кости. Трубчатая кость покрыта надкостницей.

В здоровом состоянии наши кости не ломаются при беге или прыжках, потому что трабекулы губчатой кости смягчают механическую нагрузку.

Губчатая (спонгиозная) кость

Губчатая кость — это внутренняя костная ткань. Она присутствует на концах длинных костей, костей таза, ребер, позвонков и черепа. Благодаря своей пористой структуре губчатая кость подвижнее и слабее трубчатой кости. Общая поверхность губчатых костей примерно в десять раз больше, чем трубчатых.

Губчатая кость состоит из костных балок, или перекладин (трабекул), которые формируют пористую основу. Поверхность трабекулы выстлана эндостом. Характер роста трабекул обусловливается нагрузкой на кость. Пространство внутри трабекул заполнено красным костным мозгом. Остеонов нет, но лакуны заняты остеоцитами (как и в компактной кости).

Позвоночные

Отличительной особенностью всех позвоночных, будь то ныне живущие или уже вымершие, является наличие внутреннего скелета, или эндоскелета. К позвоночным относятся люди и другие млекопитающие, земноводные, рептилии, птицы и рыбы. Млекопитающие состоят из сотен костей. Например, у синего кита их около 350, а нижний предел у взрослого человека начинается от 206 костей. Считается, что в теле гигантских змей можно насчитать 500 позвонков, и каждый из них прикрепляется к своей паре ребер. Однако у подавляющего большинства змей 120–240 позвонков.

Форма костей

Как вы уже поняли, кости различаются по местоположению и выполняемым функциям. Внешний вид кости крайне важен, поскольку он определяет выполняемую функцию. Существует пять типов костей.

Мужской и женский скелет

Женский скелет миниатюрнее мужского. Но определять пол костного материала на основании морфологических отличий не всегда правильно — из-за естественного разнообразия людей в популяции. Вот несколько интересных гендерных различий.

Мужские и женские скелеты отличаются по размеру и форме.

Хрящ

Если кости нужна гибкость, то она идет за помощью к хрящу. Эта гладкая, прочная и подвижная соединительная ткань присутствует во всех суставах у взрослых. Она покрывает концы костей, заменяя надкостницу.

На этом микроснимке изображена структура наружного уха с эластичным хрящом, который расположен между перихондрием.

Хрящ, как и кость, образуют клетки, создающие матрикс из хондробластов. Этот матрикс поддерживают более зрелые клетки — хондроциты, обитающие в лакунах матрикса. Под микроскопом хондроциты похожи на игрушечные глазки, которые лежат на ложе из белково-углеводной гиалоплазмы с коллагеном и/или эластином. Будучи аваскулярными, или бессосудистыми, хрящи получают питательные вещества диффузно, через плотную соединительную ткань (перихондрий). Эта мембрана покрывает хрящ, и из-за нее он медленнее заживает после повреждения.

Типы хрящей

Существует три типа хрящей.

Гиалиновый хрящ.

Формирует незрелый скелет и сохраняется в виде специальной пластины роста, расположенной в эпифизе длинных костей. Гиалиновый хрящ создает тонкую прослойку на суставных поверхностях костей. Помимо этого, его можно найти в кончике носа и в некоторых участках дыхательных путей: гортани, трахее и кольцах бронхов (см. параграф «Бронхи и бронхиолы» на стр. 171). Гиалиновый хрящ богат разрозненными коллагеновыми волокнами, что делает его гладким и скользким.

Соединительнотканный хрящ.

Этот тип амортизирует кости позвоночника и встречается в коленном суставе. Соединительнотканный хрящ содержит много пучков коллагена, что делает его особенно прочным и сильным.

Эластичный хрящ.

Образует наружное ухо и надгортанник, который закрывает гортань при глотании. В эластичном хряще преобладает другой белок — эластин. Этот белок придает хрящу гибкость и объясняет, почему наши уши сначала согнутся, а только затем сломаются.

Развитие костей

Кости плода начинают развиваться в форме твердого хряща. Затем, в процессе роста организма, они сливаются и затвердевают. Этот процесс подчиняется основному закону структурной инженерии: исчезновение трубчатой структуры приводит к небольшому снижению прочности, но зато сопутствующее этому снижение веса становится крайне удобным для остальной части опорно-двигательной системы. Процесс замены хряща на кость (окостенение) начинается с тела кости и идет к ее концам, формируя там губчатую кость.

Эпифизарный хрящ

В детском возрасте мягкие диски гиалинового хряща, присутствующие в местах соединения эпифиза с диафизом (так называемый метафиз), проходят через стадию быстрого деления клеток. Хрящевая пластинка роста, или эпифизарная пластинка, — это участок, с которого кости начинают удлиняться. Новые клетки выталкивают старые к центру, из-за чего последние сплющиваются и затвердевают. По мере этого процесса кость постепенно удлиняется, а мы становимся выше.

Паузы и старты

К четырем годам наш мозг получает колоссальные объемы информации, для чего требуется огромное количество энергии. Однажды наступает момент, когда тело больше не может поддерживать одновременно рост и мозга, и самого организма. Поэтому принимает решение о временном замедлении роста костей, чтобы мозг мог потреблять всю необходимую энергию.

На рентгеновском снимке эпифизарная пластинка выглядит как невидимая линия между двумя костями. У взрослых эпифизарная пластина затвердевает и отображается как белая линия. Во взрослом организме кости продолжают расти, но только в диаметре.

В период полового созревания приоритеты меняются. К этому времени наш мозг уже дорос до того уровня, когда ему требуется меньше ресурсов. В качестве благодарности за это мозг высвобождает из гипофиза и гипоталамуса ряд половых гормонов, которые стимулируют последний скачок в развитии. Тогда эпифизарные пластинки начинают вновь создавать новые клетки с молниеносной скоростью. Это продолжается до тех пор, пока нам не исполнится двадцать лет. Затем пластинка роста перестает делиться, затвердевает и окостеневает.

Мозговой отдел черепа

Мозговой отдел черепа действительно уникален, ведь его образуют сразу восемь костей, или пластин. Изначально эти кости представляли собой отдельные структуры, которые после рождения стали срастаться. Наложение или смещение пластин выполняет сразу две функции: помогает головке малыша вытягиваться при прохождении через родовые пути и позволяет подстроиться под высокую скорость роста мозга.

Роднички — это мягкие пространства между костями черепа новорожденных и младенцев. Со временем они полностью срастутся

Она срастается с соседними костными клетками и образует эпифизарную линию. На рентгеновских снимках эпифизарная линия заметна в месте соединения диафиза и эпифиза.

В период полового созревания мозг запускает последний скачок в развитии.

Суставы и связки

Суставы — это места соединения костей друг с другом. Связки — это эластичные пучки волокон соединительной ткани. Они выполняют поддерживающую функцию в суставах, брюшной полости и в тканях молочной железы.

Типы суставов

Суставы — это своего рода «место встречи», в котором кости могут состыковаться в комфортной среде и с минимальными трудностями. Все происходящее здесь зависит от типа сустава.

Из всех шести синовиальных суставов наибольшую амплитуду движений обеспечивает шаровидный сустав (есть в плече и бедре).

Синовиальные суставы. Это самые подвижные суставы. Они располагаются в костях коленей, локтей и кистей рук. Суставы выстланы гладким слоем соединительной ткани — синовиальной оболочкой, которая обеспечивает им большую амплитуду движений. Эта мембрана в одну клетку толщиной выделяет синовиальную жидкость, которая хорошо смазывает сустав и препятствует его высыханию. Синовиальные суставы заключены в прочную капсулу — суставную сумку, которая помогает суставу сохранять целостность и предотвращает нестандартные движения. По типу движения синовиальные суставы делятся на следующие группы: блоковидный, плоский, цилиндрический, шаровидный, седловидный и мыщелковый.

Фиброзные суставы. В основном эти суставы зафиксированы и не двигаются. К этому типу относятся суставы черепа плода, более известные как швы черепа. Фиброзная ткань внутри суставов соединяет кости черепа друг с другом (см. «Мозговой отдел черепа» на стр. 91). В период активного мозгового роста суставы остаются гибкими. А затем, когда темп роста замедляется, швы начинают срастаться, становясь неподвижными.

Хрящевые суставы. Хрящевая ткань соединяет две кости, придавая им частичную подвижность на малых расстояниях. Хрящевые суставы соединяют ребра с грудиной; именно поэтому грудная клетка способна расширяться. Но, как всегда, здесь не обошлось без исключений. К таким исключениям относятся межпозвоночные диски, которые, будучи фиброзными суставами, содержат хрящевую ткань (это фиброзно-хрящевые суставы, см. «Типы хрящей» на стр. 89), придающую им небольшую мобильность.

Роль связок

Связки — это пучки коллагеновых и эластиновых белковых волокон, их создают фибробласты. Сами фибробласты располагаются между волокнами и питаются губчатой тканью, которая переносится по кровеносным сосудам и нервам. Скелетно-мышечные связки проходят через надкостницу и соединяют две кости, образуя сустав. Кроме того, связки препятствуют вывихам костей, ограничивая их движение.

Внутренние органы не плавают в животе; их удерживают на месте различные структуры, в том числе и брюшные связки. Также связки поддерживают форму и тонус женской груди.

Связки соединяют два участка кости.

Скелетные мышцы

Можно было бы перебрать вам косточки, но, к счастью, они защищены мышцами. Без мышц мы бы не смогли двигаться. Эти мягкие ткани крепятся к скелету плотными соединительно-тканными сухожилиями и создают движение за счет своего сокращения и расслабления. В нашем теле насчитывается около 600 мышц — разных по размерам, формам и функциям.

На первый взгляд, названия, используемые для описания мышц, не всегда логичны. Поэтому не лишним будет узнать, что мышцы получают свое название в зависимости от ряда характеристик.

Скелетные мышцы различаются по размеру. Самая крупная — это ягодичная мышца (формирующая ягодицы), а самая мелкая — стременная мышца в ухе, длина которой не превышает 1 мм. Различия в размерах обусловлены количеством мышечных волокон, их диаметром, длине брюшка (центральной части) мышцы или объемом выполняемой работы. Поэтому названия некоторых групп мышц начинаются со слов большая или малая. Например, большая грудная мышца является самой крупной из двух грудных.

Для названия мышц по топографическому расположению используют обозначения анатомических плоскостей. Например, передняя большеберцовая мышца обозначает более крупную берцовую мышцу, расположенную перед другой. Называть мышцы можно и по их форме. Так, дельтовидная мышца — дельтовидная, или треугольная. Кроме того, мышцы могут называться по выполняемому ими движению. Например, длинная приводящая мышца приводит или отводит бедро от срединной линии. И наконец, для обозначения мышц также используется количество головок (точек прикрепления мышц). Бицепсы и трицепсы получили свое название по количеству головок: две или три соответственно.

Большая часть скелетной мускулатуры парная и дублируется в левой или правой стороне тела. Мышцы располагаются под кожей и прикрепляются к гиподерме полоской или прослойкой соединительной ткани (фасцией). Для скелетных мышц характерны произвольные движения, но они участвуют и в некоторых непроизвольных (например, рефлексах) (см. «Рефлексы» на стр. 98–99).

Архитектура мышц

Клеточным компонентом скелетных мышц является мышечное волокно, названное так из-за вытянутой формы. Макроскопически наши мышцы собраны в пучки, обернутые в соединительно-тканную фасцию. Фасция сходится на концах мышц, образуя сухожилия, которые и прикрепляют мышцы к костям.

Мышечное волокно

У тонких и длинных клеток волокна ядра смещены к краю клеточной мембраны, или сарколеммы. Благодаря этому остается больше места для сократительных элементов, расположенных внутри клетки. Каждое мышечное волокно содержит более мелкие нити волокон — миофибриллы. Эти белковые пучки цилиндрической формы располагаются параллельно друг другу, благодаря чему скелетная мышца под микроскопом кажется заштрихованной. Внутри каждого волокна располагаются тысячи длинноцепочечных белков (миофиламентов), составляющих работающую мышечную единицу. Миофиламенты считаются эффекторными сократительными единицами, потому что они накладываются друг на друга, как сцепленные в замок пальцы. Это позволяет клетке укорачиваться, из-за чего мышца сокращается. Существует два типа миофиламентов: актин и миозин. Их собирательное название — актомиозин.

Так устроена скелетная мышца.

Фасция

Каждая мышца состоит из пучков мышечных волокон, выстланных слоем фасции — плотной соединительной ткани. Она покрывает как саму мышцу, позволяя ей двигаться обособленно, так и внутримышечные волокна. Фасция пронизана нервами и кровеносными сосудами, что делает ее неотъемлемой частью мышечной деятельности. В скелетных мышцах выделяют три слоя фасции: эпимизий (покрывает всю мышцу), перимизий (покрывает пучки мышечных волокон) и эндомизий (покрывает мышечные волокна).

Сухожилия

Сухожилия, или жилы, — это прочные и неэластичные фасциальные тяжи на концах мышцы, позволяющие выполнять оптимальные сократительные движения. Один конец сухожилия прикрепляется к брюшку мышцы, а другой — к нужной кости. Часто мышцы передают часть своей работы сухожилиям, особенно в ограниченных участках тела с множеством суставов. Например, мышцы тыльной стороны ладоней расположены выше запястий, а все действия кисти выполняют сухожилия. Вот несколько главных сухожилий.

Сухожилие стремечка (ухо) — прикрепляет самую короткую мышцу (стременную) к самой маленькой кости (стремечку) в среднем ухе.

Сухожильные хорды (сердце), более известные как сухожильные нити, — помогают фиксировать клапаны сердца.

Бедренное сухожилие (нога) — хорошо чувствуется в задней части колена.

Ахиллово сухожилие (стопа) — самое сильное, прочное и крупное сухожилие. Соединяет икроножную мышцу с пяточной костью.

Почему они красные?

Красноту мышцам придает миоглобин — богатый железом белок, близкий родственник гемоглобина. Железо в миоглобине связывается с кислородом, который окрашивает мышцу в определенный цвет и позволяет мышечным волокнам дольше удерживать кислород. Кроме того, мышечные клетки пронизывают густая сеть кровеносных капилляров и митохондрии (богатые железом органеллы, компенсирующие большой расход энергии).

Нервно-мышечные синапсы

Мышечные движения обычно воспринимаются как нечто автоматическое, однако в действительности они состоят из серии сложных и высокоточных действий. Сначала мозг генерирует электрический нервный импульс, или потенциал действия, который проводится по двигательной коре. Далее импульс проходит через спинной мозг в двигательные нервы (они разветвляются на двигательные нейроны) и стимулирует отдельные участки мышечных волокон — нейромышечные синапсы, или концевые пластины.

Нервно-мышечное соединение — это участок, в котором встречаются две разные структуры: двигательный нейрон (нервная клетка, создающая путь для проведения импульса от мозга к мышце) и другая мышечная клетка. Каждое мышечное волокно иннервируется одним двигательным нейроном. По сути, нервно-мышечное соединение — это синапс. Передача импульсов осуществляется мгновенно за счет диффузии химического вещества, или нейромедиатора.

Рефлексы

Соматические рефлексы созданы для того, чтобы защищать нас от потенциально опасных взаимодействий. Они характеризуются движениями скелетных мышц, которые начинаются вне мозга. Это автоматические непроизвольные движения, возникающие в ответ на внешний стимул. Соматические рефлексы обходят мозг, поэтому они происходят почти мгновенно. Это возможно благодаря нервному пути (рефлекторной дуге), образованному двумя или тремя типами нейронов: чувствительным, двигательным и иногда вставочным (он передает импульсы между нейронами).

Моносинаптическая рефлекторная дуга.

Это простейший тип рефлекторной дуги, образованный чувствительным и двигательным нейронами. Пример: коленный рефлекс, который возникает при легком ударе по сухожилию четырехглавой мышцы бедра (чуть ниже колена). Удар растягивает сухожилие, тензорецепторы мышцы это улавливают. Они генерируют импульс, который передается по чувствительному нейрону в двигательный нейрон спинного мозга. Затем импульс передается из двигательного нейрона в мышцу, и нога сгибается. Этот рефлекс связан с удержанием равновесия.

Полисинаптическая рефлекторная дуга.

Этот тип рефлекторной дуги включает чувствительный, вставочный и двигательный нейрон. Примером может служить сгибательный рефлекс, возникающий, когда раздражитель вызывает болевые ощущения в пальце. Сенсорные рецепторы на коже улавливают боль. Они генерируют импульс, который передается через чувствительный нейрон во вставочный нейрон спинного мозга, где соединяется с двигательным нейроном. Активизируются двигательные нервы, а затем импульс передается в мышцу через нейроны и рука сгибается (отдергивается).

Полисинаптическая рефлекторная дуга соединяет чувствительные и двигательные нейроны с помощью одного или нескольких вставочных нейронов. Такая дуга позволяет быстро реагировать на внезапные изменения.

Как только электрический импульс достигает синапса, высвобождается ацетилхолин. Он связывается с белковыми рецепторами на мембране мышечного волокна, или сарколеммы, из-за чего она возбуждается (деполяризуется), а электрический импульс проходит через мембрану. Это способствует высвобождению кальция в клетке. Под действием кальция микрофиламенты начинают скользить друг по другу и переплетаются, приводя к сокращению мышцы.

В нервно-мышечном синапсе импульсы передаются от двигательного нейрона в мышечное волокно.

Один двигательный нейрон образует множество синапсов по всей длине мышечных волокон, благодаря чему пучок мышечных волокон сокращается как единая двигательная структура. Чтобы мышцы не пребывали в состоянии сокращения постоянно, ацетилхолин вырабатывает фермент ацетилхолинэстеразу, которая расслабляет мышцы.

Мышечное сокращение

У наших мышц одна работа — сокращаться. Одна мышца может отодвигать кость, а при работе в команде мышцы способны возвращать кость в исходное положение. Для этого используются пары мышц-агонистов и мышц-антагонистов. Чтобы выполнить обратное действие, сокращенная мышца расслабляется, а расслабленная мышца — сокращается. Благодаря этому сгибаются и разгибаются суставы.

Сгибание сустава — это медицинское название сгибательного действия, приводящего к уменьшению угла между двумя костями сустава. Например, когда вы сгибаете руку, бицепс сокращается, а трицепс расслабляется. Разгибание сустава равнозначно его выпрямлению, это увеличение угла между костями. Мышцы, которые разгибают сустав, — это мышцы-разгибатели, а мышцы, которые сгибают сустав, — это мышцы-сгибатели.

Типы сокращения

Если вы попытаетесь поднять предмет, не соизмеримый с силовыми возможностями мышцы, то она начнет сокращаться «изометрически»: при увеличении давления на мышцу ее длина останется неизменной. При «изотонических» сокращениях (т. е. при поднятии соизмеримого веса) напряжение в мышце останется постоянным, а длина мышцы изменится. Для мышц характерно остаточное напряжение в состоянии покоя (тонус мышц), которое возникает из-за сокращения двигательных единиц, находящихся в стадии расслабления, что обеспечивает стабильное положение костей и суставов.

Когда трицепс сокращается, бицепс расслабляется.

Энергия для сокращения

В состоянии покоя мышечное волокно может укорачиваться (сокращаться) до половины своей длины. Но для перемещения нитей актомиозина мышечному волокну требуется много энергии, которую оно может получать аэробно (с участием кислорода) или анаэробно (без кислорода).

Аэробное дыхание происходит в митохондриях и использует кислород для распада глюкозы и жирных кислот. В результате реакции выделяются углекислый газ и энергия в виде АТФ. Побочным продуктом этой реакции является выделение тепла. Именно поэтому при интенсивных тренировках нам становится жарко.

Анаэробное дыхание происходит в жидком содержимом цитоплазмы (цитозоли), и в результате выделяется молочная кислота. Эта кислота препятствует сокращению мышц, что приводит к их истощению и жжению.

Чтобы избавиться от молочной кислоты, человек начинает часто и глубоко дышать, компенсируя нехватку кислорода, который затем превращает молочную кислоту в глюкозу.

Типы мышечного волокна

По своей способности вырабатывать энергию (аэробно или анаэробно) мышечные волокна делятся на два типа. 1-й тип волокон очень медленно утомляется и чаще встречается у бегунов на длинные дистанции. Волокна 2-го типа характерны для спринтеров — они проявляются короткими всплесками высокоинтенсивной активности. Эти волокна быстрее утомляются и используют анаэробное дыхание, поскольку должны вырабатывать энергию быстрее, чем получают кислород от организма.

Тренировка мышц

Арнольд Шварценеггер очень метко сказал: «Для меня мышцы — это такая же тема для разговора, как и некто, гуляющий с гепардом по 42-й улице». Если у вас есть мышцы — покажите их. К сожалению, все мы знаем, что не каждому дано стать культуристом, а рельефность мышц зависит от тренировок и наследственности.

Скелетные мышцы — это особый тип ткани. Можно даже сказать, что спортсмены в некоторой степени склонны к мазохизму, ведь определенная боль лишь улучшает качество мускулатуры. Немецкий философ XIX века Фридрих Ницше придумал гениальную фразу: «То, что нас не убивает, делает нас сильнее». И это особенно актуально для наших мышц.

«Отцом современного бодибилдинга» считают немецкого циркового атлета Евгения Сандова. Этот силач, родившийся в 1867 году, первым в мире придумал соревнование по бодибилдингу.

Мышечная сила — это количество силы, которую мышцы прилагают при одном максимальном усилии. Тренировка с различными уровнями сопротивления повышает мышечную силу за счет увеличения размера и количества отдельных мышечных волокон. Это происходит, потому что повторное сокращение мышц приводит к разрыву мышечных волокон. А наше тело автоматически реагирует на это, пытаясь восстановить их с помощью сателлитных клеток (мышечных стволовых клеток) во внеклеточном матриксе мышечных волокон.

Самая сильная мышца

Представляем наших претендентов.

Тонические (постуральные) мышцы.

К ним относятся мышцы спины (мышца, выпрямляющая позвоночник), бедра (четырехглавая мышца бедра) и ягодиц (большая ягодичная мышца). Все они поддерживают суставы или кости, на которые действует гравитация. Это длинные и сильные мышцы, выполняющие большой объем работы. Самая крупная из них — большая ягодичная мышца.

Сердечная мышца (миокард).

Самая трудолюбивая мышца: она постоянно бьется и никогда не останавливается. Эта непроизвольная мышца является главной основой для стенок сердца (см. стр. 111).

Жевательные мышцы.

Эти парные мышцы (по одной на каждой стороне лица) плотно сжимают челюсть. Жевательная мышца соединяет нижнюю челюсть со скулой.

Так кто же победит? Трудно сказать, ведь мышечную силу можно измерять по-разному. К тому же она зависит от питания, наследственности и уровня физической активности каждого человека.

В числе прочего, лицевые мышцы позволяют нам выражать эмоции.

Полноценный отдых способствует высвобождению гормонов, необходимых для восстановления мышц и создания новых волокон, что в итоге укрепляет мышцы. Тренировка сердечно-сосудистой системы, наоборот, увеличивает мышечную силу за счет укрепления уже существующих сердечных волокон, а не роста новых.

Старение опорно-двигательной системы

Старение неизбежно. Оно связано с накоплением генетических повреждений и истощением стволовых клеток. Старение определенным образом влияет на опорно-двигательную систему. Характерным признаком являются затяжные болезни (например, остеопороз и остеоартрит).

Изменения в скелете

При остеопорозе развивается потеря костной массы — из-за увеличения численности остеокластов («поедателей» костей) и костномозговой жировой ткани, а количество остеобластов и остеоцитов («создателей» костей) сокращается. Таким образом, кость не успевает перестроиться и самовосстановиться и ей приходится оставаться деформированной и с измененным рельефом — микротрещинами и микропереломами. Ситуацию усугубляет и сопутствующее снижение уровня содержания минеральных веществ (запасов кальция и фосфата). Риск разрушения костей увеличивается, и такие кости постепенно теряют способность защищать наши внутренние органы. В особой зоне риска находятся женщины в постменопаузе, ведь уровень эстрогена в их организме снижается до такой степени, что оказывается неспособным подавлять деятельность остеокластов, а это приводит к увеличению реабсорбции кости.

В здоровых костях костные пластины и балки губчатого вещества образуют прочные трабекулярные сети.

При остеопорозе наблюдаются потеря плотности кости и массивное отслоение костных балок.

Хрящ, покрывающий концы длинных костей, из-за низкой скорости деления клеток также подвержен процессу старения. В возрасте от 40 до 80 лет человек теряет около половины хондроцитов, поддерживающих хрящевой матрикс, что увеличивает вероятность возникновения артритных заболеваний.

Здоровые рука и суставы.

Рука с артритными суставами.

Кроме того, старение приводит к дефициту проприоцептивных навыков — ощущения положения тела и ориентации в пространстве. Он возникает при снижении количества тензорецепторов в связках, из-за чего нарушается восприятие расположения суставов в пространстве.

Старение суставного хряща приводит к воспалению и аномальному росту.

Стареющие мышцы

Саркопения — это термин, под которым подразумевают снижение массы скелетных мышц и их возможностей нормального функционирования. Этот прогрессирующий возрастной синдром сопряжен и с другими недостатками: снижением качества жизни и повышенным риском инвалидности и смерти.

К потере мышечной массы приводит истончение миофибрилл внутри мышечных волокон, из-за чего снижается толщина самого волокна (чаще встречается у волокон 2-го, быстро сокращающегося типа). Миофибриллы атрофируются со скоростью от 3 % до 8 % в каждые 10 лет (в возрасте от 30 лет). А для людей старше 65 лет этот показатель еще больше возрастает. Потеря мышечной массы может быть связана c уменьшением количества самих волокон. В возрасте от 24 до 50 лет скорость атрофии мышечных волокон увеличивается с 5 % до 35 %. Считается, что возрастные изменения в нервно-мышечном соединении приводят к тому, что связанный с ним нейрон отделяется от мышечного волокна (лишается иннервации), а затем умирает в результате апоптоза (см. параграф «Запрограммированная гибель клетки: апоптоз» на стр. 51).

На этих МРТ-снимках изображены бедра здорового 31-летнего мужчины (вверху) и здорового 81-летнего мужчины (внизу). Потеря мышечной массы и увеличение фиброзно-жировой ткани — характерные признаки саркопении.

Процесс старения не щадит и сателлитные клетки, которые в норме отвечают за восстановление поврежденных мышц. С возрастом их популяция сокращается на целых 50 %.

Считается, что танцы — это увлекательный способ замедлить или обратить вспять процесс потери скелетных мышц. Кроме того, у пожилых людей танцы улучшают здоровье мозга.

На работоспособность мышц влияет и тип разрушенных мышечных волокон. Оказывается, что старение приводит к потере двигательных нейронов, которые иннервируют 2-й тип мышечных волокон, быстро сокращающихся. Такое изменение не только уменьшает количество волокон, но и способствует тому, что некоторые волокна начинает иннервировать 2-й, медленно сокращающийся тип двигательных нейронов. Это, в свою очередь, изменяет скорость реакции, удельную мощность мышц, их координацию и силу.

Мышечная архитектура страдает и из-за разрастания фиброзно-жировой ткани. Все это накладывается на сопутствующие возрастные изменения и влияет на динамику мышечно-костных отношений. В результате снижается действенность упражнений, направленных на увеличение мышечной силы и костной массы. Многие исследователи говорят, что скорость потери мышечной массы можно компенсировать регулярными упражнениями (особенно танцами), поэтому пословица «движение — жизнь» глаголет истину.

Глава 5. Кроваво-красная магистраль

Сердечно-сосудистая система

Все упорядоченные структуры знают, что для функционирования системы нужна бесперебойная циркуляция ее составных частей. Без нее все рассыпается на части и приходит в упадок. Наша сердечно-сосудистая система прекрасно помнит об этом и потому выстаивает вокруг циркуляции все свое существование.

Сердечно-сосудистая система — это замкнутая система, в которой кровь течет только в одном направлении.

За счет тока крови сердечно-сосудистая система создает идеальную транспортную систему, в которой каждая клетка нашего тела получает не только живительный газообразный кислород и набор питательных веществ, но и прочную защиту. Кроме того, сердечно-сосудистая система выступает в роли жидкообразного способа передвижения гормонов от их основного органа к клеткам-мишеням. Если этого мало, то вот еще один факт: сердечно-сосудистая система является настоящим ликвидатором отходов, избавляя нас от углекислого газа и всех ненужных веществ. Эта трудолюбивая структура помогает другим системам поддерживать гомеостаз и однородность крови.

Непроизвольно сокращающиеся мышцы

Существует два типа мышечной ткани, позволяющих телу двигаться без сознательного контроля с нашей стороны. Наглядный пример — волосковая мышца на коже. Кроме того, эта мышечная ткань выстилает стенки некоторых внутренних органов и полых трубок.

Сердечная мышца.

Сердечная мышца и все скелетные мышцы (см. параграфы «Скелетные мышцы» и «Архитектура мышц» на стр. 94–97) относятся к типу поперечно-полосатой мускулатуры. То есть эта ткань испещрена темными и светлыми прослойками. Сердечная мышца состоит из параллельных нитей актомиозина, которые формируют структурные единицы — саркомеры. В отличие от скелетной мускулатуры, сердечная мышца генерирует нервный импульс без вмешательства мозга. Волокна сердечной мышцы переплетаются друг с другом, что способствует быстрому распространению электрических импульсов в соседние клетки. Сердечная мышца есть только в сердце.

Гладкая мускулатура.

Этот тип встречается во всем теле, будь то органы с сокращающимися полыми трубками или мышцы, перемещающие другие структуры без нашего сознательного контроля (например, в глазах или коже). Эти длинные клетки конической формы отвечают за медленные волнообразные движения, которые позволяют клеткам долго работать не уставая. В сердечно-сосудистой системе они выстилают стенки кровеносных сосудов, в том числе и тех, которые участвуют в циркуляции крови по всему организму.

От всего сердца

Древние египтяне были первой цивилизацией, задокументировавшей идею, что сердце — центр многих процессов организма. Хотя они и правильно поняли особую взаимосвязь легких и крови, духовные и религиозные убеждения этой нации заставили их верить в то, что сердце было источником всех мыслей, эмоций и интеллекта. Дихотомия (война разума и сердца при принятии решения) может оказаться вполне реальной, хотя бы потому что сердце и мозг вместе влияют на наши чувства. Сердце — это нечто большее, чем просто механическая структура или насос: в нем содержится источник специализированных нейронов. А это, по мнению некоторых, доказывает, что сердце обладает собственным интеллектом.

Наше сердце — это одна сплошная мышца размером примерно с кулак. Мы привыкли думать, что сердце расположено в левой стороне тела, но в действительности оно находится на срединной линии, слегка наклоняясь влево. Похожее по форме на закругленный треугольник, топографически оно располагается между легкими, спереди от позвоночника и сзади от грудной кости. Нижняя вершина сердца проходит чуть ниже левого соска.

Этот фанатичный орган-насос требует больше кислорода, чем любая другая мышца в нашем теле, из-за чего в нем налажена система внутреннего кровоснабжения в виде коронарных артерий. Они позволяют сердцу перекачивать по 7500 л крови ежедневно.

Кровь насыщается кислородом из легких и питательными веществами из пищеварительной системы, а после распределяется по всему телу. Затем кровь устремляется обратно в сердце, перенося отходы жизнедеятельности клеток. Это хорошо скоординированный процесс, который доставляет кровь к сердцу (вены) или из сердца (артерии) с помощью сосудистой сети.

Стенки сердца

Схематически в сердце можно выделить три стенки. Внешняя стенка, или перикард, и внутренняя стенка, или эндокард, состоят из тонкой соединительной ткани. Функция перикарда заключается в том, чтобы защитить сердце от постоянных сокращений. Эндокард обеспечивает гладкую поверхность для бесперебойной циркуляции крови и предотвращает свертывание. Между этими слоями располагается основная ткань — миокард. Эта толстая сердечная мышца состоит из клеток, соединенных между собой за счет мышечных ветвей.

Камеры сердца

Сердце поделено на четыре камеры, каждая из которых поэтапно собирает и перекачивает кровь. Стенки этих мышечных сумок особым образом сокращаются, выталкивая кровь лишь в одном направлении. Эти камеры бывают двух типов: предсердия и желудочки. В правой и левой половинах сердца есть по одному предсердию и желудочку.

На этой схеме показан разрез через переднюю часть сердца. Для большей наглядности представьте себе, что вы смотрите на сердце стоящего перед вами человека.

Предсердия. Образуют верхние камеры и получают кровь, которая поступает в сердце. Стенки предсердий значительно тоньше, чем у желудочков. Предсердия перекачивают кровь в желудочки. Левое предсердие отделено от правого тонкой стенкой, или перегородкой, которую называют межпредсердной перегородкой.

Желудочки. Это нижние камеры, которые по сути и являются главными насосами. Утолщенные стенки желудочков помогают им выталкивать кровь из сердца. Кровь перекачивается в легкие (правая сторона, ненасыщенная кислородом) либо идет в остальные части тела (левая сторона, насыщенная кислородом). Левый желудочек толще правого, поскольку он выполняет более тяжелую работу и перекачивает кровь под большим давлением — настолько большим, что под его воздействием кровь могла бы выплескиваться на высоту до 10 м. Правый и левый желудочки разделены межжелудочковой перегородкой.

Сердечные клапаны

Эта фиброзная ткань следит за тем, чтобы кровь текла в одном направлении. Верхние и нижние камеры с каждой стороны тела отделены атриовентрикулярными клапанами, а крупные сосуды сердца разделены полулунными клапанами. Вместе с сердечными перегородками все они разделяют обогащенную и необогащенную кислородом кровь, поскольку ее смешение недопустимо.

А ритм звучит… как барабанная дробь

Наше сердце совершает 42 миллиона ударов в год. Эту цифру берут из расчета частоты сердечных сокращений в состоянии покоя — 80 ударов в минуту (уд. / мин.), но у здорового взрослого человека данный показатель может разниться от 60 до 100 уд. / мин. Каждый удар сердца выбрасывает в нашу сердечно-сосудистую систему порядка 70 мл крови — по 5 л ежеминутно. При выполнении физических упражнений этот показатель увеличивается в шесть раз.

Наука сердцебиения — это настоящее произведение искусства. Скоординированная и управляемая последовательность событий позволяет двум предсердиям синхронно сокращаться и наполнять желудочки кровью. При расслаблении предсердий желудочки сокращаются и выбрасывают от 50 % до 70 % имеющейся в них крови. Затем следует краткий период отдыха и цикл повторяется.

Электрические импульсы

Цикл начинается с синусно-предсердного узла. Это особый участок сердечной мышцы, состоящий из нервных клеток, которые могут генерировать электрический импульс без вмешательства со стороны мозга. Синусно-предсердный узел — это прародитель пейсмейкеров (водителей ритма). Он располагается в правом предсердии и с четко заданными интервалами проводит импульс по предсердиям, заставляя их сокращаться. Пройдя через сердце, импульс заходит в тупик, известный как предсердно-желудочковый узел (узел Тавара). В этом месте соединения предсердий и желудочков случайные передвижения недопустимы. Чтобы попасть в желудочки, импульс должен пройти через группу соединительных волокон, или предсердно-желудочковый пучок (пучок Гиса), а затем распространиться в желудочках. Это хитрое разветвление не дает импульсу одновременно достигать и желудочков, и предсердий, поэтому желудочки сокращаются на 100 миллисекунд позже.

Проведение электрического импульса по сердцу — строго регламентированная процедура. Основными действующими лицами, создающими и проводящими этот импульс, являются синусно-предсердный и предсердно-желудочковый узлы, а также пучки Гиса и ножки пучков Гиса.

Но нельзя сказать, что наше сердце совершенно обособлено от мозга. Нервные импульсы, идущие от мозга, нужны сердцу, чтобы понять, когда ускоряться или замедляться. Такие сигналы передаются через симпатические и парасимпатические нервы вегетативной нервной системы (см. параграф «Это автоматика» на стр. 219–222).

Сердечный цикл

В момент сердцебиения сердце пребывает в двух разных состояниях: систоле (сокращения камер) и диастоле (расслабления камер).

Диастола. При расслаблении предсердий правое заполняется ненасыщенной кислородом кровью из полой вены, а левое — насыщенной кислородом кровью из легочной вены.

Систола. При сокращении желудочков и повышении давления предсердно-желудочковые клапаны закрываются, а полулунные — открываются. Далее ненасыщенная кислородом кровь из правого желудочка поступает в легочную артерию через полулунный клапан легочного ствола и распределяется по легким. Через полулунный клапан аорты насыщенная кислородом кровь из левого желудочка проходит по аорте и распределяется по всему телу. Клапаны открываются и закрываются с характерным звуком «тук-тук». После фазы сокращения желудочков следует краткая фаза заслуженного отдыха — диастолы.

Диастола (наполнение сердца)

Систола (биение сердца)

Увидеть биение сердца

Электрокардиограмма (ЭКГ) — это запись электрических импульсов, возникающих при биении сердца. К коже в области сердца прикрепляют специальные датчики для обнаружения электрических сигналов. Затем эти датчики подключаются к электрокардиографу, который регистрирует электрическую активность сердца. Электрокардиограмма показывает различные стадии сердечного цикла. Они проявляются в виде характерных волн электрической активности, каждая из которых имеет свою уникальную форму. Форма этих волн показывает, бьется сердце в нормальном или ненормальном ритме.

Четыре буквы в ЭКГ обозначают одно полное сердцебиение.

Транспортная сеть

Наше тело состоит из обширной сети кровеносных сосудов. Эти сосуды разветвляются, уменьшаясь в размерах и перенося жизненно важные питательные вещества во все части нашего тела. Кровеносная сеть настолько обширна, что если ее развернуть, то она как минимум дважды обогнет весь земной шар.

Эта ветвистая система не только образует каркас и основу, но также формирует транспортные пути для переноса крови. Кроме того, крошечные кровяные русла под кожей помогают регулировать температуру. Терморегуляция происходит за счет сужения (для сохранения тепла) или расслабления (для выделения тепла) кровеносных сосудов. Это возможно благодаря тому, что стенки большей части кровеносных сосудов состоят из мышц.

Типы кровеносных сосудов

Наши кровеносные сосуды делятся на два основных «лагеря». Кровеносные сосуды из лагеря А относятся к артериальной системе и переносят кровь от сердца к тканям. Чтобы сосуд приняли в лагерь А, он должен обладать толстой, эластичной и мускулистой оболочкой, которая сможет устоять под сильным давлением со стороны сердца и поможет проталкивать кровь вперед. Представители лагеря В относятся к венозной системе. Их роль заключается в сборе и транспортировке крови к сердцу. Эти кровеносные сосуды более тонкие, потому что испытывают меньшее давление. Кроме того, у них есть клапаны, которые контролируют однонаправленность тока крови.

Артерии и вены отличаются по толщине стенок и диаметру просвета.

Существует еще один, третий тип (меньший по размеру), играющий свою важную роль в циркуляции крови. Капилляры служат неким связующим мостиком между двумя лагерями и облегчают процесс обмена материалами между кровью и тканями. Эти крошечные и часто недооцененные сосуды как раз и находятся в прямом контакте со всеми клетками нашего тела. Причем в процессе этого взаимодействия они создают собственное капиллярное сообщество.

Капилляры

Капилляры состоят из одного слоя эндотелиальных клеток, покрытых тонкой мембраной. Диаметр капилляра не превышает ширины одного эритроцита. Больше всего капилляров находится в мышцах, поскольку последние нуждаются в постоянном питании. Капилляры настолько тонкие, что кровь и тканевая жидкость без проблем обмениваются питательными веществами. Вокруг ткани образуется целая сеть капилляров — капиллярное русло. Оно соединяет артериальную систему с дренажной системой организма — венами.

Капилляры — это крошечные кровеносные сосуды. Они состоят только из слоя внутренней оболочки.

Строение кровеносных сосудов

Все кровеносные сосуды (кроме капилляров) имеют одинаковое базовое строение.

Внешняя оболочка. Каждый сосуд покрыт наружной соединительнотканной оболочкой — внешней, или адвентициальной.

Средняя оболочка. Гладкие мышцы и эластичные волокна этого слоя придают сосуду подвижность и эластичность.

Внутренняя оболочка. Состоит из одного гладкого слоя сплющенных эндотелиальных клеток.

Просвет сосуда. Это пространство в центре, по которому течет кровь.

Артериальная система

Название «артерия» происходит от греческого слова arteria, что означает «несущая воздух». Древние греки выбрали это название неспроста: они считали, что артерии переносят только воздух. Такое мнение было основано на их наблюдениях о том, что после смерти в артериях не остается крови. А это, как нам теперь известно, происходит из-за того, что после остановки сердца кровь скапливается в венах.

Кровеносные сосуды можно увидеть с помощью специального типа рентгеновских лучей. Такой снимок называют ангиограммой.

Артерии действительно переносят воздух, которым мы дышим, но не в буквальном смысле. Все артерии, кроме легочной, переносят обогащенную кислородом кровь от сердца. Легочная артерия, наоборот, переносит ненасыщенную кислородом кровь из сердца в легкие, где она обогащается кислородом и возвращается обратно.

Аорта. Все артерии берут начало из двух источников: аорты и легочной артерии. Диаметр аорты, самой крупной артерии в организме, равен диаметру садового шланга. Аорта начинается от левого желудочка. Выходя из желудочка, она образует дугу, от которой ответвляются другие артерии, питающие различные структуры головы и рук. Затем аорта совершает изгиб в форме перевернутой буквы U и идет по направлению к груди, животу и нижним конечностям, параллельно ветвясь на другие артерии.

Коронарные артерии. Перед тем как совершить свой U-образный изгиб, аорта должна насытить сердце кровью — через коронарные артерии, которые ветвятся на сеть мелких сосудов. Сердце нуждается в собственном кровоснабжении, ведь миокард и перикард слишком удалены от эндокарда и потому не могут получать через кровь нужные питательные вещества.

Артериальную систему кровообращения образуют две главные артерии: аорта и легочный ствол, — которые выходят напрямую из сердца.

Легочные артерии. Легочные артерии, снабжающие легкие кровью, значительно короче своих партнеров по системе. Они выходят из основания правого желудочка, а затем разделяются на правую и левую ветви.

Артериолы. Артериолы — это самые маленькие артерии во всей артериальной системе. Из них образуются капилляры. Артериолы направляют кровоток к капиллярной сети, используя для этого тонкие пучки кольцевых гладкомышечных волокон — прекапиллярных сфинктеров. По команде мозга эти мышечные кольца сокращаются, уменьшая диаметр артериол и приток крови к капиллярам. По этой причине артериолы иногда называют прекапиллярными резистивными сосудами.

Венозная система

Самые маленькие вены — это венулы. Они выходят из капиллярного русла и сливаются в более крупные вены, у части которых есть специальные заслонки на стенках — венозные клапаны. В промежутках между сердечными сокращениями давление в организме падает, и кровь начинает течь в обратном направлении. Чтобы предотвратить обратный кровоток, венозные клапаны закрываются. По сравнению с артериями у вен более широкий просвет и тонкие стенки, образованные гладкими мышцами и менее эластичной тканью. К тому моменту, когда кровь попадает в венозное русло, давление сердца на артерии рассеивается. Поэтому стенки вен значительно тоньше.

Два круга кровообращения

В нашем теле есть два обособленных, но взаимосвязанных круга кровообращения. Большой круг кровообращения перекачивает обогащенную кислородом кровь из левого желудочка через аорту во все части тела (кроме легких). У легких есть собственное легочное кровообращение. Необогащенная кислородом кровь из тканей идет по полым венам и поступает в правое предсердие. Затем она попадает в правый желудочек, а после доставляется в легкие. Там она избавляется от углекислого газа, насыщается кислородом и доставляется по легочным венам в левое предсердие. Далее она проходит в левый желудочек, и весь цикл повторяется.

Везде, где есть артерия, найдется и вена, которая будет переносить ненасыщенную кислородом кровь обратно в сердце. Вены из головы, рук и шеи сходятся в верхней полой вене, а вены, отводящие кровь от туловища и нижних конечностей, сливаются в нижней полой вене. Обе эти вены открываются в правое предсердие. Туда же входит и венечный (коронарный) синус — особая структура, образованная слиянием коронарных вен, которые отвечают за отток необогащенной кислородом крови из сердца. Выводящие кровь из легких вены объединяются в легочную вену, которая, в отличие от остальных вен, доставляет обогащенную кислородом кровь в левое предсердие.

В венах скапливается около 60 % общего объема крови. Перед тем как попасть в сердце, все они сливаются в полую или легочную вену.

Красные штучки

Британский историк и биограф Роберт Лейси в своей книге «Аристократы» рассказывает, что именно испанцы породили в мировом сознании мысль о голубой крови аристократов. Эта идея возвращает нас к эпохе Средневековья в Европе, когда социальный класс человека определяли по тому, насколько заметными были синие вены под его кожей. Кожа у привилегированных особ была бледной, поэтому их поверхностные вены были заметнее, чем у загорелых крестьян, которые проводили свою жизнь в полях.

Вены бледнокожих людей кажутся синими из-за физики электромагнитного излучения. А точнее — из-за того, как ведут себя различные длины волн света при проникновении под кожу. Красный и оранжевый световые спектры имеют большую длину волны, поэтому кожа и гемоглобин в крови абсорбируют их. У синего длина волны короче, поэтому он не может проникнуть глубоко под кожу, а вместо этого отражается от нее, позволяя вам увидеть синеву.

Арктические белокровки практически прозрачны, поскольку в их бесцветной крови отсутствуют эритроциты.

Почти у всех позвоночных, кроме мечехвоста и шипоносой белокровки, красная кровь. Степень «красноты» зависит от количества кислорода и углекислого газа в крови. Как правило, богатая кислородом кровь бывает яркого малиново-красного цвета, а ненасыщенная — скорее темного бордово-красного цвета. Все это обусловлено содержанием белкового пигмента гемоглобина в эритроцитах (красных кровяных тельцах).

Наша кровь — это жидкая соединительная ткань, населенная клетками, которые помогают нам выжить.

Всего в нашей сердечно-сосудистой системе циркулирует порядка 5 л крови, причем мы можем потерять около четверти этого объема без каких-либо серьезных проблем и побочных эффектов. Именно на этих данных и зиждется донорство крови.

Состав крови

Кровь кишит клетками, плывущими по течению. Большую часть (45 %) составляют эритроциты. За ними следуют лейкоциты (1 %) и крошечные коагулирующие фрагменты — тромбоциты. Каждый из этих типов попадает в кровь из сосудов и играет важную роль в поддержании жизни. Бледно-желтая жидкость, называемая плазмой, занимает оставшиеся 54 % крови. Плазма состоит в основном из воды и служит идеальной средой для растворения и суспендирования необходимых веществ. Без крови наше тело не смогло бы закупоривать раны в организме и предотвращать проникновение вредных агентов. Тогда мы не смогли бы обращаться к команде срочного кровяного реагирования и не имели бы возможностей перенаправить пехотинцев нашей иммунной системы к очагам вторжения чужеродных агентов. Очевидно, что кровь играет первоочередную роль в защите организма. Подробнее о лейкоцитах и тромбоцитах см. параграфы «Белые кровяные тельца» и «Активируйте лейкоциты!» на стр. 146–154, а также параграф «Обитель тромбоцитов» на стр. 160.

Плазма

Вопрос № 1: что останется, если из крови удалить все кровяные клетки?

Ответ: плазма. Плазма крови чем-то похожа на концентрированную мочу. Но, в отличие от урины, она содержит элементы, от которых наш организм не всегда пытается избавиться. Плазма на 90 % состоит из воды и таких питательных веществ, как глюкоза, строительные блоки жиров и белков (например, жирных кислот и аминокислот), холестерин, гормоны, железо, витамины, минералы, растворенные соли или электролиты (например, натрий и калий), продукты жизнедеятельности клеток, мочевина и глобулярные белки, выполняющие разные функции (в том числе работающие в качестве ферментов и «водного такси» по транспортировке самых водобоязненных веществ).

Плазма крови содержит важные элементы, включая факторы свертывания крови и иммуноглобулины.

Самый распространенный белок в нашей крови — это альбумин. Он вырабатывается в печени и выделяется в кровь для выполнения важнейшей функции. Альбумин связывается с различными гидрофобными молекулами в крови (гормонами, стероидами и жирными кислотами, включая лекарственные вещества) и распределяет их по жидкостям организма. Кроме того, альбумин действует как обратная губка, не давая воде уходить из сосудов. Альбумин предотвращает разбухание тканей, сохраняя необходимое осмотическое давление для поддержания уровня воды в крови.

Если раскрутить кровь на высоких оборотах в центрифуге, то она разделится на отдельные фракции.

Это молекулярная структура плазменного белка фибриногена, который помогает крови свертываться.

Глобулины — это еще одни важные плазменные белки крови. Они образуются в печени или белых кровяных тельцах (лейкоцитах). Глобулины, как и альбумины, отвечают за транспорт различных веществ. Кроме того, они служат факторами свертывания крови (например, фибриноген), предотвращающими кровопотерю. Есть еще одна функция, которую выполняет только самый смелый тип глобулина — иммуноглобулин: он становится антителом, формирующим защитный барьер от патогенных микроорганизмов.

Сыворотка

Вопрос № 2: что останется, если удалить из плазмы факторы свертывания крови (например, фибриноген)?

Ответ: сыворотка. Эту часть нашей крови врачи используют для определения группы крови или проверки на различные заболевания. Также плазму используют для переливания крови людям с гемофилией (их кровь не сворачивается) либо для «дозаправки» определенными иммуноглобулинами при нарушении иммунной системы.

Эритроциты: трудная жизнь переносчика кислорода

Эритроциты, или красные кровяные тельца, начинают свой путь в костном мозге — в промежутках губчатого вещества кости. В первые три месяца жизни эмбриона за выработку эритроцитов отвечают печень и селезенка. После необходимого внутриутробного развития и реструктуризации систем функция по образованию эритроцитов переходит к костному мозгу. Печень и селезенка остаются на скамье запасных на случай, если костный мозг перестанет справляться.

Это разные стадии образования эритроцитов (эритропоэз). Когда стволовая клетка (слева вверху) готова к образованию эритроцитов, она претерпевает ряд морфологических изменений. В результате этих изменений клетка лишается ядра (справа внизу) и органелл, а также приобретает пигментный гемоглобин.

После рождения все наши кости, особенно длинные, способны производить эритроциты. Этот процесс называют эритропоэзом. К двадцати годам эта способность остается лишь у избранных структур: позвоночника, грудины, черепа, тазовой кости и проксимальных концов костей конечностей.

Эритропоэз

Эритропоэз запускается, когда определенные клетки почек фиксируют низкий уровень кислорода в крови. Они выделяют особый гормон, или фактор роста, под названием «эритропоэтин», который стимулирует деление гемопоэтических стволовых клеток (гемоцитобластов). Эти клетки живут в костном мозге, и из них образуются все клетки крови.

Далее дочерняя клетка дифференцируется в миелоидную стволовую клетку, из которой образуется ранний предшественник эритроцитов — проэритробласт. После серии изменений клетка теряет свое ядро и переносится в кровь, где становится молодым эритроцитом — ретикулоцитом.

Процесс образования всех типов клеток крови схож с процессом образования эритроцитов и называется гематопоэзом.

Клетки крови образуются из гемопоэтических стволовых клеток красного костного мозга. Тип образовавшейся клетки зависит от гормонов и факторов роста, которые запускают специфическое направление развития и деления.

Перенос кислорода

Около 1–2 % всех эритроцитов в кровотоке отводится ретикулоцитам. За какие-то два дня ретикулоцит успевает обменять свои органеллы на дополнительное место для самого ценного груза — гемоглобина. Такую зрелую клетку мы уже можем называть эритроцитом.

У нашей крови обычно есть привкус металла, потому что каждая молекула гемоглобина содержит по четыре железосодержащих пигмента (гема), каждый из которых оборачивается четырьмя цепями глобулиновых белков. Железо присутствует в форме, обратимо связанной с кислородом (двухвалентное железо, Fe2+). Это означает, что одна молекула гемоглобина будет связываться с четырьмя молекулами кислорода. Получившаяся цифра может показаться не такой уж и большой. Но не забывайте, что каждый эритроцит содержит до 300 миллионов молекул гемоглобина, а это означает, что каждый эритроцит может связывать и транспортировать до 1,2 миллиарда молекул кислорода. А теперь учтите, что в нашем кровотоке живет примерно 30 триллионов клеток крови.

Эритроциты наполнены миллионами молекул гемоглобина. В пигменте — геме — содержится железо, которое слабо связывается с кислородом.

Двояковогнутая форма нужна свободно плавающим эритроцитам (по сути это просто молекулы гемоглобина, заключенные в оболочку), чтобы увеличить поверхности для газообмена. Интересный факт: гемоглобин высвобождает кислород, только когда это нужно ткани. Кроме того, лишь четверть всего объема углекислого газа, выделенного в процессе жизнедеятельности тканями, связывается с белковыми участками молекулы гемоглобина. А большая часть углекислого газа растворяется и переносится к легким в составе плазмы.

Смерть эритроцита

Эритроцит, переносящий кислород, достигает старости через 120 дней. Эти клетки привлекают специализированных лейкоцитов (макрофагов), которые разрушают их и поглощают в костном мозге, печени или селезенке. Но и это еще не конец. В ходе этого процесса компоненты эритроцитов (белки глобины и железы) перерабатываются и используются для производства других эритроцитов. Другие части молекулы (например, гем) превращаются в пигменты, которые сначала зеленеют (биливердин), а затем приобретают желтый окрас (билирубин), прикрепляются к альбумину в крови и переносятся в печень. Здесь билирубин вторично используется для создания пищеварительного сока — желчи, которая расщепляет жиры в кишечнике.

На закате своей жизни эритроциты привлекают фагоцитарные клетки (макрофаги), которые их поедают. Частицы эритроцита могут заново использоваться для создания новых клеток — или же выделяются в желчь в виде пигмента — билирубина.

Срок жизни эритроцитов сравнительно короток. Но каждую секунду в костном мозге образуется по 2 миллиона новых эритроцитов, и их дело продолжает жить.

Под давлением

Чувствуете ли вы, как кровь пульсирует в артериях? Если да, то вам следует проверить артериальное давление. Наше сердце совсем не мягкотелое. Оно может выталкивать кровь под высоким давлением — настолько высоким, что кровь с легкость поднимется на высоту трех стоящих друг на друге взрослых бурых медведей. Артериальное давление служит показателем того, как сильно сердце выталкивает кровь по стенкам артерий.

Артериальное давление измеряют тонометром, или сфигмоманометром.

Поскольку кровь толчкообразно пульсирует по артериям, а ее давление на стенки артерий распределяется неравномерно, получить точные показатели бывает трудно. Самым правильным будет взять усредненное значение из самого высокого и низкого давления. Левый желудочек насыщает органы большого круга кровообращения питательными веществами и выполняет большую часть работы. Поэтому самое высокое артериальное, или систолическое, давление возникает в момент сокращения левого желудочка (систолы), когда кровь выталкивается из аорты. Самое низкое артериальное, или диастолическое, давление возникает в тот момент, когда сердце перестает сокращаться и полностью расслабляется в конце диастолы. Артериальное давление измеряют в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) и записывают как систолическое давление / диастолическое давление. Для этих целей используют ручной тонометр — сфигмоманометр. Также существуют и цифровые версии прибора.

Выше или ниже

Говоря об артериальном давлении, нельзя считать нормой какое-то одно значение. Артериальное давление зависит от возраста, наследственности и уровня физической активности; оно повышается при занятии спортом и понижается во время отдыха. Систолическое давление у годовалого ребенка составляет около 90 мм рт. ст., а к десяти годам увеличивается до 105 мм рт. ст. Эталонным для здорового взрослого человека в состоянии покоя считается 120 мм рт. ст. (систолическое) / 80 мм рт. ст. (диастолическое). Для постановки диагноза «гипертония» давление должно подниматься выше 140 / 90 мм рт. ст. У пожилых это значение еще выше — от 160 / 90 мм рт. ст. Дело в том, что с возрастом стенки артерий теряют свою гибкость, из-за чего систолическое давление повышается. Однако бывает и наоборот. Артериальное давление ниже 90 / 60 мм рт. ст. обычно указывает на низкое кровяное давление, или гипотонию.

Слишком высокое или низкое давление — это всегда плохо. Устойчивая гипертония вызывает многие серьезные и опасные для жизни заболевания: инсульт, пороки сердца, аневризму (набухание кровеносного сосуда, который в любой момент может лопнуть), нарушение сна, деменцию, нарушение зрения и заболевания почек. В массе случаев гипотония указывает на то, что мозг и другие органы не получают нужное количество крови. Недостаточное кровоснабжение может возникать из-за разных причин и сопровождаться такими симптомами, как головокружение, обмороки и учащенное сердцебиение.

Наш пульс

Игорь Стравинский (1882–1971) однажды сказал: «Везде, где есть ритм, есть музыка. Точно так же жизнь есть везде, где бьется пульс». Действительно: музыка и пульс неразрывно связаны. С точки зрения эволюции музыка нужна для того, чтобы «настраивать» наше самочувствие. Темп музыки способен влиять на частоту пульса, динамически подстраивая к нему наше сердцебиение. Часы, совершающие 60 ударов в минуту (уд. / мин.), успокаивают нас, поскольку частота пульса начинает подстраиваться под медленное тиканье. Ритмы расслабляющей музыки помогают замедлить сердцебиение, а быстрая музыка поддерживает высокоинтенсивную активность (например, занятия спортом или танцы).

Сонная артерия — одна из самых сильно пульсирующих точек в организме.

Наш пульс и сердечный ритм объединяются за счет кинетической энергии — энергии, возникающей при сокращении левого желудочка. Эта нарастающая и затухающая сила, подобно морскому прибою, передается по стенкам артерий и оживает там, где волны достигают твердой (костной) поверхности, или оказываются в непосредственной близости к коже. Мощность сосудов зависит от их близости к сердцу. Именно поэтому ближайшая к сердцу артерия испускает самые сильные пульсовые волны, а максимально отдаленная от сердца — самые слабые.

Ищем пульс

Самые точные показатели можно получить, измерив пульс на внутренней поверхности запястья, чуть ниже большого пальца. Это пульсация лучевой артерии. Ее измеряют с помощью двух пальцев (любых, кроме большого пальца, поскольку в нем есть собственный пульс). Если из-за ожирения пациента пульс лучевой артерии невозможно прощупать, то измеряют пульс сонной артерии в области шеи. Другие точки пульсации можно найти у виска, на руке, в паху, на задней части колена, в глубине лодыжки и в верхней части стопы.

Частота пульса

Сила, ритм и частота пульса могут многое сказать об общем состоянии здоровья. Частота пульса зависит от возраста, физической формы и температуры тела, а также от того, беспокойны ли вы и насколько хорошо себя чувствуете. Частоту пульса в состоянии покоя выше 100 уд./мин. считают ненормальной и называют тахикардией. Ненормальна и частота пульса ниже 50 уд./мин., ее называют брадикардией. Слабый или прерывистый пульс служит поводом для беспокойства и требует оказания неотложной медицинской помощи. Он сигнализирует о том, что сердце перекачивает слишком мало крови либо что-то в организме блокирует нормальную циркуляцию крови. Неравномерный пульс может говорить о том, что сердечные камеры бьются не в унисон, а под ритмы собственных барабанов. Такую патологию называют аритмией.

Слишком много упражнений?

Связь между умеренными физическими нагрузками и улучшением сердечно-сосудистой системы заметили давно. Получив добро от своего врача, вы можете тратить по 20 минут в день на легкие аэробные упражнения, которые немного участят пульс — до значений выше состояния покоя. Такие упражнения помогают бороться с высоким артериальным давлением и различными серьезными болезнями, включая атеросклероз (затвердевание стенок артерий), инсульт и сердечные приступы. Однако по мере увеличения интенсивности нагрузки находить баланс между здоровьем сердечно-сосудистой системы и физическими упражнениями становится сложнее.

Интенсивные режимы

Если вы интенсивно тренируетесь в течение продолжительного времени, взаимосвязь физических упражнений и здоровья сердечно-сосудистой системы становится неустойчивой и непредсказуемой. Известно, что выносливые спортсмены подвергают свои тела таким испытаниями, выдержать которые способны немногие. Чтобы переносить экстремальные нагрузки, необходим коктейль из правильной наследственности и продолжительных тренировок с духом соперничества, упорством, силой воли и решительностью.

Сердечно-сосудистая система выносливых спортсменов должна выдерживать интенсивные физические нагрузки. Это приводит к физиологическим адаптивным изменениям, которые в зависимости от особенностей организма могут оказаться полезными — или нет.

Некоторые исследователи пошли еще дальше и предположили, что систематическое воздействие интенсивных тренировок на организм может приносить что угодно, кроме пользы. Есть опасения, что ударные дозы физической нагрузки могут приводить к неблагоприятным реакциям со стороны сердечно-сосудистой системы, особенно опасны ранняя аритмия (мерцательная аритмия), недиагностированные изменения в миокарде (кардиомиопатия) и ишемическая болезнь сердца. Такие взгляды подверглись резкой критике, а научные мнения по данному вопросу разделились.

Получить зеленый свет

Неоспоримым фактом остается одно: при интенсивных физических нагрузках, к которым чаще всего склонны спортсмены, сердце начинает перестраиваться и изменяться. Но у всех правил есть исключения. Именно поэтому крайне важно, чтобы спортсмены и гиперактивные люди приступали к тренировкам, только пройдя исследование на скрытые или неизвестные предрасположенности. Например, один из таких диагностических стандартов по исследованию рисков развития сердечных патологий у спортсменов разработала группа кардиологов во главе с практикующим врачом и доктором медицины Аароном Л. Бэггишем, а также доктором медицины, практикующим врачом и доцентом Гарвардской медицинской школы Рори Бреттом Вейнером. Они запустили клиническую программу по исследованию сердечной деятельности у спортсменов в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне (США).

Кардиомиопатия (КМП) — это общее название группы болезней, возникающих в сердечной мышце. При дилатационной КМП стенки сердца растягиваются, при гипертрофической — утолщаются, а при рестриктивной — затвердевают.

Глава 6. Охранная система

Лимфатическая система

Наша иммунная, или лимфатическая, система обладает собственным набором клеток, органов и сосудов, которые борются с проникновением в организм микробов. Микробы весьма хитры, они постоянно учатся, развиваются и меняются, чтобы оставаться незамеченными. Именно поэтому наше тело и разработало особую охранную систему, способную нас защитить.

Пограничная служба

Всем системам обороны нужны границы, и их надо защищать. Неспецифическую иммунную защиту обеспечивают кожа и выстилающая внутренние полости микробоулавливающая субстанция мукор. Наша кожа с ее плотно расположенными эпителиальными клетками служит превосходным защитным барьером. Ей помогают сальные железы, которые вырабатывают слабокислую антибактериальную смазку — кислотную мантию. А дружественные бактерии у нас на коже отгоняют своих вредных сородичей, вырабатывая химические вещества для подавления их роста.

Некоторые микробы пытаются проникнуть в организм в процессе еды или дыхания, распространяясь по воздуху или оседая на пище. Они вязнут и гибнут в мукоре, выстилающем дыхательные пути и пищеварительную систему. Мукор и слюна не просто выполняют роль болота для физического избавления от микробов: они содержат лизосомы, которые расщепляют инфекционные агенты (патогены) на мелкие кусочки. Эту же функцию выполняют слезы. А микробов, проникнувших в желудок, ждет участь страшнее смерти: они растворяются в бульоне из соляной кислоты.

Сосуды и органы

Всякое инородное тело, которому удается преодолеть защитные барьеры, сталкивается с лимфатической системой. Первичные лимфоидные органы — это костный мозг и вилочковая железа (тимус), в которых вырабатываются иммунные клетки (лимфоциты). Вторичными, или периферическими, лимфоидными органами служат около 500 лимфатических узлов, а также селезенка, миндалины, аппендикс и частички кишечной ткани под названием «пейеровы бляшки». Это стартовые площадки для созревания и разрастания лимфоцитов, а также для их взаимодействия с антигенами. Лимфатические сосуды переносят иммунные клетки по всему организму.

Антигены

Антигены — это инородные тела из живых и неживых источников, которые вызывают иммунный ответ. Патогенные антигены, как правило, представляют собой белки, обнаруживаемые на поверхности бактерий, грибков, вирусов или других клеток. Также антигенами могут быть различные соединения и посторонние включения. Наше тело уничтожает любой нераспознанный антиген.

Лимфатическая система состоит из первичных и вторичных лимфоидных органов и лимфатических сосудов, самым крупным из которых является грудной проток.

Два иммунных фронта

Наша лимфатическая система работает по двум направлениям защиты. Клетки и органы первого фронта защиты моментально реагируют на любой нераспознанный агент, пытающийся проникнуть в тело. Так как это инстинктивное нападение применяется к любому инвазивному объекту, такой ответ относят к врожденной, или неспецифической, иммунной системе. Это наша стандартная система для защиты от мелких патогенов или раздражителей. Второй линией защиты организма служит адаптивная иммунная система.

Врожденная иммунная система

Основной формой защиты во врожденной иммунной системе служит воспаление. Это неспецифическая иммунная реакция, возникающая в ответ на нарушение целостности локального участка. Она приводит к высвобождению важных молекул, называемых медиаторами воспаления. Такие вещества дают сигнал лейкоцитам и направляют их к пораженному участку. Как правило, это сопровождается болевым ощущением, отеком, жаром и покраснением за счет усиления кровотока и сопутствующих повреждений.

Адаптивная иммунная система

Врожденная иммунная система обеспечивает и второй фронт защиты. Этот фронт дает временную отсрочку для укрепления и мобилизации внутренних ресурсов в борьбе с возникающими угрозами, которые могли получить доступ к кровотоку или уже получили. Приобретенная, или адаптивная, иммунная система активизируется через несколько дней после первого вторжения патогена. За время отложенной реакции особая группа специализированных клеток успевает создать оружие в форме цитотоксических веществ и антител, нацеленных на определенные семейства патогенов. Но при повторном попадании инфекционного агента в организм иммунный ответ ускоряется. Дело в том, что эта часть иммунной системы является своего рода самоучкой, которая учится на собственном опыте и сохраняет записи о предыдущих атаках, благодаря чему создается иммунитет к повторным вторжениям. Очень важно, чтобы адаптивная иммунная система справлялась со своими задачами, ведь третьей линии защиты не существует.

Узнаем врага в лицо

Бактерии есть везде. Это самая мелкая и распространенная форма жизни на Земле. Численность одноклеточных организмов, чьи предки первыми населили нашу планету, в разы превышает количество звезд во Вселенной. Учитывая колоссальную численность бактерий, вполне возможно, что в существующих методах подсчета присутствует допустимая погрешность столь же большая, как сам результат этих расчетов. Не секрет, что наше тело заражено — или, скорее, заселено — триллионами бактерий, большинство из которых ведут безвредное существование на нашей коже, во рту и в кишечнике — что даже полезно для нас. Но есть и другие, не столь дружелюбные бактерии, которые постоянно пытаются проникнуть в наш организм и захватить территорию, нарушая наше внутреннее гармоничное существование. И, что еще хуже, бактерии — не единственные вредные существа. Есть и другие патогены, такие как вирусы, вредные микробы (паразиты) и некоторые виды грибков, которые с ненасытным упорством пытаются поработить клетки.

Эти патогенные микроорганизмы могут приводить к возникновению пневмонии или воспаления легких. Патогены вызывают многие болезни, поражающие и людей, и животных.

Белые кровяные тельца

Белые кровяные тельца, которые также называются лейкоцитами, образуются в костном мозге. Все они формируются из гемопоэтических стволовых клеток (гемоцитобластов) в результате гемопоэза. Гемоцитобласты являются самообновляющимися стволовыми клетками. Одна дочерняя клетка отвечает за поддержание популяции стволовых клеток, а другая становится ранним предшественником одной из двух династий клеток крови: миелоидных и лимфоидных стволовых клеток.

Миелоидные и лимфоидные

К миелоидным клеткам-потомкам относят эритроциты, тромбоциты и белые кровяные тельца: гранулоциты и моноциты. Гранулоциты и моноциты составляют большую часть популяции лейкоцитов во врожденной иммунной системе. К лимфоидным клеткам-потомкам относится сочетание белых кровяных телец, участвующих во врожденном (естественные киллеры) или адаптивном (лимфоциты) иммунном ответе.

Этот микроснимок показывает, как нейтрофилы поглощают метициллин-резистентного золотистого стафилококка (МРЗС). Нейтрофилы — это первые клетки, которые появляются при проникновении патогена.

Как только стволовая клетка получает соответствующий сигнал, или фактор роста, она начинает готовиться к делению. Если клетки оказываются в меньшинстве или нуждаются в защите, то они начинают высвобождать цитокины — сложные белково-углеводные факторы роста. Цитокины стимулируют выработку и миграцию лейкоцитов из различных лимфоидных органов и тканей. В основном все клетки крови обитают в костном мозге и существуют там в полузрелом виде, где они и получают суффикс «бласт». Как правило, затем они мигрируют в другие лимфоидные ткани и органы, где происходят их активация и дозревание до клеток с суффиксом «цит».

Гранулярные и агранулярные

Клетки иммунной системы можно классифицировать по наличию в них крупных гранул. Большую часть лейкоцитов, участвующих в местных воспалительных реакциях, составляют гранулоциты. Из-за дольчатого ядра такие клетки иногда называют полиморфноядерными лейкоцитами. В их состав входят крупные гранулы с особыми веществами, уничтожающими микробов или выступающими в роли медиаторов. Эти медиаторы регулируют локальные изменения, направленные на разрушение инвазивных агентов. Самые распространенные гранулоциты — нейтрофилы. Это та самая пехота, которая первой бросается в атаку и поедает чужеродных агентов.

Агранулоциты — это практически лишенные гранул клетки, обладающие крупным ядром сферической или почкообразной формы. В них есть собственные пожиратели микробов — макрофаги, которые поглощают все чужеродные или поврежденные объекты. Некоторые агранулоциты могут приклеивать к своей поверхности частицы своих мишеней — антигены. Затем эти антигенпредставляющие (презентирующие) клетки (АПК) передают информацию в лимфоциты. Главными АПК считаются дендритные клетки. Они служат мессенджерами (соединительным звеном) между двумя отделами. Эти клетки не имеют никакого отношения к нервной системе, а получили свое название из-за особых цитоплазматических выростов, чем-то похожих на дендриты. Основными клетками адаптивной иммунной системы являются лимфоциты, которые используют антигенную информацию для запуска «умных» атак на чужеродные объекты.

Лейкоцитарные агенты

Активируйте лимфоциты!

Существует два типа лимфоцитов: В- и Т-клетки. Эти особые бойцы второго фронта проходят специальную подготовку в костном мозге или тимусе. До того как лимфоциты попадают в кровяное русло и заселяют лимфоидные органы, они учатся отличать «свое» от «не-своего».

B-лимфоциты

B-лимфоциты участвуют в гуморальном ответе. Они атакуют патогены, которые свободно плавают в тканевой жидкости (гуморе), но еще не проникли в клетку. В-клетки создают белковые снаряды — антитела, способные связываться с определенным патогеном.

Активация В-клеток — это многоступенчатый процесс.

На поверхности каждой В-клетки формируются тысячи связей для подходящих антигенов. Эти В-клеточные рецепторы связываются с патогеном в особой части клетки — эпитопе (антигенной детерминанте). Находясь в лимфоузлах, В-клетка, словно притаившийся тигр, нападает на попавший в поле зрения антиген и поглощает его через рецепторно-опосредованный эндоцитоз. Этот процесс похож на фагоцитоз, с той лишь разницей, что для связывания с В-клеточным рецептором требуется специфический антиген (фагоцитоз — это неспецифический процесс). Затем B-клетка действует как АПК и передает часть антигена со своей мембраны в рецепторный комплекс — главный комплекс гистосовместимости II класса (ГКГС-II).

Антитела

Антитело — это глобулярный белок, или иммуноглобулин (Ig), который вырабатывают клетки плазмы. У антитела два плеча и хвост — Fc-фрагмент, состоящий из четырех белковых цепей: двух тяжелых и двух легких. Оба плеча заканчиваются вариабельным участком, или доменом (V-областью), который отличается в антителах и обеспечивает их специфичность. Небольшая область, соединяющаяся со специфичным антигеном (по принципу «ключ — замок»), называется паратопом. Остальная часть антигена не меняется по классам, или изотипам, и называется константной областью (С-участок). Существует пять изотипов иммуноглобулинов.

IgG — самое распространенное антитело в сыворотке крови. Это единственное антитело, способное проникать сквозь плаценту.

IgE — самое редкое антитело в сыворотке крови. Оно связывается с базофилами и тучными клетками.

IgM — самое крупное антитело. Это первый тип антител, вырабатываемых для иммунного ответа.

IgA — самое распространенное в секретах организма антитело.

IgD — участвует в созревании и активации B-клеток.

Антитела останавливают патогены следующими методами.

Маркируют патогенов (опсонизация) — помогает фагоцитам быстрее распознать и поглотить патоген.

Склеивают патогены (агглютинация, или агрегация) — эффект накопления.

Изолируют патогены (нейтрализуют) — антитела полностью окружают патоген, препятствуя попаданию в клетки или их заражению.

Антитело по форме Y-образное.

Готовясь к следующей трансформации, В-клетка ждет особый тип Т-лимфоцита — клетку Т-хелпера (которую активировал тот же антиген). Т-хелпер связывается с ГКГС-II В-клетки, и этот комплекс высвобождает цитокины, которые полностью активируют В-клетку. Затем продуманный механизм повторно проверяет, что перед своим клонированием В-клетка получила правильную информацию. В-клетка дифференцируется в два типа клеток: (1) плазматическая клетка — создает свободно плавающие антитела, которые попадают в кровоток и связываются с чужеродным антигеном в эпитопе, и (2) долгоживущая клетка памяти — запоминает антиген для повторной встречи.

Т-лимфоциты

Вопреки усилиям В-лимфоцитов, патогены могут инфицировать клетки. И чтобы решить проблему, пока не поздно, организм прибегает к своему последнему оружию — Т-лимфоцитам. По сути Т-лимфоциты появляются либо до, либо в процессе активации Т-клеток. Но выделить Т-лимфоциты — это последнее, что может сделать организм. Т-клетки зарождаются в виде своих незрелых версий в тимусе. Созревание начинается в тот момент, когда они приобретают Т-клеточные рецепторы, способные не только отличать «свое» от «не-своего», но и связываться со специфическими чужеродными антигенами. Затем зрелые Т-клетки с током крови переносятся в лимфоидную ткань.

Существует два основных типа Т-лимфоцитов: Т-хелперы и цитотоксические Т-клетки. Они различаются по поверхностным белковым маркерам, которые называются CD4+ (Т-хелпер) и CD8+ (цитотоксические Т-клетки). Клетки CD4+ прикрепляются своими рецепторами к антигенам, расположенных в ГКГС-II специальных антигенпредставляющих клеток (дендритных клеток или макрофагов). Клетки CD8+, наоборот, связываются с любыми нездоровыми клетками, которые помещают свои антигены на поверхности ГКГС-I — это любая ядросодержащая аномальная (злокачественная) или инфицированная клетка. Т-клетки могут участвовать в одном из этих сценариев только при правильной активации через связывание с антигеном.

Т-лимфоциты созревают в тимусе, где они учатся отличать «свое» от «не-своего».

Т-клетка связывается с антигенпредставляющей клеткой (справа) через свой рецептор и ГКГС-II (чужеродная клетка).

После стимуляции Т-хелперы запускают процесс клонирования. Он нужен, чтобы увеличить доступный резерв эффекторных клеток, которые могут (1) распознать специфический чужеродный антиген и высвободить цитокины, усиливающие иммунный ответ, либо (2) активировать цитотоксические Т-клетки, умеющие распознавать тот же антиген. Т-клетки, как и В-клетки, дифференцируются и разделяются на долгоживущие клетки памяти, которые пользуются своими «знаниями» для создания вторичных — повторных и более быстрых — иммунных реакций.

Т-клетки обнаруживают инфицированные клетки и запускают прицельный иммунный ответ.

Активированные цитотоксические Т-клетки также связываются с инфицированной клеткой, дифференцируются и клонируются в эффекторные клетки и клетки памяти. Эффекторные клетки наносят еще больший урон, извергая смертоносный коктейль цитокинов и цитотоксических гранул прямо на подозрительную клетку. В клеточной мембране такой клетки образуются поры, через которые просачиваются токсичные вещества. Попав внутрь, эти вещества наносят серьезный ущерб и разрушают все белки клетки-мишени, вынуждая ее самоустраниться.

Сосуды и органы

Лимфатические сосуды

Лимфатические сосуды проходят параллельно артериям и венам. В лимфе — молочно-белой субстанции, похожей на плазму крови, — переносятся иммунные клетки и различные белки, соли и жировые вещества. По мере приближения к тканям лимфатические сосуды, как и артериальные, начинают ветвиться до пористых лимфатических канальцев, или капилляров, укорененных в капиллярном русле. Капиллярное русло отвечает за отток лишней жидкости, омывающей ткани, и предохраняет клетки от размокания. Лимфа поступает обратно в кровь через два крупных сосуда, или протока, каждый из которых попадает в кровеносное русло из левой или правой подключичных вен. Наличие лимфы в кровотоке снижает концентрированность крови и позволяет иммунным клеткам перемещаться в разные участки тела.

Лимфатические капилляры лежат в капиллярном русле и дренируют тканевую жидкость, образуя лимфу. Эта лимфа перемещается по лимфатическим сосудам и узлам. Лимфа переносится лимфатическими протоками, которые открываются в системный кровоток через подключичную вену.

В отличие от сердечно-сосудистой системы, в лимфатической системе отсутствует лимфатическое сердце или насос. Сама лимфа перемещается за счет движения скелетных мышц, которые перекачивают ее по сосудистой сети. Это, кстати, лишний раз доказывает пользу упражнений. А клапаны внутри сосудов не дают лимфе течь в обратном направлении.

Лимфатические узлы

Внутри нашего тела рассредоточены скопления небольших бобовидных структур — лимфатических узлов, которые люди часто ошибочно принимают за железы. Эти цепочки узелков, похожие на бусины, являются местом, где живут лимфоциты, участвующие в адаптивной иммунной системе. Т- и В-клетки сидят здесь в засаде — готовые атаковать любые антигены или патогенные микроорганизмы, попавшие в кровоток. С этой целью Т- и В-клетки эффективно процеживают проходящую через них лимфу перед тем, как она попадет в кровеносное русло.

Лимфатические узлы дренируют жидкость из определенных областей тела. Например, лимфатические узлы, расположенные между шеей и ключицей (надключичные узлы), дренируют ткани и органы грудной полости. Набухшие лимфатические узлы — это первый признак инфицирования организма или наличия в определенной зоне патогена, вызывающего адаптивный иммунный ответ. При наличии проблем в организме лимфатические узлы активируются и увеличивают колонию иммунных клеток.

Костный мозг и тимус

Красный костный мозг и тимус относятся к первичным лимфоидным органам. Они являются прародителями лимфоцитов и учат их отличать «свое» от «не-своего». Для справки: вилочковая (тимус) и щитовидная железы — это две разные вещи. Щитовидная железа вырабатывает гормоны и находится внутри шеи, рядом с трахеей, а по форме своей похожа на бабочку. Вилочковая железа располагается в грудной полости чуть выше сердца и отвечает за рост Т-лимфоцитов.

Реакция на занозу

Давайте рассмотрим, как иммунная система реагирует на глубокую занозу. Заноза вызывает болевое ощущение и приводит к повреждению тканей. Инородное тело остается под кожей вместе с занесенными им бактериями.

Тучные клетки притягиваются к ране и начинают высвобождать гистамин. Под действием гистамина капилляры расширяются, пропуская жидкость. Нейтрофилы попадают в инфицированную ткань. Увеличение кровотока приводит к нагреванию и воспалению ткани. Фагоциты поглощают и переваривают бактерии, а дендритные клетки передают антиген лимфоцитам — для создания адаптивного иммунного ответа.

Первичный иммунный ответ

Первичный ответ со стороны иммунной системы — это развитие воспаления.

• Поврежденные клетки выделяют цитокины.

• Хемотаксис (химический сигнал, испускаемый клетками) привлекает гранулоциты. Первыми появляются нейтрофилы. Они поглощают бактерии, проникшие под кожу, и выделяют гранулы. Затем нейтрофилы умирают и накапливаются в виде гноя.

• К ране притягиваются местные иммунные клетки (макрофаги и тучные клетки). Тучные клетки выделяют гистамин, который усиливает приток крови к ране, из-за чего эта область нагревается, краснеет и воспаляется.

• Макрофаги поглощают бактерии в результате фагоцитоза и вычищают все, что осталось от нейтрофилов.

• Ближайший капилляр начинает разбухать. Его стенки приобретают пористую структуру, что облегчает прохождение иммунных клеток, тромбоцитов, плазмы и комплементарных белков.

• Натуральные клетки-киллеры атакуют все клетки, инфицированные вирусом (если таковые присутствуют).

Система комплемента

Это набор из более чем 30 белков, циркулирующих в крови. При повреждении тканей или появлении патологий белки активируются и связываются, для того чтобы прямо или опосредованно избавиться от свободно плавающих патогенов.

Прямая атака: белки образуют структуру под названием «мембраноатакующий комплекс» (МАК), который создает дыру на мембранной поверхности клетки-мишени. В результате туда поступают вода, ионы и небольшие молекулы, что в конечном счете приводит к разрыву клетки.

Непрямая атака: белки привлекают в область поражения гранулоциты, тучные клетки и фагоцитарные клетки, либо маркируют патогены для фагоцитоза.

Фагоцит с возможностями антигенпредставляющих клеток передает адаптивной иммунной системе информацию об инвазивном патогене.

Фагоцитоз

Макрофаги, дендритные клетки и нейтрофилы убивают бактерии и антигены посредством фагоцитоза.

1. Иммунная клетка связывается с бактерией.

2. Фагоцит заглатывает патоген, как удав. Мембрана фагоцита выпячивается до тех пор, пока чужеродный объект не будет полностью поглощен.

3. Бактерия изолируется в пузырьке внутри макрофага. Такую клетку называют фагосомой. К ней прикрепляется лизосома, которая устраивает для бактерии ядовитый душ, заливая ее цитотоксическими веществами до полного растворения.

4. Иммунные клетки с антигенпредставляющими функциями приклеивают небольшие частицы переваренной бактерии или антигена к белкам под названием ГКГС-II. Все это передается клеткам второго уровня (В- и Т-лимфоцитам), которые определяют тип патогена и принимают решение о подходящем иммунном ответе.

Обитель тромбоцитов

Процесс заживления ран запускают особые кровяные пластинки — тромбоциты. Тромбоциты не являются иммунными клетками, они защищают нас иначе — вырабатывая специальные сгустки, закупоривающие поврежденные участки кожи или кровеносных сосудов. Неоднородная поверхность тромбоцитов выполняет роль микроскопических конечностей (псевдоподиев). Они позволяют тромбоцитам цепляться за стенки сосудов и друг за друга.

Тромбоциты — это не клетки, а цитоплазматические фрагменты мегакариоцитов. Мегакариоциты образуются из гемопоэтических стволовых клеток костного мозга и имеют то же происхождение, что и тучные клетки, гранулоциты и моноциты (включая эритроциты). До того как миелоидная клетка-предшественник превратится в мегакариобласт (предшественник мегакариоцита), она должна получить от печени особый сигнал — фактор роста тромбопоэтин.

Образование болячки

Чтобы «запечатать» рану, активированные тромбоциты стимулируют сокращение кровеносных сосудов и приклеиваются к ране. Тромбоциты объединяются с белком плазмы (фибриногеном) и создают фибрин. В результате образуется желеобразная сетка из фиброзных нитей, которая запечатывает клетки крови и формирует своего рода пробку. После высыхания серозной жидкости эта пробка затвердевает и появляется болячка.

Из поврежденного капилляра просачиваются плазма и эритроциты.

Тромбоциты прикрепляются к ране и помогают крови свернуться.

Полноценное заживление начинается тогда, когда кровеносный сосуд заново открывается, а лейкоциты освобождают область от инфекционных агентов. Клетки фибробластов, находящиеся по соседству, производят новый коллаген для большей прочности заживающего участка. Когда края раны смыкаются, сгусток крови растворяется за счет фибринолизина, при котором ферменты расщепляют фибрин.

Личинки

Иногда раны почему-то не заживают, особенно если они глубокие и некротические. В незаживающих ранах содержится огромное количество слипшихся мертвых клеток. Эти клетки умерли в результате некроза, поэтому фагоциты не получили сигнала для их зачистки, а процесс заживления застопорился. Похоже, при таких обстоятельствах живые и мертвые не могут сосуществовать. Заживление раны возобновится только после того, как поврежденная область очистится от мертвых тканей. Если этого не происходит, то возникает инфекция, которая активно распространяется.

Самое время вспомнить про личинок — этих живых дезинфекторов помещают в саму рану. Они питаются только мертвой тканью и обходят стороной все живое. Кроме того, антимикробные вещества, высвобождаемые личинками, служат источником бесперебойного питания, защищают их от бактерий и замедляют воспаление. Важный момент: перед началом личинкотерапии нужно убедиться, что эта рана относится к подходящему типу. Такое лечение подходит не всем ранам.

Личинкотерапия — это альтернативный способ лечения определенных типов незаживающих ран. Личинки удаляют мертвые ткани из раны, а также дезинфицируют ее.

Реакции гиперчувствительности

Не все чужеродные вещества вредны для организма. Иногда в нашей иммунной системе возникают сбои, в результате чего она начинает реагировать на малейшие изменения. Реакции гиперчувствительности возникают, когда иммунные клетки неадекватно реагируют на антигенный материал. Такой ответ вызывает ненужное воспаление, а его неспецифичность вызывает сопутствующие повреждения клеток и тканей. Выделяют четыре типа реакций гиперчувствительности.

Гиперчувствительность I типа

Тип I описывает классическую аллергическую реакцию на такие аллергены, как пыльца, пыль, загрязнение, укусы насекомых и некоторые продукты питания. Обычно такая реакция возникает сразу же. Иммуногенная реакция сводится к выработке антител IgE, которые стимулируют в тучных клетках и базофилах выработку гистамина. Это химическое вещество вызывает множество сопутствующих симптомов, которые можно нейтрализовать с помощью приема антигистаминных препаратов. При этом типе гиперчувствительности может возникать такая тяжелая реакция, как анафилаксия. Она обусловлена тем, что высвобожденный гистамин слетает с катушек и доводит наш организм до шокового состояния. Анафилаксия бывает летальной, поскольку она влияет на сердцебиение, сужает дыхательные пути и вызывает чрезмерное расширение кровеносных сосудов. Все это приводит к падению кровяного давления, из-за чего человек может потерять сознание. Одним из действенных способов оказания первой помощи при анафилаксии является инъекция адреналина.

Аллергены, выделяемые кожей или слюной кошек, могут вызывать реакцию гиперчувствительности I типа.

Гиперчувствительность II–IV типов

Три других типа гиперчувствительности могут сопровождаться аутоиммунными реакциями. Они возникают, когда адаптивные иммунные клетки не могут отличить «свое» от «не-своего» и начинают разрушать то, что должны были изначально защищать. Существует свыше 80 аутоиммунных заболеваний, включая целиакию и рассеянный склероз (РС).

При гиперчувствительности II типа В-клетки вырабатывают антитела, которые неправильно маркируют клетки для поглощения фагоцитами либо становятся неуправляемыми аутоиммунными антителами, атакуя «свои» рецепторы клеточной мембраны или внеклеточный материал.

Иммунодефицит

В противоположность гиперчувствительности, иммунная система может переставать работать вообще. Иммунодефицит делает человека уязвимым не только для опасных условно-патогенных инфекций, но и для онкологических заболеваний. В норме наши иммунные клетки постоянно проверяют организм на наличие патогенов и устраняют любые клетки со следами мутации.

Иммунодефицит может возникнуть из-за генетического дефекта или какого-либо вторичного заражения. Такое случается после заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ), из-за неправильного питания или медикаментозного лечения (повреждающая костный мозг химиотерапия или пересадка органов с приемом курса сильнодействующих иммунодепрессантов). В случаях, когда прием препаратов может вызывать иммунодефицит, необходимо трезво оценить все возможные риски и терапевтическую пользу.

ВИЧ поражает Т-хелперы, дендритные клетки и макрофаги.

Реакции гиперчувствительности III типа сопровождаются дополнительными повреждениями в тканях. Они возникают из-за того, что комплексы «антиген — антитело» оседают в суставах, почках или кровеносных сосудах, вызывая их воспаление и разрушение.

Гиперчувствительность IV типа не связана с антителами; она клеточно опосредована активированными Т-клетками. Эта реакция возникает, когда неопасный чужеродный антиген изменяет клеточные белки. Т-клетки расценивают такие белки как атипичные и вызывают прицельную иммунную реакцию. Как правило, подобный тип реакции возникает через 24–72 часа после первого воздействия антигена.

Ребаундинг: профанация или панацея?

Ребаундинг — это особые упражнения в виде прыжков на мини-батуте. Безусловно, это весьма интересный способ поддерживать форму. Причем сторонники ребаундинга утверждают, что он якобы приносит «научно доказанную» пользу для здоровья, в разы превышающую пользу от традиционных видов физической нагрузки.

В 1980 году ученые из Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) опубликовали результаты исследований, проведенных на восьми мужчинах в возрасте от 19 до 26 лет. Эти исследования были направлены на изучение дезадаптации (потери мышечного тонуса) у космонавтов в условиях невесомости и микрогравитации. Ученые сравнили прыжки на батуте с другими видами упражнений с ударной нагрузкой на примере одних и тех же людей с интервалом в неделю. Для оценки использовались чувствительные акселерометры, которые измеряли объем потребляемого кислорода, частоту сердечных сокращений, а также динамическую нагрузку на различные суставы организма. По результатам исследования ребаундинг действительно оказался полезнее для организма. Такие упражнения меньше нагружали суставы, а расход кислорода и проработка мышц были эффективнее.

Прыжки для здоровья

Ребаундинг считают необычайно простой тренировкой, которую могут выполнять даже люди без специальных навыков и те, кто считается «профнепригодными» для физических нагрузок. Всегда помните о безопасности и обязательно проконсультируйтесь с врачом перед началом занятий. Ребаундинг — это легкая и веселая форма кардиотренировок. «Прыжки для здоровья» включают мягкие подпрыгивания, при которых ноги не отрываются от мата. Для достижения максимального эффекта рекомендуется выполнять движение от пятки к носку. Эти легкие пружинящие движения, выполняемые в течение нескольких минут, помогают открывать и закрывать клапаны в лимфатических сосудах, что способствует току лимфы по организму. А изменения в силе гравитации, возникающие при выполнении пружинящих движений, способствуют вибрации лимфы. Считается, что все это улучшает иммунную функцию, поскольку предотвращает застой лимфы и загрязнение тканей продуктами распада.

На фоне этого и ряда других исследований зародилось целое направление в фитнесе. Его адепты уверены, что ребаундинг помогает улучшить здоровье глаз и сердечно-сосудистой системы; повысить проприорецепцию и плотность костей; помочь в профилактике диабета и СПИДа; провести внутренний массаж клеток и поспособствовать скорейшему излечению. Одно из самых смелых утверждений гласит, что ребаундинг якобы отлично стимулирует лимфатическую систему. И действительно: считается, что ребаундинг полезнее для лимфатической системы, чем бег трусцой, который к тому же влияет на суставы.

Нам еще предстоит выяснить, является ли ребаундинг панацеей от распространенных болезней и недугов, поскольку для этого требуются дополнительные исследования, которые смогли бы подтвердить пока что ничем не подкрепленные данные. К сожалению, существует слишком мало рецензируемых научных исследований или клинических испытаний, способных подтвердить или опровергнуть заявленную пользу ребаундинга. Но, похоже, в последние годы ситуация стала меняться. Очевидно, что ребаундингу нужно больше масштабных научных исследований, которые смогли бы определить истинную пользу данных упражнений для поддержания здоровья и предотвращения болезней.

Глава 7. Ключевой обмен

Дыхательная система

С каждым вдохом в нашей груди происходит нечто удивительное. Между воздухом и кровью возникает совершенно уникальный обмен. Процесс дыхания обеспечивает организм компонентом, необходимым для преобразования пищи в энергию, и избавляет от побочных продуктов, возникающих при использовании живительного газа.

Дыхательная система состоит из органов, структур и тканей, помогающих поглощать кислород, а также выводить углекислый газ и воду. Дыхательная система не ограничивается одними легкими; поток воздуха проходит через рот, нос, глотку, гортань, трахею, бронхи, бронхиолы и альвеолы, и все эти части отвечают за поступление O_2 и вывод CO_2. Наша дыхательная система отвечает за круговорот этих газов и использует воздушные потоки, чтобы мы могли общаться с помощью звуков и различать парящие в воздухе запахи.

Проведение и дыхание

Анатомически дыхательный тракт можно разделить на верхнюю и нижнюю части. Точкой разделения служит шейный участок, в котором глотка соединяется с гортанью. По выполняемым функциям дыхательная система делится на два участка: проводящий и дыхательный. Каждый из участков образован специальными структурами для циркуляции воздуха (проведения) или обмена газами (дыхания).

Дыхательная система обменивает углекислый газ на молекулы кислорода.

Механизм дыхания, или вентиляции, состоит из двух одинаково важных и противоположных событий: вдоха и выдоха. Оба этих события характеризуются сокращением и расслаблением мышц грудной клетки (межреберных мышц), диафрагмы и брюшной полости. И все это происходит без вашего ведома: специальные дыхательные центры мозга и артериальные рецепторы улавливают высокую концентрацию углекислого газа или низкий уровень кислорода в крови и сигнализируют нашим мышцам о дальнейших действиях. Сам газообмен возникает из-за разниц давления по периметру легких, в результате чего газы диффундируют от области с высокой концентрацией в область с низкой.

Наша дыхательная система занимает области в голове и груди.

Транспортируются в крови эти газы по-разному. Кислород в основном «путешествует» в гемоглобине эритроцитов, а углекислый газ оказывается в плазме в составе сложного бикарбоната.

Зона проводимости

«Вы путешествуете по другому измерению — измерению не только тепла и слизи, но и мерцающих реснитчатых клеток. Ваш путь проходит по фантастическому месту, границы которого можно преодолеть диффузно. Ваша следующая остановка — Зона проводимости!» Будь вы поклонником «Сумеречной зоны», именно это вы бы сказали молекуле кислорода, попавшей к вам в нос или рот… В зоне проводимости кислород встречается с удивительным разнообразием веществ, клеток и структур, которые стремятся максимально облегчить его переход на другую сторону.

Носовая полость

Первым делом кислород проходит через носовую полость, поделенную костным гребнем на носовые раковины. Эти раковины переходят в специальные бороздки — носовые ходы. Они увеличивают поверхность носовой полости, втягивая вдыхаемый воздух в носовые проходы и пропуская его через назальные клетки. Это крайне важно, поскольку эпителиальные клетки с микроскопическими волосоподобными отростками (ресничками) помогают согревать вдыхаемый воздух за счет богатого кровоснабжения. Кроме того, эти клетки очищают воздух от загрязнения и патогенов, которые оседают на слизистой оболочке носа.

На микроснимке показано, как реснички назальных эпителиальных клеток задерживают бактерии в носу.

Дыхательное дерево

Нижнюю часть дыхательной системы не зря называют дыхательным, или трахеобронхиальным, деревом. Она действительно похожа на дерево. Оказывается, древообразные структуры и ветвление — это любимые шаблоны природы. Они встречаются везде — от снежинок до речных сетей и молний. Такая фрактальная структура появилась в дыхательных путях не случайно: она обеспечивает максимальную площадь для поглощения газа в ограниченном пространстве.

Ветвление встречается и на макроуровне. Например, на этом аэрофотоснимке изображены притоки реки.

Трахея

Пройдя через глотку и гортань, вдыхаемый воздух попадает в крупнейшую трубку дыхательной системы — дыхательное горло, или трахею. Эта хрящевая структура располагается перед пищеводом, и ее поддерживает двадцать С-образных трахеальных колец. Она формирует начало нижних дыхательных путей.

Бронхи и бронхиолы

По мере того как воздух опускается еще ниже, он попадает на развилку. Именно здесь трахея разделяется на два хода под названием «бронхи». Первое из многих, такое симметричное разветвление повторится еще около 23 раз. Бронхи и их меньшие ветви — бронхиолы — содержат мерцательные реснички, которые помогают слизи подниматься вверх по горлу, чтобы ее можно было проглотить. Сама слизь выделяется бокаловидными клетками и подслизистыми железами. Бронхиолы — это конечная остановка в зоне проводимости, и вход на следующую станцию — зону дыхания. Транспорт дальше не идет, просьба выйти из вагона!

Дыхательная зона

Воздух спускается еще ниже и достигает самых дальних участков бронхиол — дистального сегмента зоны проводимости. Теперь воздух переходит в дыхательную зону. Здесь молекулы кислорода столкнутся с различными структурами, которые участвуют в газообмене.

Терминальные бронхиолы

Эпителиальная выстилка начинает меняться и постепенно утончается. На замену слизисто-секреторным клеткам приходят клетки, способные вырабатывать очищающие вещества. Такие клетки называются сурфактантами. Их секрет позволяет уменьшать поверхностное натяжение, из-за чего бронхиолы расширяются во время вдоха и не схлопываются во время выдоха.

Респираторные бронхиолы

Двигаясь еще глубже, можно заметить, как терминальные бронхиолы начинают сужаться до 0,5 мм и образуют дыхательные бронхиолы. Это последнее ветвление бронхиол в дыхательной зоне. Бронхиолы соединяются гладкими мышцами и эластичными волокнами. Из стенок бронхиол открываются альвеолярные протоки. Эти протоки прикрепляют к бронхиолам губчатую ткань, чем-то похожую на россыпь микроскопических профитролей. Такую ткань называют альвеолярными мешочками. Каждая из этих профитролей-альвеол заполнена не чем иным, как воздухом, а шоколадную глазурь на ней заменяют капилляры. Именно в этой, самой отдаленной части дыхательных путей и происходит газообмен.

Реснитчатый (мерцательный) эпителий покрывает всю дыхательную зону, вплоть до дыхательных бронхиол.

В месте соприкосновения клеток, выстилающих легочный капилляр, с внутренней оболочкой альвеолы, формируется нечто удивительное — альвеолярно-капиллярный барьер, или дыхательная мембрана. Она служит местом для диффузного газообмена кислорода и углекислого газа. Эти структуры вместе с бронхиальным деревом и сосудистой системой легких (см. «Два круга кровообращения» на стр. 125) — «легочный рисунок» — и образуют наши легкие.

Гладкие мышцы дыхательных путей

Стенки дыхательных путей выстланы эластином и гладкими мышцами, которые то сжимаются, то расширяются. Считается, что эта способность помогает управлять потоком воздуха в легких. При физической нагрузке требуется больше воздуха, поэтому гладкая мускулатура стенок расслабляется, расширяя дыхательные пути. Бронхоконстрикцию (бронхоспазм) и бронходилатацию контролирует вегетативная нервная система. При астме гладкие мышцы утолщаются и воспаляются, приводя к сужению дыхательных путей и вызывая симптомы бронхоспазма: кашель, хрипы и одышку.

Обычно приступ астмы провоцируют аллергены или загрязнители, физические упражнения или холодный воздух. Эти факторы вызывают воспаление, которое приводит к сужению дыхательных путей.

Чудесные легкие

Легкие могли бы довести до истерики любого фанатика чистоты и порядка. Эти органы умеют чудесным образом вместить невместимое в ограниченном пространстве. В нашей грудной клетке лежит порядка 2400 км дыхательных путей и свыше 500 миллионов альвеол. А для максимально эффективного процесса извлечения кислорода из воздуха легкие нарастили площадь своей поверхности в 50–70 кв. м.

Наши легкие состоят из долей, разделенных тонкой тканью — щелью, которая помогает им расширяться.

Одно легкое располагается слева от сердца, а другое — справа. Оба легких защищены грудной полостью, или тораксом, образованным грудной клеткой. Правое легкое значительно крупнее и состоит из трех долей вместо двух. Левое легкое немного меньше, поскольку тесно соседствует с сердцем и формирует небольшой закуток под названием «сердечная вырезка». Функциональной единицей легких служит легочная долька (см. параграф «Площадка для обмена» на стр. 176). Ее образует одна дыхательная бронхиола, которая ветвится до альвеолярных ходов, формирующих альвеолярные мешочки с отдельными альвеолами.

Плевральные листки

Каждое легкое заключено в сложенный вдвое плевральный мешок, или тканевую мембрану. Эти слои образуют два плевральных листка. Первый листок, или висцеральная плевра, выстилает всю поверхность легких, включая щели, разделяющие легочные доли. Вторая, или париетальная, плевра переходит во внутреннюю оболочку грудной полости.

Легочная жидкость

Пространство между плеврами, или плевральная полость, заполнено плевральной жидкостью. Ее выделяют мезотелиальные клетки, которые и формируют эти тканевые мембраны. Легким смазка очень нужна. Плевральная жидкость уменьшает трение, что позволяет внутренним и внешним стенкам скользить друг по другу при сжатии и расширении легких в процессе дыхания. Кроме того, поверхностное натяжение, создаваемое в плевральной полости, прикрепляет легкие к грудной стенке. Без этого натяжения легкие бы попросту сдулись и лопнули, как воздушный шар. И такое действительно случается при пневмотораксе, или коллапсе легкого, когда из-за разрыва легкого воздух начинает проникать в плевральную полость. Пневмоторакс может быть вызван травмой или скрытой патологией легких. В зависимости от тяжести состояния, пневмоторакс можно вылечить амбулаторно либо пройти через аспирацию избыточного воздуха длинной иглой, или грудным катетером, установленным между ребрами.

Особые отношения

У легких с сердцем совершенно особые отношения. Вместо того чтобы посылать в легкие насыщенную кислородом кровь, как к другим тканям, сердце отправляет к легким по малому кругу кровообращения (см. «Два круга кровообращения» на стр. 125) ненасыщенную кислородом кровь. Получается, что по сути наши легкие эффективно участвуют в двух кровотоках: одном — для питания, а втором — для выполнения своих функций. Насыщенная кислородом кровь поступает в легкие с бронхиальным кровотоком, а точнее — по бронхиальным артериям, ответвившимся от аорты.

Площадка для обмена

Главная площадка для газообмена — альвеолы. Чтобы понять, как кислород и углекислый газ проходят через дыхательную поверхность, нужно вспомнить два газовых закона, сформулированных английскими химиками Джоном Дальтоном (1766–1844 гг.) и Уильямом Генри (1774–1836 гг.). Однако, поскольку это не учебник по физике или химии, вам следует помнить лишь одно: газы оказывают давление. Представьте, что вы пытаетесь надуть воздушный шар так, чтобы он лопнул, — вот вам давление!

Внешнее дыхание происходит в альвеоле (справа), которая является частью легочной доли (слева).

Альвеолы состоят из трех типов клеток. Первые два называются пневмоцитами. Тип I образует сплющенные стенки альвеолярных мешков, в которых происходит диффузия газа. Тип II, кубовидный по форме, выделяет в альвеолярное пространство смесь белков и жирных соединений — легочный сурфактант. Он уменьшает поверхностное натяжение, которое создает выдыхаемая влага. Это позволяет альвеолам и легким расширяться без давления.

Третья группа клеток — это альвеолярные макрофаги, которые защищают воздушное пространство от попавших в него патогенов. Недосмотр на этом уровне чреват развитием тяжелых инфекций (например, пневмонии), которые возникают, когда воздушные мешки воспаляются и заполняются жидкостью или гноем. Если вдохнуть другие вещества, кроме воздуха (рвоту, желудочный сок, еду, жидкости и проч.), и они дойдут до легких, то может возникнуть аспирационная пневмония. Как правило, в таком случае эффективное лечение включает облегчение симптомов и прием антибиотиков или противовирусных препаратов.

Переход из высокой области давления в низкую

Каждая молекула газа оказывает свое давление — парциальное давление, связанное с концентрацией газа. Газы, как и жидкости, переходят из областей высокого давления в области низкого. Поэтому углекислый газ на дыхательной поверхности перемещается из области высокого парциального давления (в легочном капилляре) в область низкого парциального давления (альвеолярное пространство). Кислород движется в обратном направлении: из области высокого парциального давления (альвеолярное пространство) в область низкого парциального давления (легочный капилляр). Это происходит до тех пор, пока газы не будут уравновешены. Если по какой-либо причине в альвеолярном пространстве не хватает кислорода, то парциальное давление снижается, а капилляры ловко сужаются, предотвращая потерю кислорода и перенаправляя кровь в другую альвеолу с более высоким парциальным давлением. Когда ненасыщенные кислородом эритроциты проходят через дыхательную поверхность, углекислый газ диффундирует наружу, а кислород проходит внутрь и обогащает кровь.

Дыхание

Помните: когда мы говорим о «дыхании», то подразумеваем газовый обмен, а не выработку энергии, которая характерна для клеточного дыхания (глюкоза + кислород → углекислый газ + вода + энергия).

Внешнее дыхание происходит только в альвеолах. Парциальное давление в этом случае будет такое:

Диффузия O_2 в альвеолярном пространстве → кровь

Диффузия CO_2 в крови → альвеолярное пространство.

Внутреннее дыхание происходит во всех тканях. Парциальное давление в этом случае работает так:

Диффузия O_2 в крови → внеклеточная жидкость → клетки

Диффузия CO_2 в клетках → внеклеточная жидкость → кровь.

Вдох-выдох

В среднем человек делает более 17 000 вдохов в день. Иногда к ним добавляется еще 6000. Несмотря на это, вы, должно быть, удивитесь, узнав, что многие люди не знают, как правильно дышать. Большинство из нас использует лишь небольшую часть объема легких для дыхания. Считается, что это приводит к множеству проблем со здоровьем, включая высокое кровяное давление, стресс и тревожность.

Дыхательный акт, или вентиляция легких, состоит из вдоха и выхода. В момент вдоха мышечно-фиброзный купол, отделяющий грудь от живота (диафрагма), сокращается и уплощается. В это же время межреберные мышцы, пролегающие между ребрами, сокращаются и расправляются, из-за чего грудная клетка расширяется и приподнимается. Объем легких увеличивается, давление в них падает ниже атмосферного, а воздух начинается затягиваться внутрь. При выдохе мышцы расслабляются, а легкие и грудная клетка возвращаются в исходное состояние. В результате давление в легких повышается и воздух вытесняется наружу.

Диафрагма

В диафрагме есть белая фиброзная часть, отверстия для крупных кровеносных сосудов и пищевода, а также периферические поперечно-полосатые мышцы для прикрепления к соседним структурам. Диафрагма получает команду для сокращения или расслабления по диафрагмальным нервам (слева и справа), которые находятся в шее. Повреждение этих нервов может привести к параличу диафрагмы — если затронуты обе стороны.

Если вы с трудом выполняете физические упражнения и быстро начинаете задыхаться, возможно, у вас есть проблемы с диафрагмой (или иннервирующими ее нервами).

Односторонний паралич часто протекает бессимптомно, и его обнаруживают случайно на рентгеновских снимках. Двусторонний паралич проявляется в виде плохой переносимости физических упражнений, одышки и усталости.

Процесс дыхания требует слаженной работы различных структур, поддерживающих жизнь.

Частота дыхания

Частота дыхания служит признаком физической формы человека. Она зависит скорее от уровня углекислого газа в крови, чем от содержания в ней кислорода. Наш мозг, а точнее его отдельные области (продолговатый мозг и Варолиев мост в стволе головного мозга), содержат хеморецепторы, которые следят за изменением pH крови. Кислотность возникает при повышенном уровне ионов водорода из-за наличия углекислого газа. Продолговатый мозг регулирует непроизвольное дыхание, посылая сигналы нужным мышцам, а Варолиев мост контролирует частоту дыхания. Повреждение этих структур часто приводит к смерти.

Транспорт крови

Воздух, которым мы дышим, содержит только 21 % кислорода. Все остальное — это азот, аргон, углекислый газ, водород и неон. Несмотря на это, дыхательная система забирает из воздуха только кислород. Эта способность появилась у нее из-за сродства гемоглобина к кислороду.

Транспорт кислорода

Сама плазма переносит сравнительно малое количество кислорода. А перед тем как попасть в эритроциты (см. параграф «Эритроциты: трудная жизнь переносчика кислорода» на стр. 131–134), молекулы кислорода должны раствориться в плазме. Большая часть кислорода перемещается в форме оксигемоглобина в эритроцитах. Кислород «загружают» в легких. Это происходит при связывании молекул кислорода с гемоглобином. «Разгрузка кислорода» проводится в метаболизированных тканях и сводится к тому, что кислород диссоциирует из гемоглобина (в результате чего появляется дезоксигемоглобин) и диффундирует в плазму по направлению к клеткам. Отгрузке кислорода способствуют различные факторы: повышенная температура, концентрация углекислого газа и кислотность.

Транспорт углекислого газа

Есть три способа переноса углекислого газа, или диоксида углерода, в крови. Большая его часть транспортируется в форме бикарбоната: диоксид углерода, диффундирующий из тканей, попадает в эритроцит, где под действием фермента карбоангидразы он превращается в бикарбонат, который может диффундировать в плазму. Это помогает контролировать кислотность крови. Как только бикарбонат попадает в легкие, он вновь связывается с эритроцитом и восстанавливается, а затем уже диффундирует в виде молекулы свободного диоксида углерода.

Это модель молекулярной структуры оксигемоглобина — основного способа передвижения молекул кислорода в крови.

Чуть меньшее количество углекислого газа связывается напрямую с гемоглобином и образует карбаминогемоглобин. Вероятность такого объединения зависит от насыщенности гемоглобина кислородом. И совсем крохотный объем углекислого газа растворяется в плазме.

3d-печать легких

«Однолегочная вентиляция», или «изоляция легких», — так в торакальной анестезии обозначают избирательную вентиляцию одного из легких пациента при операции с коллапсом другого легкого. Такую процедуру часто проводят с использованием эндобронхиальной трубки, которую вставляют в трахею и опускают в один из бронхов. Однако анестезиологам с небольшим профессиональным опытом во время операции довольно трудно провести изоляцию легких. Особенно если у пациента сложные дыхательные пути. Современные способы отработки этого метода включают манекены и симуляторы виртуальной реальности. А группа американских врачей из Кливленда, штат Огайо, во главе с доктором Серхио Бустаманте провела исследование по использованию технологии 3D-печати. Вооружившись компьютерной томограммой классических дыхательных путей и тех, которые создавали трудности при изоляции легких, врачи воссоздали 3D-модели каждого из таких случаев, которые затем использовались для обучения.

Технологию 3D-печати можно использовать, чтобы подготовиться к операции пациентов с уникальной анатомией дыхательных путей.

Шалости дыхания

Дыхательные рефлексы помогают защитить дыхательные пути от потенциально вредных раздражителей. Кроме того, они регулируют процесс дыхания при определенных обстоятельствах. Эмоциональные центры в мозге запускают различные действия (смех или плач), в которых участвуют дыхательные пути. Но мы до сих пор не знаем, почему и как человек зевает и икает.

Глава 8. Транзитный узел

Нервная система

Если бы у систем органов был лидер, им бы была нервная система. Она предоставляет ресурсы, с которыми физиологические системы сверяются перед тем, как начать действовать. Нервная система контролирует все, что мы делаем, управляет основными функциями в организме и помогает нам двигаться. Эта система позволяет думать, понимать, запоминать и учиться, а также различать то, что приятно — и что причиняет боль.

Нервная система человека — самая развитая во всем животном мире. Она защищена прочными костными доспехами, и ее омывают собственные тканевая и спинномозговая жидкости.

Нервная система состоит из головного и спинного мозга, а также отходящих от них нервов.

Нервная система является самой сложной из всех систем в организме и разделяется на два отдела: центральную нервную систему (ЦНС), к которой относятся головной и спинной мозг, и периферическую нервную систему (ПНС). ПНС состоит из нервов, которые отходят от ЦНС и распространяют нервный импульс во все части тела. В ПНС есть несколько подотделов. Первый подотдел — соматический — иннервирует структуры, которые вы можете осознанно контролировать, а второй — вегетативный — управляет органами без нашего осознанного вмешательства. Вегетативная нервная система руководит жизненно важными структурами.

На клеточном уровне главным посыльным во всей нервной сети является нейрон, или нервно-клеточное волокно. Он озаряет искрами всю нашу систему и возбуждает все, к чему прикасается, на каждом шагу создавая электрические импульсы. Нейроны докладывают мозгу о происходящем и стимулируют действия.

Очень персональный компьютер

Представьте себе нервную систему как компьютер без кнопки выключения. ЦНС в нем будет материнской платой, которая выполняет и контролирует все наши действия. Она осуществляет связь между различными разъемами, или периферией, и является настоящей адаптивной интегральной схемой. ЦНС принимает сообщения, полученные от сенсорного оборудования нашего тела, и анализирует их, а затем передает нужную команду. В ЦНС есть свой жесткий диск, а информация хранится в памяти системы. ПНС в данном случае будет проводами и кабелями. Нервы ПНС — это исходные данные в материнской памяти, исполнители команд или поставщики выходных действий.

Нейроглия

Соединительной тканью нервной системы служит нейроглия, или глия, или глиальные клетки. Нейроглия не посылает нервные импульсы, зато поддерживает и защищает клетки, которые это умеют. Нейроглия в разы превышает популяцию нейронов и составляет половину веса нашего мозга. Чаще всего именно она вызывает опухоли головного мозга. А нейроны не способны к делению и, следовательно, крайне редко образуют опухоли. Нейроглия бывает трех разных типов: макроглия, микроглия и эпендима.

Макроглия

В ЦНС содержится два основных типа макроглии: астроциты и олигодендроциты. Астроциты похожи на звезды; они протягивают свои стопообразные отростки в капилляры и участвуют в формировании гематоэнцефалического барьера. Эти клетки выполняют и другие полезные функции, что лишь подчеркивает их необычайную важность. Они восстанавливают поврежденные нейроны и подкармливают «голодающих» нейронов, превращая глюкозу в нечто более съедобное. Либо фиксируют нейроны так, чтобы они могли получать питательные вещества из крови. Астроциты сохраняют положение нейронов в секретируемой ими матрице и следят за тем, чтобы внеклеточная среда по содержанию ионов идеально подходила для поддержания нейронных связей.

Олигодендроциты ускоряют процесс нейронной коммуникации в ЦНС, оборачивая аксоны нейронов в белое жировое вещество — миелин. Миелин создает электроизоляционную оболочку, которая увеличивает скорость передачи электрохимического импульса. На самом деле миелин является продолжением клеточной мембраны олигодендроцитов, плотно обмотанной вокруг волокон. Один олигодендроцит может дотянуться своими отростками до 50 разных аксонов. Кстати говоря, головной и спинной мозг получили свое белое вещество именно за счет миелинизации.

Макроглия в ПНС представлена клетками-сателлитами, или сателлитными клетками. По своему функционалу они схожи с астроцитами в ЦНС и также помогают регулировать внеклеточную среду. За миелинизацию в ПНС отвечают шванновские клетки, которые оборачивают свое клеточное тело вокруг аксонов. Нервное волокно длиной в 1 м может быть обернуто несколькими тысячами шванновских клеток.

Микроглия

Эти маленькие клетки непостоянной формы являются местными макрофагами ЦНС. Они поглощают патогены и нейроны, поврежденные в результате инсульта или травмы. Микроглию можно назвать хранительницей ЦНС, восстанавливающей баланс, когда что-то идет не так. В ПНС эта роль отведена клеткам-сателлитам, которые выделяют особые вещества, привлекающие макрофагов.

Эпендима

Эпендимные клетки выстилают спинной мозг и желудочки головного мозга. Они образуют сосудистое сплетение, которое вырабатывает спинномозговую жидкость (СМЖ). Мерцательные реснички эпендимных клеток переносят СМЖ в ЦНС.

Нейроны

В нашем теле около 100 миллиардов нейронов, которые принимают сигналы и передают их дальше, в другие нейроны, мышцы или железы. Нейроны бывают разных форм и размеров — от одной миллионной части сантиметра у вставочных нейронов до 1 м у чувствительных нейронов, которые проходят от пальцев ног до окончания спинного мозга.

Виды нейронов

Чувствительные, или афферентные, нейроны передают информацию от рецепторов органов чувств к ЦНС. Вставочные нейроны выполняют роль посредников, либо передавая сообщения в соседние клетки для анализа и обработки информации, либо перенаправляя их в другие нейроны нейронной цепи. Двигательные, или эфферентные, нейроны передают сигналы от ЦНС к тканям для выполнения произвольных или непроизвольных команд.

Передача импульсов

Передача нервного импульса начинается с возбуждения нейронного дендрита. Сначала генерируется электрический сигнал, или потенциал действия (ПД), затем он передается в тело клетки, а после переходит в аксон. Далее электрохимический сигнал проходит по всей длине аксона нервного волокна. Если аксон содержит миелиновую оболочку, то ПД передается еще быстрее. Это обусловлено особой проводимостью, позволяющей импульсу перепрыгивать через немиелиновые участки, или перехваты Ранвье, разгоняясь до скорости в 120 м в секунду. Перехваты Ранвье следят за тем, чтобы ПД не рассеивался при попадании в нервное окончание, в синапсе которого импульс преобразуется в химический сигнал. Затем различные типы нейромедиаторов передают сообщение через синаптическую щель между двумя нейронами.

Нервный импульс передается от дендритов к телу клетки, а затем идет по аксону и достигает нервных окончаний. Там он переходит в другой нейрон или орган синаптическим путем.

Нейрон может повторять этот процесс до 1000 раз в секунду. Умножьте это на примерное количество синаптических связей, которые один нейрон может образовать с другими (2000–11 000), и вы поймете, почему нейроны являются самыми энергоемкими составляющими мозга. Мозг ребенка постоянно растет и образует новые синаптические связи, поэтому он требует не менее 40 % от суточного количества калорий. Для того чтобы снизить энергетические затраты и сэкономить ресурсы, клетки микроглии отсекают все лишние синапсы. Этот процесс называется синаптическим прунингом.

Защита мозга

Мозг — это самый защищенный орган в нашем теле. Чтобы попасть внутрь головы, необходимо преодолеть несколько преград: сначала кожу, а затем — череп. Но и здесь вас ждет еще один защитный слой — мозговая оболочка.

Мозговые оболочки

Мозговые оболочки состоят из тройного слоя защитных фиброзных мембран: твердой, мягкой (сосудистой) и паутинной (арахноидальной) оболочек. От мягкой оболочки паутинную отделяет субарахноидальное пространство. Эти же оболочки покрывают и спинной мозг. Он, как и головной мозг, развился из общей нервной трубки, которая произошла из эктодермального эмбрионального слоя.

Спинномозговая жидкость

Спинномозговая жидкость (СМЖ) — это специальный тип жидкости, в норме прозрачная и водянистая по консистенции. Мы производим около 500 мл спинномозговой жидкости ежедневно. Какую-то часть секретируют клетки мягкой оболочки, но большую часть поставляет сеть капилляров и специализированных эпендимных клеток из сосудистых сплетений, выстилающих желудочки. Желудочки — это полости в мозге. Субарахноидальное пространство заполнено СМЖ.

Мозговая оболочка состоит из твердой (надкостный и менингеальный слои), паутинной и мягкой оболочек.

СМЖ не только защищает мозг от травм, но и поставляет питательные вещества в кору головного мозга и глубокие структуры. ЦНС физически отделена от крови гематоэнцефалическим барьером, поскольку нейронам важен постоянный уровень глюкозы, а в крови ее содержание колеблется. СМЖ следит, чтобы количество компонентов во внеклеточной среде было оптимальным для поддержания мозга.

СМЖ течет вокруг головного и спинного мозга.

СМЖ протекает по мозговым желудочкам. У нас есть целых четыре желудочка: левый и правый боковые желудочки (в них содержится больше всего СМЖ) и третий желудочек, который сообщается с четвертым через проток, или Сильвиев водопровод. СМЖ в определенной последовательности протекает по мозговым оболочкам и спинному мозгу, а затем абсорбируется в кровь через арахноидальные грануляции (особые выросты на арахноидальной мембране):

боковые желудочки → третий желудочек → Сильвиев водопровод → четвертый желудочек → субарахноидальные пространства и полости головного или спинного мозга → верхушка мозга → реабсорбция арахноидальными грануляциями.

Гематоэнцефалический барьер

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) разворачивает целую сеть модифицированных капилляров с высокоизбирательной полупроницаемой эндотелиальной мембраной. Их дополняет плотное межклеточное соединение, поэтому пройти через СМЖ удается лишь немногим молекулам. Стоповидные отростки астроцитов обвивают эти капилляры, образуя второй защитный слой. Мозг доставляет свои любимые молекулы (воду, глюкозу и аминокислоты) с транспортными белками и поддерживает запасы. Сосудистое сплетение и арахноидальный эпителий формируют два дополнительных защитных барьера. ГЭБ не пропускает в мозг крупные влаголюбивые (гидрофильные) молекулы, что защищает его от бактерий и различных лекарств. Именно поэтому инфекции головного мозга, передаваемые через кровь, — это большая редкость. Тем не менее некоторые патогенные микроорганизмы все-таки проходят через ГЭБ, повреждая его соединения. Оказавшись внутри, такие патогены с трудом поддаются лечению, ведь большинство антибиотиков слишком велико, чтобы пройти через барьер. К другим веществам, способным пройти через ГЭБ, относятся жиролюбивые (липофильные) лекарства, алкоголь, кофеин и кокаин.

Конечный мозг

Мозг состоит из трех основных частей: большого, или конечного, мозга, ствола головного мозга и мозжечка. Конечный мозг является самой крупной мозговой структурой, именно он делает вас человеком, а не игуаной, и именно здесь принимаются все решения. Это место, где протекают высшие психические процессы: сознание, мышление и память.

Кора головного мозга

На поверхности головного мозга есть морщинистая структура. Эти складки, или извилины, формируют его кору. Данный слой серого вещества толщиной в 3 мм указывает на наше высокоразвитое положение в эволюционном древе. Серое вещество состоит из тел клеток, синапсов и капилляров. Считается, что в начале нашего эволюционного развития мозг был очень гладким. Но по мере того, как мы становились умнее, мозгу требовалось больше места. Поэтому он был вынужден сложиться в несколько слоев, чтобы уместиться в черепной коробке. Это явление называют гирификацией.

Разные части конечного мозга отвечают за выполнение определенных функций.

Доли и полушария

Извилины мозга разделены небольшими поверхностными канавками — мозговыми бороздами. Некоторые извилины достаточно крупны и залегают глубоко в мозге, образуя щели. Самая крупная щель — межполушарная щель, которая разделяет конечный мозг на две половины: правое и левое полушария. Затем каждая из этих половинок разделяется еще на четыре доли. Эти доли, у каждой из которых есть по отражению в полушариях, называются лобными, теменными, затылочными и височными.

Лево-право

Каждое полушарие содержит свою половину коры и подкорки. Оба полушария соединены пучком нервов — мозолистым телом (см. одноименный параграф на стр. 206), которое помогает им работать сообща. Если говорить о двигательной функции, то левое полушарие управляет правой стороной тела, а правое полушарие следит за движениями левой. Но с точки зрения когнитивной функции ситуация несколько усложняется. Левое полушарие отвечает за логику и аналитические способности. Оно связано с прагматизмом, математическим складом ума, рассудительностью и лингвистическими способностями. Правое полушарие управляет творчеством и эмоциональными переживаниями. Оно отвечает за распознавание лиц, интуицию, способности к музыке и искусству. И хотя при выполнении определенных действий достаточно задействовать какое-то одно полушарие, для восприятия и обработки конкретных мыслей требуется весь мозг.

Подкорковые структуры

Под корой залегает белое вещество конечного мозга. Оно состоит в основном из поддерживающих тканей: глиальных клеток и аксонов нейронов, которые передают импульс по нейронным путям, соединяющим различные участки коры. Белое вещество названо так из-за миелиновых волокон. Центральные участки конечного мозга занимают базальные ядра (ганглии), таламус, гипоталамус и гиппокамп.

Передний, средний и задний мозг

В поперечном разрезе мозг разделяется на три эмбриональных участка: передний, средний и задний мозг. Каждый из них выполняет собственную функцию. В процессе нашего эмбрионального роста эти мозговые области развивались как наросты на нервной трубке. Снизу расположен задний мозг. Он состоит из ствола мозга и мозжечка.

Самой старшей из этих структур с точки зрения эволюции является задний мозг. Он выполняет важнейшую функцию — поддерживает в нас жизнь. Задний мозг управляет всеми ключевыми процессами: частотой сердечных сокращений, дыханием, кровяным давлением, глотанием, поддержанием температуры и равновесия. В структурном плане наш задний мозг мало отличается от мозга рептилий. Его даже прозвали рептильным мозгом.

Ствол головного мозга

Ствол головного мозга выполняет все основные процессы, поэтому является настоящим ядром нашего мозга. Он не только связывает головной мозг со спинным, но и служит крупнейшим нервным узлом, по которому проходят все восходящие и нисходящие нервные сигналы. Здесь же пересекаются и нервы, соединяющие правое и левое полушария головного мозга.

На сагиттальном срезе показаны три основные области.

Мозг играет важную роль в поддержании сознания и самосознания. С помощью центров, управляющих сердечно-сосудистой и дыхательной системами, он также контролирует бессознательные функции, поэтому повреждение ствола головного мозга смертельно. К структурам, в которых находятся эти центры, относятся Варолиев мост, продолговатый мозг и ретикулярная формация (или ретикулярная активирующая система, которая проходит через весь ствол мозга).

Ствол мозга и мозжечок образуют задний мозг и поддерживают в нас жизнь.

Мозжечок

В основании мозга расположена структура, похожая на скорлупу грецкого ореха. Ее называют мозжечком. Из-за схожести названий (cerebellum) его часто путают с конечным мозгом (cerebrum). Мозжечок, что в переводе с латыни означает «маленький мозг», является самой крупной структурой заднего мозга. Он управляет произвольными движениями мышц. Также мозжечок помогает поддерживать осанку и равновесие — за счет обработки нервных импульсов от сенсорных систем (например, внутреннего уха) и согласования с ними положения наших мышц. В отличие от остальных мозговых структур, левая половина мозжечка управляет левой половиной нашего тела. Это возможно благодаря парной работе с правым полушарием головного мозга.

Злоупотребление алкоголем или деформация от опухоли или инсульта могут повредить мозжечок. Кроме того, на работу мозжечка влияют такие заболевания, как церебральный паралич и рассеянный склероз. Сопутствующие симптомы повреждения включают неустойчивую походку, рассогласованность движений мышц, невнятную речь и проблемы с выполнением точных движений.

Средний мозг

Средний мозг — это небольшая область в верхней части ствола мозга. Он играет важную роль в соединении заднего и переднего мозга. Средний мозг помогает обрабатывать входящие визуальные и звуковые сигналы, координирует движения и управляет болью. К важным структурам среднего мозга относятся крыша, покрышка и ножки мозга. В них содержится скопление пигментированных нейронов (их называют ядрами ЦНС), которые вырабатывают нейромедиатор дофамин. Эта темная область, или черное вещество, активно участвует в «системе поощрения» и движении.

Болезнь Паркинсона связана с сокращением количества дофаминергических нейронов в черном веществе.

Гибель дофаминергических нейронов приводит к различным заболеваниям и симптомам, например паркинсонизму и болезни Паркинсона. Считается, что повышенное выделение дофамина связано с развитием шизофрении. Было замечено, что пациенты лучше реагируют на лекарства, блокирующие дофаминовые рецепторы. В то же время люди, употребляющие амфетамины, которые также повышают уровень дофамина, проявляют те же симптомы, что и больные шизофренией. Однако есть и другие теории, оспаривающие это.

Передний мозг

Передний мозг — это все, что образовано конечным мозгом, за исключением среднего мозга. Иначе говоря, к переднему мозгу относятся кора головного мозга и подкорковые структуры: таламус, гипоталамус, базальные ганглии и лимбическая система.

На рентгеновском снимке изображен сагиттальный участок мозга с четко видимыми структурами. У этого пациента кора головного мозга выглядит истонченной и усохшей, что является классическим признаком деменции.

Кора головного мозга обрабатывает информацию, которая поступает от пяти органов чувств. Однако это не просто пассивный приемник; кора способна посылать команды в другие части нервной системы. Сенсорная и моторная (двигательная) зоны коры контролируют определенные участки тела, а четыре доли разделяют кору на функциональные части. Сенсорные области интерпретируют информацию, которую получают от органов чувств, а моторные зоны «говорят» скелетным мышцам, когда и как двигаться. Промежуточным звеном между сенсорной и моторной зонами являются ассоциативные области. Они анализируют полученную информацию и корректируют ее, прежде чем отправить дальше, в моторные области.

Функции долей мозга

Никто не знает автора этих строк, но часто говорят: «Если бы человеческий мозг был так прост, что мы могли бы его понять, то мы были бы так просты, что не смогли бы его понять». За эти годы мы достигли значительного прогресса в понимании организации и функций мозга и его долей. Но наука не стоит на месте, поэтому нам еще многое предстоит узнать. Пока что ясно лишь одно: мы живем, пока жив мозг; без него нас бы не было.

Этот вид сбоку показывает основные функциональные зоны коры головного мозга. Основные функции каждой зоны приведены в таблице выше.

Ты на меня смотришь?

На изображении справа показано, как мозг «видит» вашу внешность. Этот образ не станет лучше, какой бы объектив не выбрал мозг: сенсорный или моторный. У вас так и останутся огромные руки, большие рот, язык и губы и маленькие туловище, ноги и голова.

Эта диаграмма кортикального гомункула показывает, какими частями тела управляют определенные области мозга.

«Гомункулус» на латыни означает «маленький человек».

Человека-гомункулуса придумали американские нейрохирурги Уайлдер Пенфилд и Эдвин Болдри. Их работы, опубликованные в 1937 году, были посвящены пациентам с эпилепсией. Полученные данные позволили ученым составить карту различных областей мозга. Проекция-гомункулус показывает, как выглядел бы человек, если бы пропорции тела зависели от объема корковой области, выделенной мозгом. Такое искаженное изображение получается, потому что мозг разделяет соматосенсорную и моторную кору на области по степени иннервации органов, а не объему кожи или анатомической площади. Области тела с большим количеством чувствительных нейронов занимают крупные области коры, и, следовательно, такие области более чувствительны.

Кровоснабжение мозга

Наш мозг питают парная внутренняя сонная артерия и позвоночные артерии. Внутренние сонные артерии снабжают кровью переднюю часть мозга, а позвоночные артерии — заднюю. Позвоночная (теперь ее называют базилярной) и внутренняя сонные артерии после своего ветвления сходятся в нижней части головного мозга, образуя Виллизиев круг — кольцо из кровеносных сосудов, соединенных анастомозами. Виллизиев круг обеспечивает мозг кровью даже при сужении или закупорке одного из сосудов. В этом участке развивается большая часть аневризм. Если одна из таких аневризм лопнет, последует кровоизлияние в мозг.

Артериальное кровоснабжение мозга.

Кортикальный гомункулус — это неврологическая карта, показывающая корковые области мозга, которые получают или отправляют информацию в различные части тела или из них. Кортикальный гомункулус изображает голову и связанные с ней структуры в нижней части извилины, а ноги и ступни занимают верхнюю ее часть. Самому мозгу выделенной области не осталось: дело в том, что он не двигается и ничего не чувствует. Иначе его 100 миллиардов нейронов возглавили бы этот список!

Мозолистое тело

Мозолистое тело — это С-образная структура в середине мозга. Оно содержит до 300 миллионов взаимосвязанных нервных волокон, которые обеспечивают связь левого полушария с правым. Похоже, эволюция наградила мозолистым телом только организмы, которые внутриутробно получают питательные вещества через плаценту.

Один из методов изучения роли глубинных структур мозга заключается в том, чтобы посмотреть, как человек функционирует без них либо с поврежденными структурами в результате травмы или болезни. Мы знаем, что происходит, когда после операции по разделению полушарий у пациентов с тяжелой эпилепсией мозолистое тело перестает функционировать. При таких операциях мозолистое тело вырезают, чтобы контролировать электрическую активность в мозгу пациента. Одно из последствий этой паллиативной процедуры таково, что у человека как будто появляется два управляющих центра, каждый из которых не знает о существовании другого. Это приводит к тому, что одна половина тела начинает действовать независимо от другой. Агенезия мозолистого тела (АМТ) — это редкое заболевание, при котором люди рождаются без мозолистого тела либо с отсутствующими или ненормальными его участками. У таких людей есть разные неврологические симптомы, так что некоторые пациенты могут даже не знать о своем диагнозе, пока не сделают случайного сканирования мозга. До выявления диагноза такие люди могут жить как высокофункциональные личности. С той лишь разницей, что окружающие считают их немного ленивыми и социально неприспособленными.

Мозолистое тело похоже на купол. Оно выполняет роль связующего звена между полушариями головного мозга.

В XX веке некоторое время преобладало мнение, что женский мозг содержит более толстые пучки волокон, которые обеспечивают ему качественную коммуникацию между полушариями. Так и зародилась вера в развитую женскую интуицию. Дальнейшие исследования опровергли эту теорию. Но технологии нейровизуализации показали, что определенные области мозолистого тела у женщин все-таки крупнее, чем у мужчин.

Новые нейроны

По оценкам ученых, каждый день взрослый человек теряет около 100 000 нейронов. В основном это следствие старения. Раньше считалось, что взрослый человек не способен синтезировать новые нейроны. Однако исследование доктора Мауры Болдрини, нейробиолога из Колумбийского университета, показало, что вне зависимости от возраста наш мозг способен создавать новые клетки за счет особого процесса — нейрогенеза. А поскольку нервные клетки не способны к делению, это говорит о том, что в мозге присутствуют стволовые клетки. Нейрогенез, предположительно, происходит в гиппокампе (см. «Лимбическая система» на стр. 210–212).

Нейрогенез в мозге взрослого человека вызывает множество споров в научном мире.

Подкорковые структуры

В подкорковой области, то есть под корой головного мозга, расположены структуры причудливой формы: промежуточный мозг, лимбическая система и базальные ганглии. Эти участки настолько тесно переплетены между собой, что разобраться в их точном назначении довольно трудно. Каждая из структур участвует в огромном количестве процессов, что еще больше осложняет их изучение. Подкорковые структуры полагаются на информацию из различных участков мозга, поэтому нельзя сказать, что они выполняют лишь одну функцию в ответ на конкретный раздражитель.

Промежуточный мозг

Промежуточный мозг — это небольшая часть переднего мозга, которую можно обнаружить, только разрезав мозг напополам. Его название указывает на положение — «между мозгом», а сам он формирует стенку третьего желудочка. Промежуточный мозг выполняет множество функций, продиктованных мозговыми ядрами (кластерами клеточных тел нейронов) и структурами: таламусом, гипоталамусом, эпиталамусом и субталамусом.

Промежуточный мозг можно увидеть на сагиттальном срезе.

Таламус. На вершине среднего мозга расположено два зрительных бугра овальной формы. Таламус передает из подкорковых областей в кору сенсорную и моторную информацию для дальнейшей обработки. По сути таламус действует как телефонный коммутатор или распределительный щиток. Сначала он передает сигналы в отдельные ядра. Эти ядра нужны таламусу для более качественной обработки информации. Затем импульсы поступают в кору. Сенсорная информация из обонятельной системы проходит через таламус и направляется туда же. Таламус также участвует в процессах сна и бодрствования, поскольку обрабатывает информацию из коры головного мозга. Таламус связан не только с корой головного мозга, но и с гиппокампом (см. стр. 210), а также базальными ганглиями (см. «Базальные ганглии» на стр. 212–213). Повреждение или дисфункция таламуса приводит к двигательным нарушениям или коме.

«Центры поощрения» расположены в основном в рефлекторных дугах коры, базальных ганглиях, таламусе и эпиталамусе.

Гипоталамус. Эта группа специализированных нервных центров занимает миндалевидную область под таламусом. Гипоталамус контролирует выброс гормонов из гипофиза (эндокринная функция) и регулирует жизненно важные функции для поддержания гомеостаза (кровяное давление, сон, температуру, голод и жажду). Гипоталамус связан с гипофизом, лимбической системой (см. «Лимбическая система» на стр. 210–212) и вегетативной нервной системой. Повреждение гипоталамуса вызывает нарушения сна, роста, пищевого поведения, а также приводит к ожирению и развитию диабета.

Эпиталамус. Расположен позади таламуса. Состоит из эпифиза (шишковидной железы, или шишковидного тела) и поводка эпиталамуса (хабенулярного ядра). Эпиталамус соединяет лимбическую систему с другими участками мозга, включая базальные ганглии. Шишковидная железа выделяет гормон мелатонин, который регулирует наши биологические часы (см. параграф «Кое-что о сне» на стр. 237–238). Считается, что поводок эпиталамуса участвует в «системе поощрения» и причастен к развитию депрессии.

Субталамус. Частично расположен в среднем мозге и содержит субталамическое ядро. Субталамус соединяется с базальными ганглиями и корой головного мозга, благодаря чему может управлять движениями скелетных мышц. Повреждение субталамуса может привести к различным двигательным нарушениями, включая периодические непроизвольные движения конечностей.

Лимбическая система

Лимбическая система играет важную роль в запоминании и изучении, управлении поведением и обработке эмоциональных реакций (включая реакцию «бей или беги»). Она связана с обонятельной системой. Это объясняет, почему определенные запахи способны навевать воспоминания или вызывать какие-то эмоции. Лимбическая система состоит из следующих структур.

Миндалевидное тело. Эта миндалевидная луковица в конце гиппокампа участвует в эмоциональных реакциях, включая страх, беспокойство, удовольствие и гнев. Также она связывает эмоции с воспоминаниями и делает их более реалистичными. Повреждение или дисфункция миндалевидного тела делает человека менее пугливым, что приводит к повышению риска. Другие расстройства, связанные с повреждениями миндалевидного тела: деменция, эпилепсия, тревожность и депрессия.

Отдельные запахи способны навевать воспоминания благодаря особым связям между гиппокампом и обонятельной корой.

Гиппокамп. Присутствует с каждой стороны мозга. Гиппокамп является главным центром памяти и участвует в обучении. Повреждение гиппокампа связано с амнезией, неспособностью сохранять воспоминания в долговременной памяти или склонностью забывать только что узнанное. Кроме того, считается, что гиппокамп служит платформой для нейрогенеза (см. «Новые нейроны» стр. 207).

Поясная извилина, или кора. Расположена над мозолистым телом. Образует множество связей по всему мозгу, что помогает нам менять поведение и эмоции. Деформации поясной извилины связаны с психическими расстройствами, включая шизофрению, синдром дефицита внимания и отсутствие эмоционального контроля.

Парагиппокампальная извилина, или кора. Окружает гиппокамп. Отвечает за пространственную ориентацию, узнавание мест (локаций), распознавание объектов в контексте и изменение эмоций.

Лимбическая система (и базальные ганглии) в основном отвечает за образование странно выглядящих структур в глубине мозга.

Сосцевидное тело. Эти крошечные парные сферические тельца расположены по краям свода (по одному на каждой стороне мозга). Они действуют как ретрансляторы, рассылающие сигналы между таламусом и сводом. Дисфункция сосцевидного тела вызывает проблемы с памятью.

Свод. Эти нервные волокна чем-то напоминают бараньи рога. Свод связан с мозолистым телом тонкой прослойкой ткани — прозрачной перегородкой. Свод передает сигналы от гиппокампа к сосцевидному телу. Повреждение или потеря свода приводит к проблемам с памятью.

Базальные ганглии

Базальные ганглии — это вовсе не те ганглии, под которыми мы привыкли понимать скопления нейронов в периферической нервной системе. Базальные ганглии — это скопления ядерных структур, отвечающих за формирование плавных и согласованных движений. Эти ядра получают от коры определенные схемы, нужные для начала отдельных движений, обрабатывают их и через таламус отправляют в кору информацию о том, что может помешать запланированному движению.

Черное вещество. Черное вещество из среднего мозга есть и в базальных ганглиях. В нем содержатся темноокрашенные нейроны, выделяющие дофамин (см. «Средний мозг» на стр. 199–200). Это ядро стимулирует движение, а также участвует в процессе обучения и привыкания. Дисфункция черного вещества вызывает паркинсонизм — синдром, характеризующийся нарушением речи, движений и осанки. Начинать движение бывает так же трудно, как завершать или прерывать его.

Для езды на моноцикле требуются идеально развитые вестибулярная система и базальные ганглии.

Хвостатое ядро. Это С-образная часть базальных ганглиев, которая вместе со скорлупой образует полосатое тело. Хвостатое ядро получает информацию от коры головного мозга, редактирует ее и отправляет обратно в кору через таламус. Считается, что хвостатое ядро связано с поведенческими расстройствами.

Скорлупа. Образует полосатое тело (вместе с хвостатым телом) и чечевицеобразное ядро (вместе с бледным шаром). Регулирует произвольные движения и играет роль в поведении с обучением. Скорлупу связывают с несколькими поведенческими и психическими расстройствами, включая болезнь Паркинсона.

Бледный шар. Эта бледная сферическая область в базальных ганглиях помогает управлять произвольными движениями, подавляя те из них, которые мешают правильному. Бледный шар служит альтернативной мишенью в процессе глубокой стимуляции мозга при лечении пациентов с болезнью Паркинсона.

Фронтальный срез головного мозга показывает основные структуры, входящие в состав базальных ганглиев.

Базальные ганглии можно обнаружить на сагиттальном и фронтальном срезах.

Субталамическое ядро. Составляет основную часть субталамуса. Субталамическое ядро получает информацию от хвостатого ядра и скорлупы (полосатого тела) и помогает снижать выработку дофамина. Возможно, оно вовлечено в когнитивную деятельность. Это основная мишень при глубокой стимуляции мозга, когда лечат пациентов, страдающих болезнью Паркинсона.

Спинной мозг

Спинной мозг отходит от головного мозга и содержит около 1 миллиарда нейронов. В зависимости от роста и пола человека протяженность спинного мозга может составлять 40–45 см. Спинной мозг выступает в роли двусторонней системы связи между периферической нервной системой (ПНС) и головным мозгом. На поперечном срезе этот участок серого и белого вещества цилиндрической формы чем-то напоминает бабочку на белом фоне. Спинной мозг прочно защищен костями и проходит внутри позвонков от ствола головного мозга до поясницы.

Серое вещество

Эта серая бабочка в центре мозга на самом деле не что иное, как скопление клеточных тел нейронов. Заднее крыло, или передний рог, состоит из тел двигательных нейронов, а переднее крыло, или задний рог, образовано телами чувствительных и вставочных нейронов. В реальной жизни спинной мозг скорее розовый, чем серый. В спинном мозге есть спинномозговой канал, заполненный СМЖ.

Передние и задние рога серого вещества спинного мозга окружены белым веществом.

Белое вещество

Белое вещество состоит из пучков миелиновых нервных волокон, которые образуют нервные пути, проходящие вверх и вниз по позвоночнику и соединяющие мозг в обоих направлениях. Восходящие нервные пути направляют сенсорные импульсы в мозг, а нисходящие отправляют двигательные команды в ПНС.

Центральный распределитель нервных сигналов

Эти волокна нейронов по всей длине спинного мозга объединяются со вставочными нейронами, которые передают сообщения чувствительным или двигательным нейронам. Распознанные организмом ощущения передаются в головной мозг, а эффекторные команды отправляются из мозга в ткани организма. Спинной мозг — это полноценный менеджер среднего звена. Чтобы лишний раз не обращаться к руководству, он сам управляет простыми рефлексами (см. «Рефлексы» на стр. 98–99). Это защищает головной мозг от перегрузки и позволяет ему фокусировать ресурсы на более насущных делах.

Наш спинной мозг отлично поживает внутри костей спины.

Анатомия нерва

Нерв — это не синоним нейрона, хотя последний и входит в его состав. Нервы состоят из пучков двигательных и чувствительных нейронов, или волокон, а также кровеносных сосудов и соединительной ткани. По своему строению нервы немного похожи на мышцы: они также собираются в пучки, а каждый их внутренний слой выстлан соединительно-тканной прослойкой. Каждое аксональное волокно заключено в слой рыхлой соединительной ткани (эндоневрий). Сами эти волокна объединяются в пучки нервов, и их оборачивает периневрий. Нервный ствол образуют пучки аксональных волокон с кровеносными сосудами, он также покрыт эпиневрием.

Нерв содержит пучки нервных волокон.

43

Соединить центральную нервную систему с остальной частью организма достаточно сложно. Здесь, как и в системе кровообращения, нужна крупная сеть специальных структур, разветвляющихся в каждый сантиметр тела. ПНС делает это с помощью 43 пар нервов.

Черепные нервы

12 из 43 пар нервов приходится на черепные нервы. Они отходят от нижней части мозга и иннервируют органы чувств и мышцы головы. Исключение составляет X пара — блуждающий нерв, или вагус, который проходит по телу и соединяет дыхательные пути, сердце и пищеварительную систему. Одни черепные нервы относятся к категории двигательных, другие — чувствительных, а третьи являются и тем, и другим.

Существует 12 пар черепных нервов.

Спинно-мозговые нервы

31 пара спинномозговых нервов служит переносчиком как сенсорных, так и моторных сигналов. Эти нервы иннервируют соматические и вегетативные отделы ПНС в областях ниже шеи. Некоторые нервы объединяются, образуя нервную сеть под названием «сплетение». Начиная со второго поясничного нерва и до самого конца позвоночника спинномозговые нервы свободно плавают в СМЖ, образуя пряди, похожие на конский хвост. Их так и называют — конский хвост.

Периферические нервы выходят из спинного мозга.

Ветви и корешки

Первую часть нерва, выходящего из ЦНС, называют нервным корешком. В основном корешки черепных нервов образуются из ствола головного мозга, за исключением обонятельных и зрительных нервов, которые отходят из головного мозга. Корешки спинномозговых нервов, напротив, отходят от спинного мозга. У них есть двигательные или чувствительные отростки, которые впадают в передние или задние рога серого вещества переднего мозга либо выходят из них. Двигательные (эфферентные) нервы выходят из спинного мозга вертикально — с передней стороны, или антериально. Их чувствительные собратья (афферентные нервы) входят в спинной мозг дорсально — с задней стороны, или постериально. Смешанные спинномозговые нервы появляются, когда вентральные и дорсальные корешки сливаются чуть дальше от спинного мозга. Затем они снова разделяются и образуют ветви, каждая из которых переносит моторные и сенсорные нервные сигналы. Эти нервы продолжают ветвиться, формируя в организме нервную сеть.

Ганглии

Ганглии — это скопления клеточных тел нейронов, чем-то похожих на ядра в головном мозге. В отличие от мозговых ядер, ганглии рассредоточены по всей площади ПНС. Сенсорные, или корешковые, ганглии располагаются в дорсальных корешках спинномозговых нервов. Вегетативные ганглии (см. «Вегетативные ганглии» на стр. 221) связывают вегетативную и соматическую системы. Для этого они формируют вертикальные цепи, которые с помощью нервных ветвей прикрепляются к спинномозговым нервам.

Это автоматика

У ПНС есть не только соматическая (телесная) часть, но и вегетативная (автономная), которая помогает телу осуществлять ряд действий (например, дышать) без сознательных усилий с нашей стороны. Вегетативную нервную систему (ВНС) регулирует гипоталамус.

Соматическая часть ПНС состоит из двигательных и чувствительных нервов. Они соединяют головной мозг с органами чувств, которые получают информацию о внешнем мире и позволяют нам осмысленно решать, как лучше отреагировать на происходящее. ВНС состоит из двигательных, или эфферентных, нервов. Обычно эти нервы отходят от спинного мозга, но часть выходит из ствола головного мозга. Эфферентные нервы иннервируют кровеносные сосуды, железы и такие органы, как сердце, легкие, желудок, кишечник, мочевой пузырь и половые органы.

Симпатика и парасимпатика

Как только гипоталамус получает информацию об изменении, к примеру сердечного ритма или артериального давления, он активирует соответствующие центры в стволе мозга (продолговатый и средний мозг). Мозговые центры стимулируют АНС, чтобы вернуть организм в состояние баланса. В этой обратной цепной реакции задействовано две части АНС — как инь и янь. Симпатическая нервная система готовит нас ко встрече с любыми угрозами и выдает быструю реакцию, помогающую выйти из сложных ситуаций. Парасимпатической нервной системе, наоборот, требуется некоторое время на принятие решений. Можно сказать, что она является стандартным режимом нашего организма, поскольку занимается более рутинными и не угрожающими жизни задачами. Парасимпатика побуждает нас либо «есть и размножаться», либо «отдыхать и переваривать». В реальности отношения между этими двумя системами не столь однозначны. Тем не менее они обе работают на благо баланса и гомеостаза в тех случаях, когда что-то идет не так.

Половое возбуждение

Симпатические нервы отвечают за возбуждение, но само половое возбуждение находится во власти парасимпатических нервов. Из-за притока крови к артериям половой член увеличивается в размерах, а клиторальная область — расширяется. (Симпатические нервы сужают кровеносные сосуды, чтобы направить кровь в такие органы, которые при стрессе больше всего нуждаются в ней, например в головной мозг.) Но в сексе симпатические нейроны выполняют совершенно иную роль: они отвечают за эякуляторный оргазм.

Энтерическую нервную систему иногда относят к АНС. Энтерическая система представляет собой скопление нейронов в брюшной полости. Она управляет пищеварительной системой и чем-то похожа на мини-копию мозга у нас в кишечнике.

Вегетативные ганглии

Вегетативные ганглии во многом отличаются от чувствительных ганглиев соматической ПНС. Ганглии симпатической нервной системы располагаются рядом со спинным мозгом (для оперативной реакции на изменения) и образуют паравертебральную сеть по обеим сторонам от позвоночника. Парасимпатические ганглии, наоборот, располагаются ближе к иннервируемым органам и тканям.

Вегетативные пути также отличаются от эфферентных путей соматической системы. Вегетативный нейрон в конце ганглия разделяется на два сегмента, а не образует синапс с органом-мишенью. Участок между ЦНС и ганглием называют преганглионарным нейроном. Он образует синаптическую связь с эффекторным постганглионарным нейроном.

Пре- и постганглионарные нейроны

Пре- и постганглионарные нейроны симпатических и парасимпатических систем отличаются. Симпатические преганглионарные нейроны короче парасимпатических, а постганглионарные волокна — наоборот, длиннее. Симпатические и парасимпатически преганглионарные нейроны вырабатывают ацетилхолин (АЦХ). Он выступает в роли нейромедиатора, который связывается с Н-холинорецептором постганглионарного нейрона для передачи нервного импульса. В эффекторном участке постганглионарные нейроны симпатической системы вырабатывают норадреналин (он же норэпинефрин), который связывается с адренорецепторами органа-мишени. Постганглионарные нейроны парасимпатической системы высвобождают АЦХ, который связывается с другим рецептором АЦХ (М-холинорецептор) органа-мишени.

Симпатические нервы выходят из позвоночника (тораколюмбальный отток) и соединяются с шейным и грудным путями спинномозгового нерва. Эти нервы используются для иннервации структур в груди и животе. Области головы и шеи иннервируются верхним шейным ганглием.

Парасимпатические нервы отходят от верхнего и нижнего концов позвоночного столба (краниосакральный отток). Большая их часть выходит из ствола головного мозга и поясничного отдела. Такие нервы иннервируют области головы (черепные нервы) и таза (крестцовые нервы). Блуждающий нерв иннервирует области груди и брюшной полости.

Надпочечник

Надпочечники сидят на вершине почек, и каждый из них является модифицированным симпатическим ганглием. Дело в том, что некоторые клетки надпочечника похожи на постганглионарные нейроны, поэтому, получив стимуляцию от симпатических преганглионарных нейронов, надпочечник высвобождает гормоны адреналин (эпинефрин) и норадреналин. Затем эти гормоны попадают в кровоток, где помогают сгладить последствия симпатической реакции.

Надпочечники играют важную роль в реакции «бей или беги».

Пять органов чувств

Все наши органы чувств, кроме тактильных, расположены в голове — и неспроста. Информация, передаваемая по черепным нервам, идет в обход спинного мозга и поступает для обработки сразу в головной мозг. По пути к коре головного мозга информация проходит через различные подкорковые структуры, включая лимбическую систему, которая снабжает увиденное толикой эмоций или воспоминаний.

Зрение

Стимул: свет. Орган чувств: глаза, которые определяют яркость (интенсивность) и цвет (длину волны) света, проникающего через зрачок. Рецепторы: фоторецепторы на сетчатке (см. «Многообразие клеток» на стр. 38–40). Нерв: зрительный нерв. Обрабатывающий центр: зрительная кора в затылочной доле.

Слух

Стимул: звуковые волны. Орган чувств: уши, которые определяют высоту и интенсивность звука. Наружное ухо направляет звуковые волны во внутреннее ухо. Барабанная перепонка, или тимпаническая мембрана, начинает вибрировать, вызывая вибрацию крошечных слуховых косточек среднего уха. Это приводит к пульсации жидкости в раковинообразной структуре уха — улитке. Кстати, наше чувство равновесия тоже возникает за счет движения жидкости в полукружных каналах уха, когда эта информация передается в мозг по вестибулярному нерву. Рецепторы: слуховые рецепторы или волосковые клетки в улитке. Нерв: слуховой нерв. Обрабатывающий центр: слуховая кора в височной доле.

Обоняние

Стимул: химические вещества. Орган чувств: нос, который обнаруживает химические вещества, растворенные в слизи носа. Вредные запахи могут вызывать чихание. Рецепторы: обонятельные рецепторы (хеморецепторы) в носовой полости. Они передают сигналы в нервные волокна обонятельной луковицы. Нерв: слуховой нерв. Обрабатывающий центр: обонятельная кора в височной доле.

Осязание

Стимул: давление, вибрация, холод, жара или боль. Орган чувств: кожа, особенно на ладонях и ступнях. Рецепторы: осязательные тельца Мейснера в дерме (см. рисунок на стр. 61). Нерв: спинномозговые и черепные нервы. Обрабатывающий центр: соматосенсорная кора в теменной доле.

Вкус

Стимул: химические вещества. Орган чувств: язык, который определяет химические вещества, растворенные в слюне. На представление о вкусе также влияет запах. Рецепторы: вкусовые рецепторы (хеморецепторы) во вкусовых сосочках. Нерв: языкоглоточный и блуждающий нервы. Обрабатывающий центр: вкусовая кора в лобной доле и островковая область между лобной и височной долями.

Самое важное чувство

Выбрать самое важное чувство практически невозможно, ведь все ответы будут субъективными. С физиологической точки зрения в глазу содержится бóльшая часть всех чувствительных нейронов нашего тела (как минимум 70 %). С этой точки зрения зрение будет самым важным чувством. Но если опираться на неподтвержденные данные от специалистов по паллиативной помощи, то самыми важными чувствами будут слух и осязание. Видимо, это последние чувства, которых лишается умирающий.

Глава 9. Просто посредник

Эндокринная система

Некоторые вещи наше тело делает тихо и незаметно, выполняя все самое важное не спеша. Наша эндокринная система — это причина, по которой дети превращаются во взрослых, девочки становятся женщинами, а стадию бодрствования сменяет сон.

И хотя в эндокринной системе есть свои первичные органы, или эндокринные железы, она также привлекает ряд помощников из других систем. Такие структуры называются вторичными органами. Все эндокринные железы выделяют химические вещества — гормоны, которые особым образом влияют на свои клетки-мишени. Основная функция первичных эндокринных органов заключается в выработке гормонов, а вторичные органы выделяют их на стороне. Секрет успеха этой системы кроется в высвобождении мессенджеров, или посредников, в кровь. Как рекламные компании подбирают клиентов по степени их лояльности, так и наша эндокринная система направляет посредников в кровь, ведь там их ждет самая подходящая клеточная аудитория, открывающая доступ к каждой клетке нашего тела. Гормоны передают определенные сообщения, и клетки, восприимчивые к этим сообщениям, получают их благодаря рецепторам на плазменной мембране.

Чтобы поддерживать стабильность системы, применяется принцип отрицательной обратной связи. Гормоны очень эффективны, и их уровень тщательно контролируется, ведь даже небольшое количество гормонов оказывает значительное влияние. Постоянное отслеживание и изменение уровня гормонов и жизненно важных элементов в крови позволяет системе поддерживать гомеостаз.

Эндокринная система состоит из первичных и вторичных органов, которые расположены в различных частях тела. Эти органы выделяют гормоны в кровоток, тем самым вызывая изменения в организме.

Наша эндокринная система является руководителем или участником многих процессов: активации иммунных Т-клеток и создания эритроцитов; деторождения и лактации; суточных, или циркадных, биоритмов и сна; роста; голода; менопаузы и андропаузы; метаболизма; изменения настроения; программируемой клеточной гибели (апоптоза); репродуктивного цикла; полового развития и созревания.

Бей или беги

Кроме управления размеренными и стабильными процессами в организме, эндокринная система способна на сравнительно быстрые реакции — потому что от них зависит выживание. В древние времена, когда жили хищники, поедающие людей, именно эндокринная система помогала нашим предкам не стать чьим-то обедом… хотя бы до тех пор, пока эти предки не обзаводились потомством. Реакция «бей или беги» стимулирует симпатическую нервную систему и способствует выделению гормонов адреналина и норадреналина. Эти гормоны ускоряют или замедляют определенные процессы в организме.

Химические революционеры

Известно, что изменения в организме вызывают как минимум 50 гормонов. В основном их выделяют в кровь железы повышенной васкуляризации.

Типы передачи сигналов

Гормоны могут связываться с клетками-мишенями несколькими способами.

Эндокринная сигнализация. Возникает, когда гормоны переносятся на дальние расстояния с током крови. Начинается, когда гормоны оказываются далеко от своего секреторного «дома», и заканчивается до того, как они достигнут клеток-мишеней.

Паракринная сигнализация. Паракринно высвобождаемые гормоны действуют локально и переносятся только до ближайших клеток.

Аутокринная сигнализация. Возникает, когда гормоны достигают границ секреторных клеток и связываются с рецепторами на плазматической мембране.

Интракринная сигнализация. Интракринно выделяемые гормоны не покидают границ клеток. Их цель — оповещать о внутриклеточных событиях.

Эндокринная сигнализация — это основная схема, по которой работают гормоны эндокринной системы.

Мишени

Крайне важно, чтобы клетки-мишени содержали нужные рецепторы для связывания с гормоном. Рецепторы либо находятся на плазматической мембране клетки-мишени, либо терпеливо плавают в цитоплазме клетки в ожидании своего стимулирующего гормонального партнера. Эндокринные заболевания и расстройства возникают в нескольких случаях: когда гормоны не могут прикрепиться к своим специфическим рецепторам; когда гормоны инициируют ответ в уже связанной с чем-то клетке-мишени; когда в клетке-мишени есть аномально реагирующие и мутированные рецепторы; когда клетку-мишень атакуют аутоиммунные клетки.

Основные классы гормонов

Стероиды — это целый класс гормонов, которые связываются с рецепторами в цитоплазме клетки. Стероиды жирорастворимы, поэтому могут легко проходить через мембрану клетки-мишени и связываться с ее внутриклеточными рецепторами. После этого стероид и рецептор переносятся к ядру как единое целое и уже там активируют ген для производства специальных белков.

Стероидные и нестероидные гормоны по-разному вызывают клеточный ответ.

Самые распространенные гормоны состоят из коротких цепочек аминокислот и называются пептидами. Это гидрофильные (то есть любящие воду) гормоны, поэтому их рецепторы расположены снаружи клетки, а сами пептиды не могут проходить через клеточную мембрану. После того как пептид связывается с рецептором, внутри клетки активируется второй посредник. Как правило, им является молекула циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), которая отвечает за активацию внутриклеточных событий от имени гормона.

Аминные гормоны образуются аминокислотами триптофаном или тирозином. К ним относятся катехоламины, адреналин и норадреналин, которые запускают реакцию «бей или беги».

Железы

В силу своих функций и управления одни эндокринные железы относятся к первичным (основным), а другие — ко вторичным. Давайте рассмотрим эти железы подробнее.

Основные эндокринные железы

Гипоталамус. Связывает нервную и эндокринную системы. Гипоталамус располагается в центре мозга (чуть выше своего коллеги — гипофиза) и почти в одиночку руководит гормонами. Гипоталамус посылает в гипофиз инструкции начать или прекратить выделение гормонов, влияющих на все тело. Также он контролирует температуру, жажду, голод и суточные биоритмы.

Гипофиз. Похож на две горошины и прикрепляется к гипоталамусу с помощью стеблевой структуры. Гипофиз — настоящий дирижер эндокринного оркестра, ведь он управляет функциями других желез в организме и следит за тем, как мы растем и развиваемся. Гипофиз состоит из двух долей, каждая из которых выполняет собственную функцию. В передней доле выделяются лютеинизирующие, фолликулостимулирующие, тиреотропные и адренокортикотропные гормоны. Они стимулируют другие гормон-секретирующие структуры (половые органы и надпочечники). Передняя доля выделяет и гормоны роста, стимулирующие поддержание и развитие костной и мышечной массы. В задней доле гипофиза хранятся гормоны, которые переносятся от гипоталамуса и выделяются по мере необходимости. К этим гормонам относятся окситоцин и вазопрессин (антидиуретический гормон, или АДГ). Окситоцин, или «гормон любви», играет ключевую роль в процессе родов и после них, а АДГ следит за почками (предотвращая обезвоживание) и кровеносными сосудами (регулируя кровяное давление).

Гипофиз и гипоталамус тесно сотрудничают, чтобы управлять гормональной средой организма.

Эпифиз (шишковидная железа). Располагается в середине мозга, в эпиталамусе (см. стр. 209–210). Приверженцы эзотерических течений полагают, что в нем сокрыта наша душа — «третий глаз». Научный факт: если в наши глаза попадает меньше света, эпифиз начинает секретировать меланин (гормон сна).

Тимус (вилочковая железа). Этот орган занимает главенствующую позицию в верхней части груди. Он расположен прямо над сердцем, между легкими. Этот лимфоидный орган с давних пор относится к эндокринной системе — из-за того, что он секретирует гормон тирозин, который запускает образование и производство иммунных клеток — Т-лимфоцитов. Однако в наши дни его принадлежность к эндокринной системе оспаривают. У детей тимус — очень активный и крупный орган, но с возрастом он сжимается.

Надпочечники. Две железы надпочечника располагаются над почками и похожи на маленькие персидские шляпки. У каждой железы есть внешняя кора толщиной около 2 см и внутренний мозговой слой. Надпочечники известны как железа, отвечающая за реакцию «бей или беги», ведь именно они управляют нашим поведением в стрессовых ситуациях. Симпатические нервы побуждают мозговое вещество вырабатывать аминные гормоны адреналин и норадреналин, которые усиливают симпатический ответ: мозговое вещество начинает преобразовывать сигналы из симпатической нервной системы в гормональные. В это же время кора надпочечников выделяет небольшое количество стероидных гормонов — эстрогена и тестостерона, а также альдостерона и кортизола. Последний известен как гормон стресса, выделяется в ответ на реакцию «бей или беги» и обладает целым рядом метаболических функций, включая подавление воспаления. Уровень кортизола повышается при неправильном питании и малоподвижном образе жизни, что приводит к ослаблению иммунной системы. В регуляции артериального давления и объема сжигаемого жира помогают надпочечники.

Щитовидная железа обернута вокруг трахеи. Паращитовидные железы расположены в задней части щитовидной железы.

Щитовидная железа. Ее довольно часто путают с тимусом. Эта двудольная структура чем-то похожа на крошечный галстук-бабочку, прочно зафиксированный вокруг трахеи. Щитовидной железой централизовано управляют гипоталамус и задняя доля шишковидной железы. Она участвует в поддержании метаболизма — преобразования в энергию питательных веществ (кислорода, жиров и сахаров) из пищи — за счет высвобождения йодсодержащих гормонов Т3 (трийодтиронин) и Т4 (тироксин). Гормоны Т3 и Т4 регулируют рост организма и сохранение или распад глюкозы с образованием энергии. Гипофиз управляет активностью щитовидной железы, высвобождая тиреотропный гормон (ТТГ). При низком объеме ТТГ гипоталамус дает команду гипофизу выделять ТТГ и производить больше Т3 и Т4. Гипо- или гиперразвитие щитовидной железы приводит к ряду патологий. Избыток тиреотропных гормонов (гипертиреоз) способствует повышенному потоотделению, потере весе, учащению пульса, экзофтальму (выпученным глазам) и непереносимости жары. Недостаток гормонов щитовидной железы (гипотиреоз) приводит к истончению волос и облысению, повышенной утомляемости, отечности лица, замедлению сердцебиения, набору веса и чувствительности к холоду.

Паращитовидная железа. В нашем теле есть четыре крошечные железы — по одной на задней стороне каждой доли щитовидной железы. Они контролируют уровень кальция в крови и костях. Это очень важная функция, позволяющая избежать серьезных проблем. В ответ на низкий уровень кальция в крови начинают выделяться паратиреоидные гормоны (ПТГ). Они стимулируют тонкий кишечник и почки на абсорбцию или реабсорбцию большего количества кальция. ПТГ переносит витамин D, который в почках превращается в свою активную форму. Затем ПТГ доставляется в тонкий кишечник, где участвует в формировании кальций-связывающих белков. Там же он активизирует остеокласты, которые разрушают костную ткань и способствуют выделению кальция в кровь. Если же уровень кальция в крови превышен, то в дело вмешается щитовидная железа: она высвобождает гормон кальцитонин, который способствует накоплению кальция в костях.

Диабет — это состояние, при котором уровень сахара в крови повышен. Существует два типа диабета: I и II.

Поджелудочная железа. Этот листообразный орган прочно скрыт за брюшной стенкой, его головка и тело располагаются по центру, а хвост смещен влево от эпигастрия. Поджелудочная железа расположена над основной артерией, питающей селезенку, и испещрена густой сетью капилляров. Эта железа выполняет как эндокринную, так и экзокринную функции, а также участвует в пищеварении. За выполнением эндокринных функций следит небольшое скоплением клеток под названием островки Лангерганса. Эти группы состоят из альфа- и бета-клеток, которые помогают регулировать уровень сахара в крови. Альфа-клетки секретируют глюкагон, побуждающий клетки печени выделять больше сахара в кровоток. Бета-клетки секретируют инсулин. Он обладает ингибирующим действием, заставляя печень превращать глюкозу в гликоген (для накопления запасов) и стимулируя поглощение глюкозы клетками. Для диабета характерно повышение уровня сахара в крови. В основном он развивается, когда поджелудочная железа не вырабатывает достаточное количество инсулина (I тип) либо организм перестает реагировать на выработанный инсулин (II тип). Сахарный диабет I типа — это аутоиммунное заболевание, при котором организм разрушает бета-клетки. Сахарный диабет II типа является нарушением обмена веществ и часто связан с избыточным весом и/или неправильным питанием. Воспаление поджелудочной железы (панкреатит) вызывает острую боль в верхней части живота. Это позволяет отличить воспаление от ранних симптомов рака поджелудочной железы, который часто диагностируется лишь на поздней стадии.

Яичники. В теле женщины есть два яичника — по одному с каждой стороны таза. Эти половые железы получают стимуляцию от лютеинизирующих и фолликулостимулирующих гормонов, которые выделяются в передней доли гипофиза. Яичники вырабатывают гормоны эстроген и прогестерон, ответственные за женское половое развитие, менструальный цикл, беременность и роды. К гормонам яичников относится и тестостерон. Избыток тестостерона может привести к поликистозу яичников, который влияет на репродуктивное здоровье женщины и ее внешний вид.

Яички. У мужчины есть два яичка. Они расположены в собственном мешочке снаружи тела, потому что сперматозоиды могут вырабатываться только при температуре на несколько градусов ниже температуры тела. Эти железы вырабатывают тестостерон, который стимулирует половое развитие и либидо мужчины, а также увеличивает его костную и мышечную массу.

Вторичные эндокринные железы

Сердце. Наше сердце — это не просто насос, оно также выделяет гормоны. Предсердия вырабатывают предсердный натрийуретический пептид (ПНП, или атриопептин). Этот гормон стимулирует почки выводить больше воды, чтобы снизить объем крови и, следовательно, понизить артериальное давление.

На этой схеме показано взаимодействие гормонов голода и сытости. После приема пищи тонкий кишечник выделяет метаболический гормон инкретин, который увеличивает секрецию инсулина в поджелудочной железе. Инсулин может вынудить клетки-мишени потреблять больше глюкозы (в дополнение к гликогенезу к печени). Грелин, вырабатываемый желудком, стимулирует аппетит.

Желудок. Если в желудок попадает пища и он начинает растягиваться, G-клетки, выстилающие часть желудка, приступают к выделению гастрина. Этот гормон побуждает соседние париетальные клетки выделять желудочный сок.

Почки. Оказывается, почки играют важную роль в дыхании. В ответ на низкий уровень кислорода в крови почки вырабатывают гормон эритропоэтин, который стимулирует выработку эритроцитов в костном мозге.

Жировая ткань. Одним из гормонов, выделяемых жировой тканью, является лептин. Он сообщает мозгу об увеличении или уменьшении количества жира в организме, благодаря чему мозг узнает об имеющихся запасах энергии. Лептин притупляет чувство голода, подавляя центры голода в гипоталамусе и стимулируя центры сытости.

Кое-что о сне

До сих пор не совсем понятно, почему мы спим. Но если верить теориям, сон нужен для сохранения воспоминаний в долгосрочной памяти; он экономит энергию, очищает и восстанавливает мозг. Есть даже мнение, что сон появился в ходе эволюции, чтобы защитить нас от ночных хищников. Ясно одно: без сна мы долго не продержимся. Человек проводит во сне треть жизни. То есть к 70 годам мы проспим чуть более 23 лет.

Сон — это лучшее лекарство. Вне зависимости от возраста, каждый человек нуждается во сне. Всем людям нужно разное количество сна, и это значение с возрастом уменьшается. Здесь следует быть особенно внимательными, ведь качество сна также меняется. Спать следует ночью, предпочтительно через 3–4 часа после еды. При необходимости суточную норму сна можно разбить на маленькие дозы в течение дня. Алкоголь влияет на эффективность сна, поэтому лучше снизить его употребление. Нерегулярный сон может повлиять на здоровье, привести к набору веса, абстинентному синдрому и серьезным негативным последствиям: нарушению когнитивных функций и памяти, повышению артериального давления и риска сердечных заболеваний. Риск побочных эффектов от слишком долгого сна практически отсутствует. Однако если вам недостаточно рекомендуемого количества сна, стоит проконсультироваться со специалистом — возможно, это указывает на сопутствующие патологии.

Циркадный ритм

Сон регулируется целым гормональным циклом под названием «циркадный ритм». Эти биологические часы определяют, насколько полными сил или уставшими мы себя чувствуем. Циркадный ритм представлен в гипоталамусе в виде супрахиазматического ядра (СХЯ), расположенного рядом с местом пересечения зрительных нервов. Биологические часы, заведенные на 24 часа вперед, калибруются в зависимости от того, сколько солнечного света проходит через наши глаза.

Выработка мелатонина шишковидной железой. Максимум — в темное время суток.

Особенно это касается голубой части спектра. Такой свет улавливают специальные глазные рецепторы — светочувствительные ганглионарные клетки сетчатки, которые передают информацию в СХЯ и шишковидную железу. В подходящее время СХЯ подавляет выработку сонного гормона мелатонина в эпифизе, в результате чего мы просыпаемся. Устройства, излучающие свет голубого спектра, — компьютеры, телевизоры, смартфоны — могут сбивать наши биочасы и приводить к таким нарушениям сна, как бессонница, которая не понаслышке знакома почти всем людям.

Стадии сна

Существует целых пять стадий сна, которые разделяются на две фазы: с быстрым (REM) и небыстрым движением глаз (NREM). NREM составляет 75 %–80 % от всего времени сна и включает фазу глубокого сна, сопровождающуюся выделением гормонов роста из гипофиза. Эти гормоны помогают телу восстановиться и способствуют делению клеток. Большая часть сновидений происходит в REM-фазе. К счастью, в этой фазе наше тело парализует мышцы, иначе мы бы ими активно пользовались. Как правило, REM-фаза длится около 90 минут, а во сне мы проходим через несколько сменяющихся REM— и NREM-фаз.

REM (черным) повторяется несколько раз за ночь.

Как-то жарковато

Интересовались ли вы когда-нибудь, где находится ваш внутренний источник тепла — этакая неуловимая внутренняя печка? На самом деле у нас нет какой-то одной централизованной печки. Наше тело согревается благодаря всем внутренним процессам в целом. Особенно тем, которые происходят в очень активных и глубоко расположенных органах (печени, сердце и мозге). Помогают согреться и движения скелетных мышц.

Тепло служит побочным продуктом при выработке энергии, которая нужна нам для всех физиологических процессов. Эта энергия существует в форме АТФ, выделяемого вместе с теплом при расщеплении жиров и сахаров внутри клеток. Кроме того, тепло выделяется, когда энергия расходуется при выполнении разных процессов.

В каком-то смысле каждая клетка в организме похожа на небольшую — размером в одну клетку — печь, вырабатывающую тепло. Скорость выработки тепла определяется гипоталамусом. Гипоталамус — это наш телесный термостат; он любит поддерживать температуру на уровне 37 °C. Это оптимальная температура для деятельности ферментов и биологических молекул. Градус выше или ниже вполне допустим. Однако при существенном отклонении от этих норм организм может попросту «отключиться».

Поэтому наш верный гипоталамус с помощью собственных рецепторов реагирует на колебания температуры и запускает специальные механизмы, которые либо увеличивают, либо уменьшают выделение, или рассеивание, энергии и возвращают ее к нормальным значениям.

Мы — теплокровные животные, так что умеем поддерживать свою внутреннюю температуру на постоянном уровне, вне зависимости от температуры внешней среды. Но здесь есть и обратная сторона: мы должны с определенной периодичностью питаться, чтобы «сырье» для переработки в энергию поступало непрерывно.

Гипотермия

Когда температура тела опускается ниже 35 °C, развивается гипотермия и гипоталамус пытается скорректировать температуру, отправляя импульсы в органы-эффекторы. Гипоталамус отвечает за гормональную терморегуляцию, то есть он стимулирует щитовидную железу и надпочечники на выработку тироксина и адреналина, ускоряющих метаболизм и теплообмен. Наша вегетативная нервная система запускает ряд изменений, направленных на сохранение тепла. К ним относится вазоконстрикция, или сжатие кровеносных сосудов, которая перенаправляет тепло от кожи к другим важным органам и вызывает бледность кожных покровов, а также непроизвольное сжатие и расслабление мышц (дрожь), при которых сжигаются питательные вещества и выделяется тепло. При продолжительном воздействии холода процессы в организме замедляются: нервные импульсы затухают, частота дыхания и сердцебиения снижается и возникает путаница сознания. Если температура опускается ниже 32 °C, требуется неотложная медицинская помощь; человек прекращает дрожать и начинает терять сознание. При температуре ниже 30 °C человек чаще всего умирает, поскольку организм больше не способен себя согреть.

Гипертермия

Когда температура тела достигает более 37,5–38,3 °C, развивается гипертермия. При такой температуре человек сильно потеет; из-за потери жидкости кровяное давление падает, что приводит к обморокам, головным болям и жажде; кровь приливает к коже, а кровеносные сосуды расширяются, выделяя тепло. Если температура тела поднимается выше 40 °C, то макромолекулы (например, белки) приближаются к состоянию денатурации. Если клетки долгое время не могут функционировать, то это может привести к клеточной гибели и полиорганной недостаточности.

Глава 10. Переварить все это

Пищеварительная система

У этой системы несколько названий. Однако именно «пищеварительная система» стала общим обозначением для желудочно-кишечного, или пищеварительного, тракта (ЖКТ), к которому присоединяются вспомогательные органы. ЖКТ — это настоящий алхимик, который ловко раскладывает пищу на основные компоненты, или питательные вещества, необходимые нашему телу для создания энергии или накопления запасов.

В длину ЖКТ может быть около 9 м. Очевидно, что при таком размере он весьма серьезно подходит к своей работе. ЖКТ служит проводящим каналом, через который пища поступает внутрь, проходит по организму, лишаясь питательных веществ, и выделяется наружу в виде зловонных отходов.

Передний и задний отделы

Желудочно-кишечный тракт можно разделить на два отдела: передний и задний. Передний отдел состоит из рта (и его вспомогательных структур: зубов, слюнных желез и языка), глотки, пищевода, желудка и начала тонкого кишечника под названием «двенадцатиперстная кишка».

Желудочно-кишечный тракт можно рассмотреть при исследовании с помощью бариевой взвеси. Этот особый тип рентгеновского исследования помогает врачам наглядно изучить верхние отделы ЖКТ.

К вспомогательным органам и тканям переднего отдела ЖКТ относятся печень, поджелудочная железа, желчный пузырь и желчевыводящие пути. Задний отдел ЖКТ состоит из оставшейся части тонкого кишечника (тощей и подвздошной кишок), а также из толстого кишечника, который включает слепую кишку с червеобразным отростком — аппендиксом, ободочную кишку, прямую кишку и анальный канал.

Брюшина

Пищеварительные органы и ткани не плавают хаотично внутри брюшной полости. Они заключены в секретирующую мембрану, или брюшину, и крепятся к задней части брюшной стенки с помощью веерообразной структуры (брыжейки). Брыжейку образует двойной листок брюшины.

Наша пищеварительная система — это длинная трубка, к которой прикреплены вспомогательные органы. У разных областей и структур разные пищеварительные функции.

Все эти структуры позволяют нашим внутренностям свободно передвигаться без лишнего трения и в то же время надежно держаться на месте. В брюшине расположены каналы кровеносных и лимфатических сосудов, а также нервы, иннервирующие кишечник.

У нас во рту

Наш рот выполняет сразу несколько функций: он является входом в пищеварительный тракт и легкие, а также управляет речью. Поэтому так важно, чтобы ротовая деятельность была хорошо настроена и скоординирована. Другими словами, для поедания пищи требуется мастерская работа ротовой полости. При заглатывании пища покидает ротовую полость, и мы перестаем ее осознанно контролировать.

Голод

Сам процесс пищеварения начинается еще до того, как пища попадает в рот. Пустой желудок выделяет гормон грелин, который связывается с рецепторами в гипоталамусе и вызывает чувство голода. И пока мы ищем, чем бы перекусить, одного вида или запаха пищи бывает достаточно, чтобы пробудить наши слюнные железы и через парасимпатический условный рефлекс простимулировать слюноотделение.

Зубы

Первое, с чего начинается процесс принятия пищи, — это механическое дробление пищи зубами и ее разжевывание до состояния мякиша (пищевого кома). К тому моменту, как мы становимся взрослыми, у нас во рту появляется набор из 32 крепких костяных структур, прочно вросших в челюсть. Они покрыты самым крепким материалом в нашем организме — эмалью, придающей зубам прочность.

На этой картинке изображены зубы взрослого человека, а также указан средний возраст их прорезывания (в годах). У нас есть пять типов зубов — разных по размеру, форме и выполняемой функции.

Зубы различаются по размеру и форме в зависимости от того, разрывают ли они пищу или дробят ее. Особенности диеты могут повлиять на скорость стирания эмали, из-за чего обнажаются чувствительный окостенелый дентин и пульпа зуба, приводя к риску повреждений и инфицирования.

Слюна

В процессе жевания пища перемешивается со слюной, выделяемой слюнными железами. Слюна позволяет смочить сухую пищу. Это необходимо для того, чтобы мы могли чувствовать вкус еды, поскольку вкусовые рецепторы способны реагировать только на пищу, растворенную в жидкости. Однако слюна — это нечто большее, чем просто влажная смазка; она нужна для химического переваривания пищи и ее обеззараживания. Дело в том, что в слюне содержится специальный фермент амилаза, расщепляющий сложные углеводы (например, крахмал), а также антимикробный фермент лизоцим. Разные слюнные железы выделяют разные типы слюны. Самой большой железой является околоушная. Она располагается впереди и чуть ниже уха и вырабатывает водянистую слюну. Это основная экзокринная железа, секретирующая амилазу. Большую часть слюны выделяет подчелюстная железа, в ней содержится много слизи и амилазы. Наша ротовая полость также выстлана слизистой оболочкой, которая выделяет слизь для поддержания влаги.

Язык

Без розоватого куска ткани внутри рта прием пищи невозможен. Наш язык почти полностью состоит из мышц, которые могут двигаться в разных направлениях. Это позволяет языку подбрасывать и ловить размягченные кусочки пищи при жевании, прижимая их к твердому нёбу, зубам или задней стенке горла для глотания. Язык связан с основанием ротовой полости (через тонкую полоску ткани, называемую уздечкой) и нижней челюстью.

Вниз по трубе

После заглатывания пища переходит в ту часть ЖКТ, которой мы больше не управляем. Здесь происходит активный процесс, направляющий пищевой комок в желудок — вне зависимости от сил гравитации. Это значит, что глотать пищу, стоя на голове, — вполне реально, хотя и крайне неудобно.

Глотание

При сжатии мышц глотки болюс (пищевой комок) направляется в верхнюю часть пищевода. Язык поднимается к нёбу, а мягкое нёбо опускается, закрывая носоглоточное пространство. Мягкое нёбо — это участок бескостной ткани в задней части рта рядом с глоткой. Оно предотвращает попадание пищи в нос… хотя и не всегда удачно, что вы, скорее всего, уже испытали на себе, засмеявшись в процессе питья. А надгортанник, закрывающий дыхательные пути, принудительно смыкается. Все эти процессы должны быть четко скоординированы, поскольку глотание и дыхание — это взаимоисключающие вещи, и если выполнять их одновременно, то можно задохнуться.

На гистологическом срезе пищевода видны различные слои.

Пища проходит по пищеводу, который проталкивает ее волнообразными движениями. Эти движения, известные как перистальтика, состоят из последовательных сокращений и расслаблений гладкомышечного слоя.

Пищевод

Пищевод — это эластичная мышечная трубка длиной около 25 см, слегка отклоненная влево и расположенная позади трахеи. Перед тем как соединиться с желудком, пищевод проходит через диафрагму — как соломинка через крышку молочного коктейля. Не будь у нас пищеводного сфинктера, кислота из желудка поступала бы в нижнюю часть пищевода, вызывая кислотный рефлюкс и воспаление. У некоторых людей развивается дополнительный мышечный слой — кольцо Шацкого, сужающее пищевод, из-за чего человек давится пищей, особенно когда ест мясо и хлеб. Пищевод — это не просто сквозной проход пищи в желудок: он проталкивает пищу волнообразными движениями, которые называют перистальтикой, и она работает по всему ЖКТ.

Пищеварительная команда

Удивительный и страшный факт: органы брюшной полости могут переварить нас изнутри. Желудок и двенадцатиперстная кишка работают спина к спине. Первый выделяет кислоту, а вторая существует в основном в щелочной среде. Но оба работают на общую цель — пищеварение.

Желудок

Наш желудок представляет собой мышечный мешок крючковидной формы. Он соединяет пищевод с верхней частью тонкой кишки — двенадцатиперстной кишкой. Как и все структуры пищеварительной системы, мышцы желудка рассредоточены в разных областях, что способствует перевариванию пищи. В желудке расщепляется все, что мы глотаем. Это возможно благодаря эпителиальной выстилке из желез и секреторных клеток, выделяющих желудочный сок — соляную кислоту, разъедающую все субстанции и расщепляющую белки. Клетки желудка также выделяют особую слизь, которая служит физическим барьером и не дает желудку переварить себя, а еще бикарбонат, поддерживающий кислотность среды.

Мышечные слои желудка растягиваются в разных плоскостях, чтобы растворить как можно больший объем пищи.

Выстилка желудка крайне продуманно вырабатывает неактивные (зимогеновые) формы пищеварительных ферментов, которые стимулируются или активируются только в кислой среде. Пепсиноген — протеазный фермент — превращается в свою активную форму пепсин, который расщепляет белки. Липаза расщепляет жирные вещества. После нескольких часов пищеварения частично переваренная пища супообразной консистенции — химус — просачивается из сфинктера привратника в двенадцатиперстную кишку, где затем идет по волнам кишечника.

Панкреатические ферменты

Поджелудочная железа выполняет экзокринную функцию по выработке ферментов, расщепляющих различные вещества. Такие ферменты выделяются в зимогенной (проферментной) форме и активируются специальным ферментом с оболочки двенадцатиперстной кишки.

Поджелудочная железа вырабатывает основную часть пищеварительных ферментов для образования щелочного сока в двенадцатиперстной кишке. В последнюю они попадают через проток поджелудочной железы.

Двенадцатиперстная кишка

Эта первая часть тонкой кишки оборачивается вокруг головки поджелудочной железы и крепится к задней части брюшной стенки. Протяженность двенадцатиперстной кишки — около 25 см. Если говорить о тонком кишечнике, то первое, что приходит на ум, — это абсорбция, а не пищеварение. Абсорбция может происходить в любой части ЖКТ начиная с желудка (именно там алкоголь, ряд лекарств, например аспирин, и немного воды всасываются в кровоток), но само пищеварение происходит как раз в двенадцатиперстной кишке. Ее самый внутренний слой слизистой оболочки вырабатывает щелочной секрет с пищеварительными ферментами, а также выделяет слизь для предотвращения эрозии. Через общий желчный проток в двенадцатиперстную кишку поступают пищеварительные ферменты из поджелудочной железы и желчь из печени. Щелочной pH этих ферментов помогает нейтрализовать кислотность химуса.

Печень

Называть нашу печень вспомогательным органом будет настоящим кощунством, ведь она сама является почти что обособленной системой. К гепатобилиарной системе относятся печень, желчный пузырь и желчные протоки. Печень — это самый большой висцеральный орган в нашем теле, и мы не сможем жить без нее.

У печени два источника кровоснабжения: она получает насыщенную кислородом кровь из сердца (через печеночную артерию) и богатую питательными веществами кровь прямо из кишечника (через печеночную воротную вену). Печень получает такую кровь одной из первых, поскольку ее основная задача — отфильтровать все, что впиталось в кровь, прежде чем отправить ее обратно в сердце, легкие и другие части организма.

Этот коричнево-красный орган скрыт под диафрагмой и частично защищен нижними ребрами с правой стороны. Печень состоит из двух долей — правой и левой, причем правая доля значительно крупнее. Каждая доля состоит из тысяч шестиугольных долек, окруженных кровеносными сосудами.

Регенерация

Печень очень важна. Это один из немногих органов, которые умеют восстанавливаться после повреждения. Такая способность появилась благодаря тому, что печень постоянно сталкивается с токсичными веществами. Однако при непрерывном воздействии токсичных веществ печень не успевает восстановиться, и повреждения неизбежны. Это приводит к циррозу печени — опасному состоянию, которое вызывает всевозможные проблемы в организме и увеличивает риск рака печени.

Базовой единицей печени является долька.

В углу каждой из долек располагается сосудистое трио из венул и артериол приводящей печеночной воротной вены и печеночной артерии, а также проток, который сливается в более крупный печеночный проток, идущий из печени в двенадцатиперстную кишку. В центре каждой дольки есть отводящая вена, которая вливается в междольковую и печеночную вены и переносит обработанную и ненасыщенную кислородом кровь к сердцу.

Гепатоциты

Каждая долька содержит тысячи печеночных клеток — гепатоцитов. На этой сортировочной фабрике они являются главной рабочей силой. Эти клетки производят, обрабатывают и сохраняют разные вещества — нужные, не очень нужные и совсем не нужные организму. Среди прочих клеток выделяются фагоцитарные клетки Купфера, которые разрушают старые и избыточные эритроциты, а также любые бактерии. Гепатоциты вырабатывают желчь, которая проходит через канальцы долек, стекает в желчные протоки и затем накапливается в желчном пузыре. Желчь — это горькая зеленая жидкость, которая выделяется из желчного пузыря для переваривания жиров, попадающих в двенадцатиперстную кишку.

Что делает печень

Через фильтр печени проходят следующие соединения:

• ядовитые химические вещества и продукты жизнедеятельности — печень нейтрализует их и отправляет в почки;

• аммиак, который образуется при углеводном распаде. Печень расщепляет его до безвредного продукта жизнедеятельности под названием «мочевина», который затем выводится из организма с мочой, потом и слезами.

Печень вырабатывает:

• глюкозу (из запасов гликогена);

• тепло (при всех химических реакциях);

• гормоны: тромбопоэтин (для производства тромбоцитов в костном мозге), инсулиноподобный фактор роста (для роста клеток) и ангиотензиноген (для контроля артериального давления);

• белки, которые участвуют в свертывании крови;

• желчь, чтобы переварить жиры в двенадцатиперстной кишке.

Кроме того, печень накапливает питательные вещества, которые обеспечивают выживание организма при отсутствии пищи, в том числе:

• глюкозу (в форме гликогена);

• различные витамины (включая A, B_12, D, E и K);

• минералы (железо и медь), необходимые иммунной системе.

Желчный пузырь и желчные протоки

Желчный пузырь и желчные протоки также относятся к гепатобилиарной системе. Желчный пузырь расположен под печенью и из-за желчи имеет зеленоватый оттенок. Желчный пузырь, как и мочевой, является мешочком для хранения. Он связан с печенью через желчные протоки, которые также соединяют его с поджелудочной железой и двенадцатиперстной кишкой.

Желчь

Как известно, жиры перевариваются с трудом. Поэтому для расщепления жирных соединений организму нужна максимальная помощь. К таким помощникам относятся соли желчных кислот (например, гликохолат натрия и таурохолат натрия), растворяющие жиры в небольшие капли, расщеплять которые могут липазы.

Гепатобилиарные проблемы

Если с нашей гепатобилиарной системой что-то не так, мы быстро об этом узнаем. Самым распространенным заболеванием являются желчные камни, которые образуются, когда холестерин затвердевает и откладывается в желчном пузыре в виде камней. Эти камни могут различаться по размеру, форме и количеству, но все виды вызывают серьезные проблемы в организме, поскольку блокируют общий желчный проток, через который поджелудочная железа отправляет пищеварительные ферменты в двенадцатиперстную кишку. Это может привести к воспалению поджелудочной железы (панкреатиту), что может оказаться весьма серьезным заболеванием. На проблемы с печенью или желчными протоками указывают бледный цвет каловых масс и пожелтение белочной оболочки глаз и кожи (желтуха) — из-за накопившегося в крови пигмента билирубина.

К другим компонентам желчи относятся минеральные вещества, нейтрализующие химус, а также холестерин и желчные пигменты, которые придают желчи уникальный желто-зеленый цвет. Эти пигменты образуются в результате распада эритроцитарного гема до биливердина, который затем превращается в желто-коричневый билирубин, окрашивающий и дезодорирующий наши фекалии. Бактерии, живущие в кишечнике, расщепляют билирубин на уробилин, или урохром, который всасывается в кровь и придает моче соломенный цвет.

От желчного пузыря к кишечнику

Как только пища (особенно жирная пища) попадает в двенадцатиперстную кишку, выделяется пептидный гормон холецистокинин (ХЦК), который всасывается в кровь. После того как ХЦК достигает желчного пузыря, гормон стимулирует сокращение пузыря, и желчь выталкивается в пузырный проток. Она проходит по общему желчному протоку и поступает в двенадцатиперстную кишку через сфинктер Одди. Чем выше концентрация желчи, тем лучше она расщепляет жиры.

Название «гепатобилиарная система» образовано от древнегреческого hepat (печень) и французского biliare (желчь).

Время всасывания

После нейтрализации и переваривания химуса начинается следующий этап — средняя часть ЖКТ, состоящая из тощей и подвздошной кишок тонкого кишечника и всего толстого кишечника. Это территория всасывания, ведь здесь кишечник пытается извлечь максимум полезных и питательных веществ из остатков пищи, попавших в кишечную полость. Этот участок ЖКТ очень и очень длинный.

Тощая кишка

Длина тощей кишки составляет около 2,5 м, а ширина — почти 4 см. Тощая кишка начинается сразу за двенадцатиперстной и прикрепляется к задней части брюшной стенки с помощью брыжейки. Слизистая оболочка тощей кишки устроена таким образом, чтобы максимально увеличить площадь всасывающей поверхности. Это достигается с помощью циркулярных складок, которые покрыты микроскопическими пальцеобразными выростами длиной в 1 мм. Такие выросты называются ворсинками.

Кишечные ворсинки встречаются в тонком и толстом отделах кишечника, который выстлан эпителиальными клетками (энтероцитами), образующими «щеточную кайму».

Именно здесь с током крови происходит процеживание химуса до тех пор, пока в сухом остатке не остаются лишь вода и отходы. Вены и венулы кишечника сходятся в печеночную воротную вену, которая изливается в печень, где питательные вещества из крови обрабатываются и накапливаются, а затем распределяются внутри организма. В каждой ворсинке есть лимфатические капилляры, которые называются млечными. Именно они, а не кровеносные сосуды, абсорбируют переваренные жирные вещества и переносят их в самый крупный лимфатический сосуд — грудной проток. А потом эти вещества попадают в кровь. Постепенно тонкая кишка начинает утончаться и переходит в более узкую часть — подвздошную кишку.

Подвздошная кишка

Это последняя часть тонкой кишки, которая соединяется с толстым кишечником. Подвздошную кишку удерживает брыжейка, а состоит она из тех же структурных элементов, что и тощая кишка. Подвздошная кишка занимает более половины длины всей тонкой кишки: ее протяженность составляет 3,5 м.

Микроворсинки — это микроскопические выступы плазматической мембраны клеток, выстилающие поверхность ворсинок. Микроворсинки еще больше увеличивают площадь всасывания. Можно заметить, как из цитоплазмы выступают микрофиламенты.

Так в чем же принципиальное отличие подвздошной кишки от тощей? Она абсорбирует водорастворимые витамины, особенно B_12. Этот витамин крайне важен для нашей нервной системы, к тому же он участвует в производстве эритроцитов и синтезе ДНК. Желчные соли гликохолат и таурохолат натрия также реабсорбируются здесь и перерабатываются в печени. И, наконец, подвздошная кишка дает ЖКТ еще один шанс абсорбировать все нужные продукты пищеварения, которые почему-то остались незамеченными тощей кишкой.

Конечная остановка

К тому времени, как пища, которую вы съели 12–29 часов назад, достигнет толстого кишечника, ее внешний вид и состав уже настолько изменятся, что она превратится в отходы. Эту субстанцию, лишенную своей питательной ценности, необходимо принудительно вывести из организма, как нежелательного гостя — из ночного клуба.

Толстый кишечник

Длина толстой кишки составляет 1,5 м, а сам кишечник делится на несколько базовых структур — от слепой кишки до анального отверстия, которые способствуют всасыванию в кровь воды, натрия, калия, хлорида, минералов и витаминов, а также уплотняют и накапливают каловые массы.

Слизистая оболочка толстой кишки испещрена криптами (специальными железами, поглощающими воду) и клетками, выделяющими слизь и облегчающими прохождение отходов. Чтобы продукты жизнедеятельности прошли через толстый кишечник, могут потребоваться часы и даже дни (у женщин этот процесс занимает больше времени, чем у мужчин). Однако это время сокращается, если присутствует клетчатка.

Кишечные бактерии

К тому моменту, как химус достигает толстого кишечника, почти вся его питательная ценность теряется. Но здесь наш ЖКТ припас свой заключительный сюрприз для пищевых остатков — кишечные бактерии, или кишечную микрофлору. Эта многочисленная колония, состоящая из триллионов микробов, заселяет нижнюю часть ЖКТ и образует с нами симбиотическую связь. Эта флора, как и отпечатки пальцев, уникальна у каждого человека. Полезная микрофлора ежедневно меняется — в зависимости от питания и образа жизни. Кишечные бактерии переваривают вещества, которые мы не можем расщепить самостоятельно (крахмалы, сложные сахара и волокна), и получают из них собственную энергию. В процессе расщепления эти бактерии высвобождают дополнительные питательные вещества, которые всасываются в нашу кровь. Кроме того, они выделяют вещества, которые убивают вредные бактерии, секретируют необходимые витамины (например, витамин К) и облегчают абсорбцию минеральных веществ в организме за счет ферментации целлюлозных волокон. Кишечные бактерии расщепляют билирубин, который придает каловым массам характерный коричневый цвет.

Значительный дисбаланс кишечной микрофлоры может нанести вред нашему организму. Ученые выяснили, что дисбаланс микрофлоры связан с ожирением, депрессией, заболеваниями сердца и высоким артериальным давлением. Крайне важно поддерживать этот баланс и избегать веществ, убивающих кишечные бактерии (включая антибиотики и алкоголь).

На этой компьютерной визуализации изображен полезный кишечный микроб — бифидобактерия. В основном эти бактерии находятся в кишечнике, но также встречаются в ротовой полости и во влагалище.

Глава 11. Система переработки отходов

Мочевыделительная система

Мочеиспускание, уринация, мочеотделение или малая нужда… Все эти слова описывают конечный результат деятельности мочевыделительной системы. Как правило, мы вспоминаем об этой системе, только когда чувствуем, что пора бы освободить мочевой пузырь от его содержимого — мочи. Мочевой пузырь — это орган, который не только накапливает мочу, но и регулярно напоминает вам о необходимости опорожнить его при заполнении. Структуры и органы, образующие мочевыделительную систему, работают тихо, как служебный персонал, и постоянно вырабатывают особую смесь соломенного цвета, поддерживая химический баланс в организме и избавляя нас от всего ненужного.

Наши почки и мочевой пузырь — это главные органы мочевыводящей системы. Они защищены нижней частью грудной клетки и тазовой костью соответственно. Мочеточник и мочеиспускательный канал помогают выводить мочу из почек и мочевого пузыря.

Главенствующую позицию в мочевыделительной системе занимают особые органы бобовидной формы — почки. Эти парные и гладкие органические фильтры располагаются по обе стороны от средней части позвоночника и отвечают за выработку мочи. Уникальное кровоснабжение почек позволяет им фильтровать плазму. Они также оснащены специальными приспособлениями, собирающими фильтрат и отводящими его по трубкам, которые спускаются в основной резервуар для хранения — мочевой пузырь.

Все дело в названии

Мочевыводящую систему иногда называют почечной системой или мочевыводящим трактом. Она является частью выделительной системы, к которой также относятся пищеварительная система и такие органы, как кожа, легкие и печень. В совокупности все эти органы избавляют наше тело от метаболических отходов (углекислого газа, электролитов, избытка воды, непереваренных продуктов питания и вредных продуктов) и токсинов через едкую смесь пота, мочи, каловых масс и выдыхаемого воздуха. Иногда мочевыводящую систему объединяют с половыми органами, и тогда ее называют урогенитальной или мочеполовой. Во многом это связано с тем, что для своей работы обе системы используют одни и те же базовые структуры, которые развиваются из того же зародышевого листка, то есть имеют одинаковые нервные пучки и проводящие пути.

Затем, под вашим непосредственным контролем, моча выделяется через внутренние клапаны и проходит через различные трубочки, чтобы вытечь или излиться во внешнюю среду. Поскольку нижняя часть мочевыделительной системы имеет дело с жидкостью различного объема, важно, чтобы клетки, образующие ее структуры и органы, были достаточно гибкими и могли сужаться/расширяться по необходимости. Именно поэтому такие клетки выстланы уротелием — плоскоклеточным эпителием, который может сужаться и расширяться.

Две почки

Обсуждать основную функцию почек — все равно что объяснять работу всей мочевыделительной системы, ведь остальные органы и структуры являются не более чем ячейками для хранения и трубопроводом для конечного продукта почек — мочи.

Если разрезать почку пополам во фронтальной плоскости, то можно увидеть, что она состоит из нескольких разных структур.

Наши почки частично прикрыты нижними ребрами. Правая почка немного меньше левой и находится чуть ниже, поскольку над ней расположена печень. Каждая почка покрыта тонкой почечной капсулой, состоящей из фиброзной соединительной ткани. Даже с одной здоровой почкой человек может жить, хотя это и рисковано: вторая почка служит резервом или заменой первой, если по каким-то причинам та не сможет выполнять свою функцию.

Работа почек

Основная функция почек — фильтрация крови для поддержания постоянного уровня воды и солей в организме. Это жизненно важная функция, поскольку нарушение ионного баланса (калия, натрия и кальция) может крайне негативно сказаться на нервной и мышечной системах. Помимо этого, почки поддерживают правильный pH биологических жидкостей организма. Слишком кислая среда в биожидкостях увеличивает риск развития смертельно опасного ацидоза. Слишком щелочная среда способствует алкалозу, или щелочной интоксикации, которая приводит к поражению мышц и нервов. Поэтому при необходимости наши почки выделяют нужные ионы, отвечающие за кислотность и щелочность жидкостей, — ионы водорода и бикарбоната.

Это молекулярная структура мочевины — азотсодержащего продукта распада, образующегося в ходе белкового обмена веществ.

Будучи частью выделительной системы, почки избавляются от токсических и метаболических продуктов жизнедеятельности, к которым относятся мочевина (см. «Что делает печень» на стр. 253) и креатинин (продукт распада белковых молекул в мышцах). Подробнее о других функциях почек см. «Очень полезная система» на стр. 273.

На этой компьютерной томограмме видны корковый и мозговой слои, почечные чашки, ворота почки, центральная часть почки с впадающими/выходящими кровеносными сосудами, нервами и мочеточник.

Нефроны

Каждая почка содержит около миллиона крошечных структур под названием «нефроны». Сами нефроны состоят из двух частей: почечного тельца и канальца. По своему расположению нефроны делятся на корковые (кортикальные) и юкстамедуллярные.

Почечное тельце

Фильтрация происходит в сферических структурах, называемых почечными тельцами. В них содержится капиллярная сеть — почечные клубочки, которые выходят из приносящих (афферентных) артериол и сворачиваются в чашеобразную структуру — Боуменову капсулу. В почечном тельце создается огромное давление, из-за которого вода и растворенные в крови продукты жизнедеятельности отфильтровываются капиллярами через специальные поры и попадают в Боуменову капсулу — начало почечного канальца.

Нефрон является основной структурно-функциональной единицей почки и образует ее тканевый каркас.

Почечные клубочки

Эти капиллярные узлы формируют первичный капиллярный слой нефрона (всего их два). Клубочки образуют фильтрующую поверхность с площадью свыше 500 кв. см. Капиллярные стенки клубочков формируют подобие сита, которое пропускает небольшие молекулы (воду, соли, гормоны, глюкозу и водорастворимые витамины) в Боуменову капсулу и блокирует крупные молекулы (белки плазмы (альбумин) и клетки крови). Процеженная кровь выходит из клубочков через отводящие (эфферентные) артериолы, которые разветвляются на вторичное капиллярное русло, околоканальцевые капилляры и прямые сосуды. Далее кровь проходит по петле Генле и попадает в венозную систему.

У корковых нефронов более короткие петли Генле, чем у юкстамедуллярных.

Почечные канальцы

Боуменова капсула сужается, образуя проксимальный извитой каналец. Он окружен околоканальцевыми капиллярами и прямыми сосудами, которые реабсорбируют воду, питательные вещества и минералы из фильтрата в кровь. Эпителиальные клетки, выстилающие канальцы, содержат микроворсинки, которые увеличивают рабочую поверхность и повышают эффективность реабсорбции. Также в этих клетках присутствует много митохондрий — источников энергии, необходимой для транспортировки растворенных веществ против градиента концентрации.

При повороте вниз каналец образует нисходящее колено петли Генле. Здесь происходит активная реабсорбция воды в кровь, поскольку проницаемость канальца изменяется только для воды. Затем восходящее колено петли Генле переходит в менее активный дистальный извитой каналец, который попадает в собирательный проток.

Собирательные протоки

Собирательные протоки не являются частью нефрона; они собирают фильтрат из нескольких нефронов и определяют концентрацию мочи. Регулирует этот процесс гипофизарный антидиуретический гормон (АДГ), который увеличивает проницаемость стенок для воды и позволяет большему ее количеству реабсорбироваться в кровь. Этим и объясняется тот факт, что наша моча по утрам более концентрирована: в ночное время выделяется больше АДГ. Фильтрат (а теперь это уже моча) перетекает из собирательных протоков в почечные чашки, затем в почечную лоханку и выводится в мочеточник.

Вспомогательные органы

Покинув почки, моча проходит через вспомогательные органы мочевыделительной системы: два мочеточника, мочевой пузырь и мочеиспускательный канал. Длина последнего, кстати, у мужчин и женщин отличается.

Мочеточник

Эти тонкие мышечные трубки длиной около 30 см идут от ворот почек к задней части мочевого пузыря. Как перистальтика пищевода помогает проталкивать пищу, так и мочеточник проталкивает мочу под силой тяжести вперед в мочевой пузырь, используя для этого периодические сокращения и расслабления мышечных стенок. Мочеточники входят в мочевой пузырь под углом, или в наклонной полости, что помогает предотвратить отток мочи. Кроме того, пузырно-мочеточниковые клапаны в вместе соединения мочевого пузыря и мочеточника поддерживают однонаправленный ток мочи при наполнении мочевого пузыря.

Мужская мочевыделительная система.

Мочевой пузырь

Это полый орган с толстой мышечной стенкой, расположенный в малом тазу между прямой кишкой и лонной костью и прикрытый тонкой кишкой (и маткой у женщин). Изнутри мочевой пузырь покрыт складками, которые могут растягиваться и сужаться по мере его заполнения мочой. Средняя вместимость мочевого пузыря составляет 400–600 мл. При превышении данного объема активируются болевые и тензорецепторы и у нас возникает потребность опорожнить мочевой пузырь.

По мере наполнения мочевого пузыря детрузор расслабляется, а внутренний сфинктер мочеиспускательного канала сокращается.

Для слаженной регуляции деятельности мочевой пузырь использует произвольные и непроизвольные части нервной системы. Вегетативная нервная система управляет мышцей-детрузором в стенке мочевого пузыря и внутренним тканевым кольцом, называемым внутренним сфинктером мочеиспускательного канала. По мере накопления мочи симпатические нервы вегетативной нервной системы стимулируют смыкание внутреннего сфинктера и препятствуют сокращению мышц детрузора. Тензорецепторы в мышечных стенках подают сигнал, что пора опорожнить пузырь. Парасимпатические нервы стимулируют сокращение мышечного слоя, способствуя опустошению пузыря и расслаблению внутреннего сфинктера. Но опорожнение пузыря не выполняется без вашей команды, поскольку внешним сфинктером управляют двигательные нейроны соматической нервной системы. Мы учимся управлять этой мышцей в период приучения к горшку.

Увеличенная простата может блокировать прохождение мочи в мочеиспускательном канале и усиливать позывы к мочеиспусканию.

Мочеиспускательный канал

Эта выводная трубка мочевыделительной системы выходит из самой низкой точки мочевого пузыря, что позволяет избежать застоя мочи. Длина мочеиспускательного канала у женщин составляет около 4 см. Он расположен между клитором и влагалищем и выполняет единственную функцию — выведение мочи. У мужчин же мочеиспускательный канал может быть длиной около 20 см. Он проходит через предстательную железу (простату), расположенную под мочевым пузырем, и выходит наружу в половом члене. К счастью, эякуляция и мочеиспускание не могут происходить одновременно. Поскольку простата и мочевая система мужчин тесно связаны, частое мочеиспускание или слабая струя мочи часто являются ранним признаком увеличения простаты. В более тяжелых случаях, когда отверстие мочеиспускательного канала полностью перекрывается, требуется срочное медицинское вмешательство, поскольку этот симптом может привести к различным патологиям мочевыводящих путей.

Моча

Моча, малая нужда — это лишь часть названий, используемых для описания биологической жидкости, образованной из крови. Моча на 95 % состоит из воды. В остальных 5 % содержатся крошечные гидрофильные молекулы, которые могут оказаться либо безвредными и больше не нужными вам субстанциями, либо вредными соединениями, которые необходимо вывести из организма. По природе своей моча стерильна, а свой желтый цвет она получает от кишечных бактерий (см. «Желчь» на стр. 254–255).

А вы свою пьете?

Некоторые люди считают мочу напитком, поддерживающим здоровье, и превосходным тоником для кожи. Тем не менее пока что нет медицинских доказательств, что урофагия, то есть употребление собственной мочи, действительно полезна для здоровья. Здесь необходимо вспомнить о тех 5 % мочи, которые не являются водой, ведь в них могут содержаться отработанные продукты азотного обмена (мочевина, мочевая кислота и креатинин). Высокий уровень этих веществ может привести к заболеванию — азотемие. И хотя на первый взгляд избыток солей, гормонов и водорастворимых витаминов кажется совершенно безвредным, это приводит к нарушению критически важных процессов в организме.

В зависимости от объема потребляемой жидкости мы производим от 0,8 до 2 л мочи ежедневно. Объем, состав, запах и цвет мочи обусловлены многими факторами, включая объем выпитой жидкости, диету, уровень физической активности и температуру внешней среды. Соломенный цвет мочи указывает на здоровую мочевую систему. При недостаточном потреблении воды или других потенциальных проблемах моча приобретает темно-янтарный цвет. Моча имеет слабый запах, однако концентрированная или отстоянная моча может отдавать аммиаком. Различные пищевые пигменты (например, свекла) могут менять окрас мочи, а некоторые продукты (например, спаржа) придают ей характерный запах, хотя не каждый человек может это заметить.

ОЧЕНЬ ПОЛЕЗНАЯ СИСТЕМА

Мочевыделительная система не только отвечает за фильтрацию крови, но и выполняет ряд других полезных функций.

Активация витамина D.

Почки служат резервной областью по превращению витамина D из неактивной формы в активную (кальцитриол). Кальцитриол транспортируется в тонкий кишечник, где участвует в образовании белков, способных связываться с кальцием.

Производство эритроцитов.

Почки — это удвоенная эндокринная железа, выделяющая гормон эритропоэтин. Он стимулирует стволовые клетки в костном мозге на производство большего количества эритроцитов. Клетки почечных фибробластов крайне чувствительны к низкому уровню кислорода в крови, проходящей через почки.

Регуляция кровяного давления.

При низком артериальном давлении почки начинают вырабатывать специальный пептидный гормон — ренин (он же фермент ангиотензиногеназа), образующий ренин-ангиотензиновую гормональную систему, которая участвует в расщеплении белков и активации проферментов. Попав в кровь, ренин связывается с белком ангиотензиногеном (его вырабатывает печень) и расщепляет его с образованием ангиотензина I. В легких ангиотензин I расщепляется ангиотензинпревращающим ферментом до ангиотензина II, который отвечает за сокращение гладкомышечных стенок артериол и повышение кровяного давления. При понижении уровня натрия ангиотензин II стимулирует надпочечники на выработку гормона альдостерона, побуждающего дистальные почечные канальцы и собирательные протоки реабсорбировать больше ионов натрия в обмен на ионы калия. В результате происходит реабсорбция воды с последующим увеличением объема крови и артериального давления.

Реабсорбция кальция.

При понижении уровня крови гормоны паращитовидной железы стимулируют почечные канальцы к усиленной реабсорбции кальция.

В моче содержится множество веществ, которые есть в крови. Таким образом, анализ мочи является косвенным и неинвазивным методом проверки здоровья.

Почки вырабатывают активную форму витамина D — кальцитриол.

Глава 12. Инструменты для производства детей

Половая система

Половая система — это вторая система органов, ответственная за получение удовольствия. (Первая, конечно же, пищеварительная.) С эволюционной точки зрения это означает, что данная система играет ключевую роль не только в нашем существовании, но и в выживании всего человеческого вида. А поскольку самые важные функции (на уровне популяции) сопряжены с действиями, приносящими максимум удовольствия (на уровне индивида), то размножение, бесспорно, входит в группу лидеров.

Все мы экипированы специальным устройством по репродукции наших копий — запланированных или нет. Этот аппарат по созданию детей определяет наш пол и роль, которую мы сыграем при воспроизведении потомства. Но не все так просто. Гендерная идентичность, сексуальные предпочтения и трудности с фертильностью — вот несколько примеров щепетильных и крайне важных аспектов проблем, связанных с полом и размножением. Однако с точки зрения эволюции развитие нашего полового аппарата было направлено на достижение одной-единственной цели — слияния яйцеклетки со сперматозоидом.

Впервые такое слияние возможно после полового созревания, или периода пубертата, когда ребенок становится взрослым, а его половые железы и органы созревают. Половые железы, или гонады, иногда называют первичными половыми органами. В период полового созревания их стимулируют первые гонадотропные гормоны, которые вырабатывает гипофиз.

После активации половые железы начинают вырабатывать собственные гормоны, способствующие созреванию половых органов и развитию вторичных половых признаков, которые делают нас либо мужчинами, либо женщинами.

Большая метаморфоза

Мы превращаемся из ребенка во взрослого благодаря важнейшему физиологическому процессу — половому созреванию. Под чутким руководством гормонов оно вызывает физические и эмоциональные изменения, которые останутся с нами на всю жизнь. Период пубертата олицетворяет конец детства и начало нового приключения, полного проб и ошибок, радости и удовольствий.

Активаторы полового созревания

На протяжении многих веков точные факторы, запускающие процесс полового созревания, оставались загадкой. Современные исследования указывают на то, что набор веса и жировой массы может быть первым этапом пубертата. Это связано с теорией о том, что наше тело сначала должно достичь определенного базового веса. Тогда в организме будет достаточно ресурсов для дальнейших изменений. У мальчиков этот весовой порог значительно выше, поэтому их пубертатный период начинается немного позже. Считается, что как только лептин, вырабатываемый жировой тканью гормон (см. «Вторичные эндокринные органы» на стр. 235–236), достигает определенного уровня, гипоталамус активирует гипофиз и начинает выплескивать гонадотропин-рилизинг-гормон. Это запускает выброс лютеинизирующего гормона (ЛГ) и фолликулостимулирующего гормона (ФСГ) в кровь. Главной целью данных гормонов являются яички и яичники.

Это молекулярная 3D-структура ФСГ — гонадотропного гормона, чьи клетки-мишени — наши половые железы.

Скачок роста

Пубертатный период вызывает быстрый скачок в развитии, обусловленный выработкой гормонов роста из передней доли гипофиза. Гормон роста, или соматотропный гормон, стимулирует печень к выработке гормона — инсулиноподобного фактора роста 1 (ИФГ-1). Он запускает рост мышц и хрящей на эпифизарной пластинке длинных костей. В период полового созревания все процессы катализируются эстрогеном, который выделяется у обоих полов (но больше, конечно, у девочек) и способствует выработке ИФГ-1. Это, кстати, объясняет, почему в пубертатном периоде девочки растут быстрее мальчиков. Хрящевые клетки с эпифизарной пластинки вступают в стадию быстрого деления, выталкивая более старые клетки в центр. Эти клетки сплющиваются и затвердевают, постепенно вытягивая длинные кости на целых 7–10 см каждый год. Внезапно выросшие конечности смещают центр равновесия в организме и мозг должен успеть приспособиться, поэтому подростки бывают неуклюжи.

Физические изменения

Большая часть изменений, возникающих в период полового созревания, обусловлена полом. Но есть ряд общих изменений: рост волос на лобке и в подмышечных впадинах, а также появление акне из-за гормональной стимуляции сальных желез. Эти железы начинают выделять слишком много кожного сала, и им требуется какое-то время для того, чтобы найти баланс.

Этапы взросления — от младенчества к старости — сопряжены с рядом изменений, самые важные из которых происходят в период полового созревания.

По мере взросления наш организм претерпевает ряд изменений.

Мужское половое созревание

Начало пубертатного периода у всех разное, однако чаще всего мальчики начинают взрослеть в возрасте 9–12 лет и достигают самых важных изменений к 18 годам. Под действием ЛГ семенники начинают выделять в кровь тестостерон и другие андрогены. Эти гормоны наполняют организм «мужскими» веществами, ответственными за выработку сперматозоидов. Мальчики также вырабатывают эстроген, когда тестостерон под действием аромазы образует эстрогенные соединения.

Женское половое созревание

Пубертатный период у девочек, как правило, начинается к 8–11 годам, хотя эти временные рамки могут сдвигаться. В основном половое взросление девочек завершается к 15–19 годам. Под действием ЛГ и ФСГ яичники начинают вырабатывать прогестерон, включая тестостерон, который затем превращается в эстроген (у людей он называется эстрадиолом). Эстроген активно распространяется в организме и запускает ряд изменений, связанных с половым созреванием.

Особые изменения у мальчиков

Особые изменения у девочек

Мужская анатомия

Основное предназначение мужской половой системы состоит в выработке спермы и доставке ее в организм женщины. Все звучит предельно просто и, можно сказать, объясняет многое.

Яички

В процессе эмбрионального развития яички появляются в брюшной полости и постепенно перемещаются в свою конечную точку в мошонке. Каждое яичко обычно размером с перепелиное яйцо. Именно здесь вырабатывается сперма и выделяется в кровь тестостерон. Яичко состоит из семенных канальцев, стенки которых служат местом для производства спермы, или, говоря научным языком, сперматогенеза. В результате мейоза (см. стр. 36) и спермиогенеза (финальной стадии созревания) ежемесячно образуются миллиарды половых клеток. Каждый сперматозоид содержит ровно половину от общего количества хромосом — 23. Дело в том, что полный набор хромосом (46) образуется при оплодотворении яйцеклетки, в которой также содержится 23 хромосомы.

Мошонка расположена вне брюшной полости, чтобы яички поддерживали чуть более низкую температуру.

Растущие сперматозоиды питаются соседними клетками Сертоли, а клетки Лейдига вырабатывают гормон тестостерон. Незрелые половые клетки (сперматиды) перемещаются в центральную область семенных канальцев, или просвет. Эти молодые сперматозоиды неподвижны, поэтому они покидают яички только при сокращении канальцев и выталкивании половых клеток по направлению к придатку яичка.

На гистологическом срезе яичка видно множество семенных канальцев.

Придаток яичка состоит из крошечных и многократно сложенных трубочек. Если разложить эти трубочки в прямую линию, то их длина составит 6–7 м. Незрелые сперматозоиды хранятся в придатке яичка до созревания. Придаток яичка связан с семенными канальцами, которые проходят за мочевым пузырем и соединяются с семявыводящими канальцами, образуя семяизвергающий канал (см. рисунок на стр. 285). Кстати, при вазэктомии перерезаются именно семявыводящие канальцы. После эякуляции на восстановление «запасов» придатку яичка требуется около двух дней.

Семенная жидкость

В процессе эякуляции сперматозоиды проходят по семявыводящему каналу и смешиваются с жидкостью из семенных пузырьков, предстательной железы и бульбоуретральных, или куперовых, желез, образуя семенную жидкость. Все эти железы выделяют щелочную жидкость, которая повышает рН семенной жидкости для нейтрализации кислой среды женской половой системы. Кроме того, половые железы помогают активировать хвосты сперматозоидов и увеличить их подвижность.

Семенные пузырьки. Эта пара желез вырабатывает большую часть жидкостей, входящих в состав спермы. Семенные пузырьки вырабатывают желтоватую жидкость, которая помогает в перемещении спермы и содержит сахара (фруктозу), питающие сперматозоиды. Кроме того, семенные пузырьки вырабатывают особые вещества — простагландины, облегчающие движение сперматозоидов по женским половым путям. Протоки семенных пузырьков сливаются с семявыносящими, образуя семявыводящий проток, который проходит через предстательную железу и открывается в мочеиспускательном канале.

Половая клетка

Идеальная температура для развития сперматозоида в яичках — на 1,7 °C ниже нормальной температуры тела. В мошонке присутствуют специальные мышцы, которые прижимают яички ближе к телу, если им необходимо согреться. Когда становится слишком жарко, мошонка расслабляет свои кровеносные сосуды, позволяя теплу рассеиваться. Длина одного сперматозоида — 0,05 мм. В зрелом возрасте передняя часть головки сперматозоида, или акросома, приобретает ферменты, позволяющие ему проникать в яйцеклетку. Средняя часть сперматозоидов заполнена митохондриями, которые вырабатывают энергию, необходимую для движения к яйцеклетке. Концентрация сперматозоидов в придатке яичка — около 300 миллионов клеток на 1 мл. Но даже у мужчин без проблем с фертильностью не все сперматозоиды идеально развиты. Некоторые сперматозоиды могут содержать две головки, одну крупную или деформированную головку или несколько хвостов. Сперматозоиды с двумя головками не смогут проникнуть в яйцеклетку, а клетки с другими патологиями могут привести к выкидышу. Сперматозоиды, не выделенные с эякулятом, распадаются и реабсорбируются. Многие сперматозоиды выводятся с мочой.

Предстательная железа. Расположена в основании мочевого пузыря. Эта железа окружает мочеиспускательный канал и сокращается при эякуляции, выделяя в семенную жидкость свой молочно-белый секрет. Данный секрет разжижает семенную жидкость, облегчая движение сперматозоидов.

Бульбоуретральные железы. Эти парные железы размером с горошину выделяют прозрачную щелочную жидкость, которая нейтрализует в мочеиспускательном канале любой кислотный остаток мочи, способный повредить семенную жидкость.

Половой член

Говоря о мужских половых органах, многие люди обращают внимание именно на него. Причем размер полового члена может быть как предметом гордости, так и поводом для расстройства. Основная функция полового члена, или пениса, состоит в том, чтобы доставить сперму глубоко во влагалище (а еще он служит наружным органом для выделения мочи). Кроме того, половой член позволяет мужчинам получать удовольствие даже без сексуального партнера. И для многих мужчин утреннее пробуждение с полностью эрегированным пенисом служит признаком хорошего состояния эректильной ткани. Утренняя эрекция — это последствие ночных эрекций, которые, как полагают ученые, происходят в фазу быстрого сна (REM-фазу).

Половой член состоит из следующих частей.

Это изображение семенной жидкости под микроскопом. Здесь четко различимы головки и хвосты сперматозоидов.

Мочеиспускательный канал. Проходит по центру внутри полового члена. Это наружный канал для выведения мочи и спермы. Мочеиспускательный канал связан с мочевым пузырем через плотное мышечное кольцо, предотвращающее подтекание мочи. Семявыводящий проток и протоки семенных пузырьков открываются в мочеиспускательный канал рядом с местом, где он отходит от мочевого пузыря.

Головка. Это самая чувствительная часть полового члена, особенно по краям (венечная борозда).

Тело. Это основная часть полового члена. Она образована губчатой тканью — пещеристым и губчатым телами. Обе эти части при эрекции наполняются кровью. Длина тела пениса в состоянии покоя и эрекции различается, а также отличается у разных людей. В расслабленном (неэрегированном) состоянии полная длина полового члена составляет 6–12 см. Эрегированный пенис может достигать длины в 10–20 см.

Корень. Это основание полового члена, которое прикрепляется к паху.

Крайняя плоть. Это кожная складка, которая защищает головку полового члена при несексуальной активности. Иногда ее отсекают (во время обрезания). При эрекции крайняя плоть сдвигается. Кроме того, крайняя плоть вырабатывает естественную смазку — смегму, которая при нерегулярной гигиене образует творожистые выделения и способствует развитию воспаления.

Женская анатомия

Старинная английская поговорка гласит: «Мужчина работает от заката до рассвета, а женской работе нет конца». Это же можно сказать и о репродуктивных функциях, ведь женский вклад значительно больше. Женщина не только вырабатывает яйцеклетки для оплодотворения, но еще и несет ответственность за новую жизнь, зарождающуюся внутри нее. И готовиться к этой сложнейшей задаче тела девочек начинают заранее, поэтому пубертатный период у них наступает значительно раньше, чем у мальчиков.

Яичники

Это парные овальные структуры, расположенные с обеих сторон матки и зафиксированные с помощью эластичных связок. Длина яичников не превышает 3 см, а толщина — 1 см. Яичники служат местом созревания яйцеклеток, или плодных яиц, до их высвобождения в период овуляции.

Женская половая система расположена глубоко внутри тела.

В яичниках содержится около миллиона зародышевых яйцеклеток — этого количества женщине хватает на всю жизнь. Процесс создания яйцеклеток называют овогенезом, который включает в себя мейотическое деление половых клеток — гамет (см. «Мейоз» на стр. 36). В результате овогенеза в каждой яйцеклетке сохраняется половина от общего набора хромосом.

Обычно при овуляции одна яйцеклетка созревает и выводится из яичника.

Второе мейотическое деление полностью завершается в момент оплодотворения. Поскольку овогенез начинается в женском зародыше еще до рождения, то женщина, беременная девочкой, участвует в образовании яйцеклеток и для рождения внуков. Количество яйцеклеток в женских яичниках с годами уменьшается. К тому моменту, когда девушка достигает половой зрелости, в ее яичниках остается около 500 000 яйцеклеток. Кроме того, яичники выполняют роль эндокринных органов. Они выделяют женские половые гормоны прогестерон и эстрогены. Оба этих гормона поддерживают рост маточной стенки при подготовке к возможной беременности. Яичники также выделяют небольшое количество тестостерона, который стимулирует половое влечение.

Влагалище

Если в мужских половых органах главным является половой член, то его женским эквивалентом по праву должен считаться клитор. Но в массовой культуре пальму первенства отдают влагалищу, поскольку издавна секс рассматривали с точки зрения мужчин и их полового удовлетворения от стимуляции полового члена влагалищем. При этом считается, что главная эрогенная зона у женщин расположена в передней стенке влагалища. Здесь находится точка G, или точка Графенберга, хотя ее существование признают не все ученые, а точное расположение весьма индивидуально.

Наружные половые органы

Влагалище — это проводящий путь в матку. Чтобы покрыть половой член, размер влагалища обычно составляет две трети от длины члена. Мышечные и фиброзные стенки влагалища выстланы сморщенным плоскоклеточным эпителием, который расправляется и расширяет влагалище во время полового акта и родов.

Матка

Матка, или утроба, имеет форму небольшой перевернутой груши. Верхняя часть матки называется корпусом, или телом, а нижняя часть — шейкой. Матка расположена в тазовой области, в непосредственной близости от мочевого пузыря. Она удерживается на месте за счет соединительно-тканных тяжей и связок, а поддерживается мышцами тазового дна. В обычном состоянии матка — эта полая структура. Исключение составляет период беременности, когда матка многократно расширяется, чтобы вместить плод. Матка состоит из внутреннего слоя (эндометрия) и мышечного слоя (миометрия). Миомы — это наросты мышечной и фиброзной тканей, вызванные эстрогеном. Они могут появляться как внутри матки, так и на ее стенках. Как правило, миомы — это неопасные и бессимптомные образования. Но иногда они могут превращаться в чрезвычайно болезненные и изнуряющие опухоли, а в худшем случае способны негативно повлиять на способность к зачатию и вынашиванию плода.

Шейка матки

Длина шейки матки составляет около 2,5 см. Нижняя часть шейки, эктоцервикс, открывается во влагалище, и ее отверстие прощупывается как точечная ямка. Эктоцервикс вырабатывает дополнительное оружие против бактерий — антитела, поскольку маточные трубы обеспечивают прямой доступ к брюшной полости. Железы в эндоцервиксе вырабатывают слизь.

Эндометриоз — это тяжелое заболевание, возникающее при появлении эндометриальной ткани на внематочных структурах.

При наступлении овуляции объем, консистенция и pH слизи меняются, чтобы помочь сперматозоидам проникнуть в матку. Клетки, выстилающие шейку матки, проверяют на различные аномалии с помощью цитологических мазков, также называемых мазками Папаниколау. Эти клетки уязвимы для вируса папилломы человека, который увеличивает риск развития рака шейки матки.

Маточные трубы

Эти отростки с каждой стороны тела матки похожи на длинные руки с тонкими лепесткообразными пальцами — бахромками, соединенными с каждым яичником. Перед овуляцией эти бахромки набухают и мягко укутывают яичник, обхватывая яйцеклетку, которая выводится в брюшную полость, и отправляя ее в маточные трубы.

Хорошие и плохие бактерии

Влагалище выделяет кислый секрет, который может навредить сперматозоидам. Этот же низкий pH предотвращает рост болезнетворных бактерий, поскольку влагалище располагается близко к анусу и служит прямой дорогой внутрь организма. Но не все бактерии опасны, и во влагалище поддерживается баланс хороших и плохих бактерий. Нарушение этого баланса (например, при подмывании водой или очищающими средствами) может привести к разрастанию анаэробных бактерий и дрожжевых грибков, которые, как правило, присутствуют во влагалище в незначительном количестве. Это может привести к бактериальному вагинозу — воспалительному процессу, сопровождающемуся сильным рыбным запахом, или более распространенным грибковым инфекциям, которые могут возникать просто при изменении гормонального фона или приеме некоторых лекарственных средств.

Молочницу вызывает дрожжеподобный грибок Candida albicans.

Менструальный цикл

В жизни каждой женщины овуляции и менструации проходят от 300 до 400 раз. Начинается все с того, что фолликулостимулирующий гормон (ФСГ) активирует созревание нескольких спящих фолликулов в одном из яичников.

Раз в месяц организм женщины готовится к возможному наступлению беременности. На протяжении примерно 28 дней женские репродуктивные органы проходят через ряд слаженных изменений, управляемых гормонами из гипофиза. Точная длина менструального цикла зависит от особенностей образа жизни и самого организма, а в некоторые месяцы может сокращаться или удлиняться.

Созревание яйцеклетки

Несмотря на то что гонадотропные гормоны работают в паре, за стимуляцию созревания яичниковых фолликулов отвечает в основном ФСГ. Яичниковый фолликул представляет собой мешок, заполненный жидкостью, в котором хранится незрелое яйцо, или яйцеклетка. Активированные фолликулы начинают вырабатывать эстроген, подготавливающий полость матки к возможной беременности. Как правило, в каждом менструальном цикле активно созревает и развивается лишь одна яйцеклетка. Оставшиеся фолликулы реабсорбируются внутри организма. Это основной канал потери яйцеклеток. Было подсчитано, что каждый месяц женщина теряет до 1000 фолликулов, и эта цифра с возрастом увеличивается. Менструальный цикл прекращается, когда фолликулы не могут вырабатывать достаточно эстрогена, и у женщины начинается менопауза.

Овуляция

Уровень эстрогена достигает своего пикового значения в середине менструального цикла. Тогда гипофиз начинает хаотично высвобождать ЛГ и ФСГ. Всплеск уровня ЛГ приводит к разрыву фолликула и высвобождению яйцеклетки (в течение последующих 24 часов). Этот всплеск ЛГ как раз и отслеживают тесты на овуляцию. Затем яйцеклетка попадает в маточную трубу, где определяется ее дальнейшая судьба.

Менструация

Когда происходит оплодотворение, менструальный цикл приостанавливается до рождения ребенка и окончания грудного вскармливания. Если оплодотворения не происходит, то яйцеклетка выводится наружу вместе с утолщенной оболочкой матки. Менструальная жидкость представляет собой сочетание крови и тканей эндометрия. Она смешивается с влагалищным секретом и цервикальной слизью и выводится из организма примерно за пять дней. Женщины с умеренными выделениями теряют в среднем по 6–8 чайных ложек менструальной жидкости за каждый цикл.

Больше разъяснений

Довольно иронично, что слово менструация начинается с men (англ. «мужчины»). А мужчины, как известно, часто испытывают неловкость во всем, что связано с менструацией, и считают ее сокровенной тайной всех женщин. Сами женщины зачастую видят в менструации именно проблему и стараются избегать любых разговоров о ней, чтобы не попасть в неловкую ситуацию. Менструация — это неудобный и грязный процесс, который к тому же может сопровождаться сильными болями. Все это требует активной разъяснительной работы для обоих полов, чтобы привлечь внимание к самому естественному процессу организма и избавиться от окружающего его негатива.

Простагландины — особые вещества, выделяемые клетками эндометрия, — сужают кровеносные сосуды в стенке матки, в результате чего утолщенная часть полости матки лишается кислорода и питательных веществ (ишемия) и умирает. Также простагландины вызывают сокращение мышц матки, которые позволяют вытолкнуть наружу ишемический слой тканей и способны вызвать болезненные менструальные спазмы. Первым днем цикла считается появление первой менструальной крови.

Мальчик встречает девочку

Сексуальное влечение между мужчиной и женщиной часто является первым шагом к размножению. Конечно, экстракорпоральное (ЭКО) и искусственное оплодотворение показывают, что новую жизнь можно зародить и иначе. Однако традиционный способ является самым распространенным методом для продолжения рода.

С сексуальным влечением приходит и сексуальное возбуждение, при котором наружные половые органы мужчины и женщины наполняются кровью. Половое возбуждение у мужчин начинается в тот момент, когда артерии в половом члене начинают расширяться по команде, заполняя две губчатые трубки (пещеристое тело) кровью и уплотняя его. Вены в половом члене сжимаются, препятствуя оттоку крови из его тела. При женском половом возбуждении влагалище выделяет специальную смазку, облегчающую проникновение полового члена. Во время полового акта половой член, клитор и влагалище ритмично взаимодействуют друг с другом, стимулируя сенсорные рецепторы половых органов обоих партнеров до оргазма.

Оргазм

У мужчин оргазм сопровождается эякуляцией спермы, в которой содержатся миллионы сперматозоидов на 1 мл эякулята. Концентрация сперматозоидов ниже 15 миллионов на 1 мл, или 40 миллионов на 1 эякулят, считается низкой. Объем эякулята колеблется от 2 до 5 мл. Оргазм у женщин наступает, когда в мозг отправляются особые сигналы из клитора, заставляющие шейку матки опускаться, а влагалище сокращаться и сжиматься вокруг полового члена. Это сделано для того, чтобы в женские половые пути попадало максимальное количество сперматозоидов.

Оплодотворение (зачатие)

Каждый сперматозоид, оказавшийся во влагалище, участвует в главной гонке своей жизни. Лишь те сперматозоиды, которые способны противостоять остаточной кислотности и физическим барьерам (шейке матки), попадают в тело матки и проходят по маточным трубам. Здесь оставшиеся сперматозоиды должны проплыть против течения, создаваемого мерцательным эпителием маточных труб, навстречу выталкиваемой яйцеклетке. Сперматозоид попадает в яйцеклетку благодаря химическим веществам, выделяемым самой клеткой. Яйцеклетка живет 12 часов с момента своего отделения, поэтому время имеет решающее значение. Несколько сперматозоидов, достигших яйцеклетки, пытаются пройти через ее наружную оболочку и оказаться в гликопротеиновом слое — блестящей оболочке. Присоединение к блестящей оболочке способствует высвобождению ферментов из акросомы сперматозоида, благодаря чему он попадает внутрь клетки. Как только этот успешный сперматозоид проникает в яйцеклетку, происходит особое событие — кортикальная реакция: гранулы, выстилающие внутреннюю поверхность блестящей оболочки, выделяют ферменты, которые «сшивают» и запечатывают поверхность оболочки, не давая другим сперматозоидами туда проникнуть. Исследования показали, что этот момент оплодотворения характеризуется увеличением содержания кальция в яйцеклетке, что вызывает выброс цинка. Эта вспышка была зафиксирована камерой и получила название «цинковая искра».

Зигота

При слиянии ядра сперматозоида и яйцеклетки образуется зигота. Хвост сперматозоида, в котором содержатся митохондрии, остается снаружи, поэтому зигота получает митохондрии и цитозол из материнской яйцеклетки, чем и объясняется тот факт, что все наши митохондрии идентичны материнским. Это полезное открытие дает возможность отследить наше генеалогическое родство с помощью материнской митохондриальной ДНК.

От зиготы к эмбриону

До сих пор не угасают ожесточенные нравственные и этические споры о том, что именно считать началом жизни: момент зачатия или момент рождения. С научной точки зрения новая жизнь начинается в момент зачатия (оплодотворения).

Дробление зиготы

По мере продвижения по маточной трубе зигота делится путем митоза. Она расщепляется на две идентичные клетки и продолжает движение по той же траектории, пока не образует шаровидное скопление клеток под названием «морула». Примерно за день образуется полость, заполненная жидкостью. Из нее формируется амниотический мешок. Этот мешок превращает морулу в бластулу, состоящую из двух слоев: внешнего, из которого образуется плацента, и внутреннего, который превращается в эмбрион. К этому моменту бластула достигает матки. Перед тем как прикрепиться к маточной стенке, бластула должна избавиться от блестящего слоя, поэтому она как бы «вылупляется», разрушая этот белковый слой.

Зигота многократно делится и затем превращается в бластулу.

Желтое тело

После наступления овуляции фолликулы яичника, в которых находилась созревающая яйцеклетка, превращаются в кистозную структуру, называемую желтым телом. Желтое тело вырабатывает гормон прогестерон (и немного эстрогена), который уплотняет стенки матки и приспосабливает ее для принятия и поддержки эмбриона. Если же оплодотворения не происходит, то желтое тело перестает вырабатывать прогестерон, его оболочка разрушается, и наступает менструация. На желтом теле остаются рубцы, из-за чего у яичников взрослой женщины бугристая форма. При появлении эмбриона желтое тело продолжает вырабатывать прогестерон до тех пор, пока не сформируется плацента.

Имплантация

Период от зачатия до имплантации в стенку матки, или эндометрий, составляет около 4–6 дней. При внедрении зародыша в стенку матки повреждаются крошечные кровеносные сосуды, из-за чего их полость деформируется, вызывая небольшое кровотечение или мажущие выделения за пару дней до начала менструации. Иногда это служит ранним признаком наступления беременности. Однако имплантационные кровотечения происходят не всегда.

Имплантированная бластула входит в фазу гаструляции примерно через две недели после оплодотворения. В ходе гаструляции образуются три зародышевых слоя (листка).

Гаструляция

Первые несколько недель до формирования плаценты зародыш получает большую часть питательных веществ из эндометрия. В это время происходит гаструляция: однослойное скопление клеток становится многослойным. Этот процесс обусловлен включением одних генов и выключением других. Гаструляция закладывает основу для формирования органов и структур, которые развиваются из трех зародышевых слоев.

Эктодерма (внешний слой) образует нервную систему и большую часть покровной.

Мезодерма (средний слой) образует опорно-двигательную, кровеносную и лимфатическую системы, соединительную ткань и мочеполовую систему.

Энтодерма (внутренний слой) образует большую часть пищеварительной системы, клетки, выстилающие дыхательные пути, и различные железы.

Растущий плод

Пока что нет единого мнения о том, в какой момент эмбрион становится плодом. Примерно на 8–9-й неделе после зачатия в эмбрионе уже заложены основы для формирования базовых органов и структур и сам он получает статус плода. В течение последующих месяцев эти органы принимают свою форму и увеличиваются в размерах.

Плацента

Плацента — это временный орган, который позволяет плоду получать питательные вещества из крови матери через пуповину. Плацента делится между матерью и плодом, и они оба ее контролируют. По сути плацента — это пучок кровеносных сосудов, которые выходят из зародыша и переплетаются с сосудами эндометрия. Основные питательные вещества из организма матери (кислород, аминокислоты, витамины и глюкоза) заменяются отходами жизнедеятельности плода, а сама кровь матери и плода не перемешивается. В противном случае иммунная система матери распознала бы плод как не-свое и начала бы его отторгать.

Ультразвуковое сканирование растущего плода позволяет врачам следить за развитием ребенка.

Кроме того, плацента является основным эндокринным органом, вырабатывающим хорионический гонадотропин человека (ХГЧ), который появляется в крови на 3–4-ю неделю беременности. ХГЧ поддерживает желтое тело на ранней стадии беременности и помогает ему выделять прогестерон. Именно ХГЧ отслеживают тесты на беременность.

Развитие плода

1-й триместр

Месяцы 1–2-й.

Прослушивается сердцебиение. Формируются зачатки конечностей, начинают отделяться фаланги. Образуется нервная трубка, из которой затем разовьется центральная нервная система.

Месяцы 2–3-й.

Мочевая и кровеносная системы уже функционируют, а отходы жизнедеятельности попадают в кровь матери через плаценту. К концу третьего месяца закончено формирование всех органов, а риск выкидыша уменьшается.

2-й триместр

Месяцы 4–5-й.

К концу 4-го месяца полностью сформированы половые органы. Плод способен двигаться, и эти движения ощутимы (шевеление).

Месяцы 5–6-й.

Ребенок может реагировать на шумы. Он покрыт пушковыми волосами и белой сыровидной смазкой, защищающей кожу плода.

3-й триместр

Месяцы 7–8-й.

Если плод рождается в конце 7-го месяца, то его шансы на выживание довольно высоки. Ребенок уже различает свет и темноту, а также улавливает запах матери.

Месяцы 8–9-й.

В утробе матери полностью развиваются легкие. Ребенок начинает меньше двигаться из-за того, что ограничен в пространстве. Его головка опускается в таз, готовясь к рождению.

Амниотическая жидкость

В амниотическом мешке плод окружен амниотической жидкостью. Ее цель — амортизация растущего эмбриона, или плода, а также участие в обмене питательными веществами между матерью и плодом. Также она обладает антибактериальными свойствами и защищает плод от микробов. Вначале амниотическая жидкость представляется собой фильтрат материнской плазмы и состоит из воды, электролитов, гормонов, витаминов, углеводов и липидов. После 10-й недели в ней уже присутствует моча плода.

Изменения в теле матери

Во время беременности мать меняется и физически, и психологически. Она подвергает риску свое здоровье, чтобы приспособить его под потребности другого. Выделяемые плацентой гормоны, к которым относятся прогестерон и эстроген, стимулируют изменения, необходимые для поддержания беременности.

Волосы. Под действием гормонов беременности они находятся в анагенной фазе роста (см. параграф «Рост волос» на стр. 71–74) значительно дольше.

Грудь. Эта структура начинает меняться одной из первых в организме. Эстроген стимулирует увеличение груди, а прогестерон полноценно развивает молочные железы. Соски также увеличиваются в размерах.

Сердце. Сердце работает еще интенсивнее, управляя дополнительным объемом жидкости и крови, который увеличивается на 30 % и более. Опухшие лодыжки, руки, ступни и лицо — это временные изменения. Чтобы удовлетворить потребности плода в оксигенации (насыщении кислородом), в организме матери увеличивается сначала частота сердечных сокращений и пульс, а затем — частота дыхания. Также у матери может развиваться варикоз, поскольку растущая матка начинает давить на нижнюю полую вену — главный сосуд, переносящий кровь от нижних конечностей к сердцу.

Желудок. Растущий плод подталкивает внутренние органы вверх, из-за чего желудок прижимается к диафрагме. Это приводит к частым приступам кислотного рефлюкса, или изжоги, и периодическим громким отрыжкам. Появляется утренняя тошнота. Из-за изменения уровня ХГЧ, особенно в первом триместре, тошнота может возникать в любое время суток. Считается, что особые предпочтения в еде обусловлены нехваткой определенных питательных веществ, необходимых плоду.

Мочевой пузырь. Растущий плод сдавливает мочевой пузырь, из-за чего он быстро заполняется, что приводит к более частым посещениям туалета.

ВЫСОТА ДНА МАТКИ

Для определения срока беременности используют такой показатель, как высота дна матки, то есть расстояние от лобковой кости до самой высокой части матки. В период с 16-й по 36-ю неделю беременности расстояние в сантиметрах довольно часто соответствует количеству недель беременности. Медицинские специалисты записывают этот показатель и используют, чтобы отслеживать рост плода и амниотической жидкости.

Кожа.

Из-за ослабленных коллагеновых и эластиновых волокон и стремительного набора веса кожа начинает растягиваться.

Таз.

На поздних сроках беременности плацента начинает выделять гормон релаксин, который расслабляет тазовые связки, расширяет кости таза, а также смягчает и раскрывает родовой канал, подготавливая его к деторождению.

Боли в спине.

Это распространенный симптом, проявляющийся по мере развития плода. Боли в спине вызваны тем, что центр тяжести у матери смещается вперед, что создает дополнительную нагрузку на мышцы и суставы нижних отделов позвоночника, когда женщина прогибается назад, чтобы выровнять вес.

К концу беременности высота дна матки становится менее точным показателем размера ребенка.

С днем рождения

В день нашего рождения матери испытывают самую невыносимую боль. Для большинства женщин радость от того, что они видят своего ребенка и могут взять его на руки, затмевает каждую минуту пережитой боли.

Роды

Роды — это тяжелый труд, ведь для того чтобы вытолкнуть ребенка, матери приходится усердно поработать. Этот процесс может продолжаться от нескольких часов до нескольких дней. Никто не знает точно, почему, но в период с 39-й по 40-ю неделю беременность достигает своего пика и начинаются роды. Причем чем больше детей родила женщина, тем раньше может наступить этот срок.

Через 5 минут после рождения пуповину пережимают и отрезают.

Роды у каждой женщины уникальны, и не бывает двух одинаковых. У некоторых рожениц наступает момент, когда они уже устали и просто хотят, чтобы малыш вышел наружу, с максимальной дозой обезболивания — в ход идут замысловатые планы родов и крепкие выражения, обычно в адрес тех, кто сделал их беременными. Для других женщин роды становятся умиротворяющим и духовным опытом, проходящим в атмосфере расслабляющей музыки и теплой воды бассейна для родов.

Грудное вскармливание

Новорожденный инстинктивно ищет сосок матери, поэтому гипофиз матери сразу же выделяет гормоны пролактин и окситоцин, которые запускают процесс лактации. Грудное молоко — лучший источник для быстрого роста, ведь оно богато питательными веществами и содержит все жидкости и энергию, необходимые для выживания младенца в течение первых 4–6 месяцев жизни. В таком молоке содержатся полезные бактерии, антитела и иммунные клетки. Кроме того, оно богато сложными олигосахаридами, которыми питается полезная кишечная флора бифидобактерий. Эти микробы выстилают слизистую оболочку кишечника новорожденного и предотвращают рост вредных бактерий. Все это обеспечивает необходимый уровень защиты для развития иммунитета ребенка. К плюсам грудного вскармливания для матери относят похудение в результате расщепления жиров в организме и снижение риска рака молочной железы.

Глава 13. Взгляд в будущее

Анатомия XXI века

Неужели последние технологические разработки в области анатомии позволят отказаться от оперативных вмешательств и вскрытий? Это настоящий кошмар для определенных работников медицины. Вне зависимости от того, являетесь вы приверженцем технологий или их противником, одно ясно наверняка: такие компьютерные разработки уже существуют, но они должны оставаться только вспомогательными инструментами и использоваться исключительно для образовательных или поддерживающих целей.

На протяжении веков необходимость в физическом осмотре пациентов для постановки диагноза снижалась. Это стало возможно благодаря развитию диагностической визуализации, которая быстро превратилась в жизненно важный инструмент в предоперационной, диагностической и исследовательской работе. Использование компьютерных технологий в медицине поспособствовало разработке 3D-печати, которая позволяет реконструировать довольно точные модели внутренних органов и систем на основе рентгенографических снимков. Такие технологии предоставляют врачам и хирургам возможность увидеть полную картину наших анатомических особенностей и дают время на разработку следующего шага. Достичь всего этого в операционной было бы невозможно.

Кроме того, теперь студенты могут получать подсказки от компьютера и обучаться с помощью мультимедийных 2D- и 3D-приложений, пластинатов и симуляторов виртуальной реальности. И чем выше будет разрешающая способность медицинских технологий, тем лучше мы сможем распознать сложную морфологию и тонкую грань между здоровыми и больными тканями.

Пока что наноботы существуют только на бумаге, но технологии не стоят на месте.

Медицинская наука не стоит на месте. Она учится распознавать болезни на наноуровне, и в этом ей помогают крошечные (размером в одну миллиардную часть метра) частицы и устройства, позволяющие обнаруживать структуры на уровне отдельных белков и клеток. Наномедицина действительно существует: с помощью наночастиц врачи доставляют лекарственные препараты в раковые клетки.

Не забываем про анатомирование

Новые технологии меняют и само направление обучения. Раньше студенты собирались вокруг преподавателя в секционном зале (анатомическом театре) и наблюдали за процессом вскрытия, обсуждая увиденное. Этот пассивный подход к изучению топографической анатомии называют анатомированием, или вскрытием. Со сравнительно недавним появлением консервирующих средств вроде формальдегида студенты получили возможность проводить вскрытия самостоятельно. Для этого лаборанты должны были обладать достаточными навыками, чтобы успеть провести препарирование тела до начала его разложения.

Новые технологии

3D-гистология.

Эксперты разрабатывают компьютерные 3D-модели тканей, используя для этого оптически созданные наборы тканевых срезов. Ученые создают такие снимки, собирая различные 2D-изображения (срезы) и выкладывая их друг на друга. Полученный трехмерный набор данных позволяет лучше понять пространственные отношения между клетками и структурами в тканях. По сравнению с традиционным использованием физических образцов это менее трудоемкий процесс. Кроме того, 3D-гистология позволяет увидеть целостную ткань, не деформированную повреждениями.

Симуляторы виртуальной реальности.

Это место, в котором виртуальная реальность позволяет очутиться рядом с отсканированными или смоделированными на компьютере трупами. Такие симуляторы помогают студентам и практикующим специалистам получить доступ к предельно точной, многомерной и послойной копии человеческого тела. Реалистичные симуляции дают возможность попрактиковаться на компьютерных моделях до того, как перейти к работе с настоящими пациентами или препаратами.

Мультимедийные онлайн-ресурсы в 3D.

Современные анатомические программы снабжены реалистичными 3D-изображениями органов и систем в теле человека. Все изображения дополнены анимацией, видео, инструкциями, теоретической информацией и примечаниями.

У современных студентов есть доступ к компьютерным технологиям и усовершенствованным симуляторам, поэтому они могут изучать анатомию с помощью множества цифровых платформ, снабженных теоретическими и практическими материалами, а также разнообразными препаратами. Но здесь не обошлось и без опасений, что новые технологии сократили время практического изучения анатомии в секционном зале и заменили его эмпирическим изучением зональных препаратов. Считается, что такая смена парадигмы может негативно повлиять на практические навыки врачей, хирургов и специалистов смежных профессий, поскольку такой опыт напрямую связан с клинической практикой. Ряд беспокойств вызывает и то, что преподавание анатомии заменяют изучением более молекулярных дисциплин, а современный научный анализ делает акцент на упрощенном подходе.

Сборная солянка

Нет никаких сомнений, что начинающие медицинские специалисты в хирургии или смежных областях должны иметь опыт в препарировании. Это придаст им большую уверенность, поскольку, видя настоящие патологии в реальных органах и тканях, специалисты-медики смогут точнее ставить диагноз. На практике такой смешанный подход, объединяющий традиционные методы преподавания с современными технологиями и групповой работой, помогает наладить контакт и выстроить командную работу. А это лучший способ преодолевать трудности в обучении.

В доклинический период обучения необходимо освоить азы анатомического вскрытия. Медицинским специалистам и стажерам в хирургии следует изучать препарирование на более детальном уровне.

Редуктивный подход, основанный на дорогостоящих технологиях, ставит перед студентами трудную задачу. Теперь чтобы понять, как влияют друг на друга процессы и структуры внутри организма, потребуется перенести все знания на системный уровень. Нельзя забывать и о том, что симуляторы виртуальной реальности и мультимедийные 3D-ресурсы не способны заменить традиционные методы работы, поскольку в большинстве моделей используются структуры и органы стандартных форм и размеров. Следовательно, такие модели не способны объяснить разнообразие морфологических вариантов, которое естественно возникает внутри популяции. Этому можно научиться только на примерах из реального мира (подробнее см. параграф «Анатомические варианты» на стр. 316–319).

Восстановление баланса

В мире, в котором мужчинам дается больше возможностей для выполнения различных задач, анатомия не стала исключением.

Конечно же, нельзя приуменьшать ценный вклад, который мужчины внесли в наше понимание внутреннего устройства человека. Ведь это они были теми врачами, которые первыми разработали научные теории или начали тестировать их на практике. Однако нельзя забывать и о том, что сам процесс получения знаний изначально был смещен в сторону мужчин. Исторически сложилось так, что анатомию преподавали в основном на трупах мужчин. В Великобритании это было следствием «Закона об убийстве», принятого в 1772 году. Женщин редко осуждали за убийство, и потому их тела анатомировали только в очень особых случаях.

Доброта незнакомцев

Прошло то время, когда для вскрытия трупа не требовалось согласия его «владельца». В 2004 году «Акт об анатомии», принятый в Великобритании в 1832 году, заменили «Актом о тканях человека». В США подобные меры регламентировались унифицированным «Актом об анатомическом даре», в котором оговорено, что использование трупа возможно только при наличии согласия, данного до смерти. Получается, что анатомические вскрытия не были бы возможными без доброты незнакомцев, которые из любви к человечеству и истинного альтруизма завещали самое ценное — свое тело — медицинской науке. Мы должны почитать эти личные жертвы, на которые люди пошли ради того, чтобы помочь нам понять, насколько удивительным инструментом является человеческое тело.

Но если главные отличия между мужчинами и женщинами заключаются только в половой системе, которую детально исследовали у обоих полов, то в чем проблема? Дело в том, что мужчины и женщины различаются не только половыми органами и тканью молочной железы, но и строением опорно-двигательной системы, а также гормональными и генетическими факторами, влияющими на здоровье.

В учебниках по медицине и анатомии все чаще встречаются иллюстрации женского тела.

Использование мужского тела как стандарта вызывает ряд важных вопросов, и не только по анатомии.

Чаще всего клинические испытания новых лекарств на ранних стадиях проводятся на добровольцах мужского пола — из-за резонных опасений, что женщина может не знать о своей беременности или что экспериментальные лекарства смогут повлиять на фертильность в дальнейшем (у мужчин новые сперматозоиды вырабатываются постоянно). Именно поэтому клинические данные искажаются в пользу мужчин. Благодаря появлению современных программ, специально разработанных для женского здоровья, этот гендерный перевес постепенно снижается.

Доброта незнакомцев

Прошло то время, когда для вскрытия трупа не требовалось согласия его «владельца». В 2004 году «Акт об анатомии», принятый в Великобритании в 1832 году, заменили «Актом о тканях человека». В США подобные меры регламентировались унифицированным «Актом об анатомическом даре», в котором оговорено, что использование трупа возможно только при наличии согласия, данного до смерти. Получается, что анатомические вскрытия не были бы возможными без доброты незнакомцев, которые из любви к человечеству и истинного альтруизма завещали самое ценное — свое тело — медицинской науке. Мы должны почитать эти личные жертвы, на которые люди пошли ради того, чтобы помочь нам понять, насколько удивительным инструментом является человеческое тело.

Неизвестные герои

Тщательно анализируя анатомическую науку в западной медицине, нельзя не упомянуть о значимом вкладе женщин и меньшинств. Особенно в периоды, когда социальные нормы и структуры ограничивали их возможности проявить себя. Те же, кто смог преодолеть эти барьеры, заслужили особое упоминание, ведь они не просто развенчали мифы, стереотипы и фальсификации, но и послужили источником вдохновения для будущих поколений анатомов из вышеперечисленных групп.

Выставки «Тайны тела. Вселенная внутри» популяризировали анатомию, изобразив мертвые тела — экспонаты — в повседневных позах.

Некоторые ученые утверждают, что первой женщиной-анатомом в Западном полушарии была итальянка Алессандра Джилиани (1307–1326 гг.), но исторические доказательства ее существования весьма ограничены. Считается, что она получила медицинское образование в Болонском университете (что было необычно для того времени) под руководством профессора Мондидо де Лиуцци. Будучи его помощницей, Джилиани подготавливала трупы для вскрытия. Если верить источникам, она была необычайно одаренным подростком и смогла разработать собственную методику слива крови для наглядного изображения системы кровообращения.

Восковые модели Анны Моранди Манцолини использовались для преподавания анатомии.

В XVIII веке в анатомических кругах получила известность другая итальянка. В 20 лет Анна Моранди Манцолини (1716–1774 гг.) вышла замуж за Джованни Манцолини — профессора анатомии в Болонском университете, и в течение следующих пяти лет родила ему шестерых детей. После того как Джованни заболел туберкулезом, Анне Моранди разрешили читать лекции вместо него. Чтобы изучать анатомию, Анне Моранди пришлось преодолеть свой страх анатомирования, с чем вначале ей помогал муж. Знания и умения женщины-анатома росли в геометрической прогрессии. После смерти ее мужа в 1755 году университет официально сделал Анну Моранди полным профессором. Она преуспела в изготовлении необычайно точных анатомических моделей из воска, которые прославились на всю Европу.

Джеймс МакКьюн Смит

Считается, что Джеймс МакКьюн Смит (1813–1865 гг.) был первым американским врачом африканского происхождения, получившим высшее образование. Он был рожден рабом, и медицинские университеты Америки отказывали ему в поступлении по расовому признаку, поэтому Смит переехал в Соединенное Королевство. Там он поступил в Университет Глазго в Шотландии, а в 1837 году получил высшее медицинское образование, набрав высший балл. В 1843 году Смит прочитал серию лекций, критикующих псевдонаучную практику френологии, в которой сравнивали анатомию и физиологию различных рас, а людям африканского происхождения приписывали уничижительные признаки, оправдывающие дискриминацию. Несмотря на успешную медицинскую карьеру, считается, что Смита так и не приняли в местные и национальные медицинские ассоциации. В 2020 году Университет Глазго завершил строительство учебного корпуса имени Джеймса МакКьюна Смита, потратив 90,6 миллионов фунтов стерлингов.

В тот же период жила француженка Анжелика дю Кудро (1714–1794 гг.). Она стала новатором в акушерстве и смогла значительно снизить младенческую смертность в дореволюционной Франции. Дю Кудро написала учебник по акушерству «Краткое изложение искусства родовспоможения», в котором соответствующие анатомические и хирургические манипуляции были снабжены иллюстрациями. Кроме того, дю Кудро создала для практического обучения родовспоможению акушерский манекен в натуральную величину.

Женщины современной эпохи

Французский нейроанатом Августа Дежерин-Клюмпке (1859–1927 гг.) родилась в США и стала первой женщиной-интерном, работавшей в парижской больнице. Она стала соавтором книги по анатомии центральной нервной системы, а затем — первой женщиной-президентом Французского неврологического общества. Она объяснила этиологию того, что теперь называется параличом Дежерин-Клюмпке, возникающим из-за травмы нервов, которые управляют движением руки.

Выдающийся нейроанатом Августа Дежерин-Клюмпке (на фотографии вместе с мужем Жюлем) проявляла большой интерес к научным исследованиям. В студенческие годы больницы отказывали ей в стажировке по половому признаку.

Американка Флоренс Рена Сабин (1871–1953 гг.) стала первой женщиной, избранной в Национальную академию наук США, а также первой женщиной — президентом Американской ассоциации анатомов. Ее книга по нейроанатомии называется «Атлас продолговатого и среднего мозга». Элизабет Кэролайн Кросби (1888–1983 гг.) также была уважаемым американским лектором по нейроанатомии. Она стала соавтором учебника «Коррелятивная анатомия нервной системы».

Анатом-ученый Флоренс Рена Сабин достигла больших успехов: в числе прочего она стала первой женщиной-профессором (по анатомии) в Школе медицины Университета Джона Хопкинса.

Профессор, кавалерственная дама сью блэк

Ваш отпечаток пальца уникален. Даже если у вас есть идентичный близнец с общей ДНК, его отпечатки пальцев будут другими. Таким образом, использование отпечатков пальцев произвело настоящую революцию в уголовных расследованиях. И, возможно, скоро криминалисты научатся ловить преступников по форме их рук.

H-unique — это проект, финансируемый Европейским исследовательским сообществом. Его возглавляет судебно-медицинский антрополог и ведущий анатом Сью Блэк — профессор из Университета Ланкастера в Великобритании. Блэк тесно сотрудничает с художниками и исследователями-криминалистами из Университета Данди, а также с экспертами в области анатомии, антропологии, генетики и биоинформатики с информатикой. В своей работе Блэк пытается понять, как использовать уникальность рук человека при изучении улик и применять эти данные в суде.

Но как же можно узнать преступника по одному изображению рук? «Все мы привыкли работать с отпечатками пальцев, — объясняет Блэк, — но есть и другие анатомические вариации разной этиологии, которыми также можно пользоваться. Например, рисунки поверхностных вен, точечной пигментации, шрамов или складок кожи на суставах». Эти факторы могут оказаться крайне полезными, к примеру для выявления лиц, жестоко обращающихся с детьми, на основании полицейских фото улик.

Команда Блэк собирает анонимные изображения рук из открытых источников, создавая базу данных, которая показала бы все возможные вариации внутри популяции. Блэк надеется, что это приведет к разработке компьютерного алгоритма, который сможет анализировать большие наборы данных за короткое время. Очевидно, что сфера применения этих наработок — огромна. И в случае успеха этот новый биометрический инструмент может помочь в предотвращении преступлений на глобальном уровне.

Анатомические вариации

Представьте себе мир, в котором все бы выглядели одинаково, имели бы одинаковые черты и были бы одинаковой формы и размера. Безусловно, это сильно упростило бы процесс покупки одежды. Однако, к счастью, природа не приемлет однообразия, а выживание каждого вида зависит от разнообразия и вариантов — как на физическом, так и на генетическом уровнях. Не важно, на кого мы похожи; каждый из нас уникален и должен оставаться таковым. Именно эти вариации закладывают основу для развития анатомических структур.

Анатомические структуры бывают «нормальными», то есть находящимися в пределах вариаций нормы, либо отличными от общепринятых стандартов, описанных в учебниках. Такие отклонения, или аномалии, выходящие за пределы нормы, могут не вызывать никаких беспокойств, награждая своего обладателя интересной особенностью. Между вариантами нормы и отклонениями существует необычайно тонкая грань. Но природа привыкла избавляться от аномалий, поэтому можно предположить, что все эти морфологические отклонения так же естественны, как и сама природа.

Клинические проявления

Незначительные анатомические аномалии в основном совместимы с жизнью. Если такие изменения не слишком очевидны, то их случайно обнаруживают при медицинском осмотре на предмет, не связанный с отклонением, либо в процессе вскрытия. Анатомические аномалии интригуют медицинский мир, ведь их эмбриологическая составляющая дает представление о том, как развивается человеческое тело.

Форма ушей так же уникальна, как и отпечатки пальцев.

Чаще всего аномалии развиваются в сосудистых структурах, особенно в артериях. Например, в некоторых артериях присутствует дополнительная ветвь или же ниспадающие ветви могут раздваиваться в неожиданных местах. В норме седалищный нерв раздваивается в средней части бедра, но это может случиться и в ягодичной области. Такие аномалии вызывают клинические трудности и проблемы всякий раз, когда дело доходит до проведения стандартных процедур или сложных операций. В частности, для безопасности пациента хирург должен знать о возможных изменениях в ветвлении коронарной артерии или структур из Виллизиева круга. Поэтому очень важно использовать различные методики визуализации, которые смогли бы выявить все возможные аномалии до проведения операций. К сожалению, не все вариации можно визуализировать, и зачастую это приводит к серьезным хирургическим осложнениям.

Определение анатомических вариаций нужно не только для подбора хирургической методики. Такие вариации способны влиять на степень выраженности различных симптомов и увеличивать риск развития определенных заболеваний либо обусловливать их течение. Следовательно, медицинские специалисты должны практиковаться и учиться на различных вариациях тела человека. В этом им помогают опыт препарирования, использование передовых технологий визуализации и клинической диагностики, а также коллективная работа.

Добавочные структуры

Наличие дополнительной части тела, которая отличается от общей структуры, — это куда более распространенное отклонение, чем нам кажется. Оно возникает, когда зигота начинает расщепляться, но не может правильно завершить этот процесс. По той же причине появляются сиамские близнецы. Участок, в котором началось расщепление, и будет определять, какая часть тела частично или полностью продублируется. Добавочные структуры могут возникать в любой системе органов.

Подковообразные почки

Некоторые люди рождаются с дополнительной почкой или мочеточником. Но у небольшого процента населения обнаруживают подковообразную почку, которая появляется в результате сращения нижних долей обоих почек. Подковообразная почка довольно редко бывает связана с различными патологиями; в обычных случаях она существует бессимптомно. Такие вариации имеют особое значение в трансплантологии, поскольку в этом процессе важно учитывать любые анатомические вариации.

Дополнительный палец при полидактилии обычно менее развит, чем остальные.

Длинная ладонная мышца

В предплечье расположена самая уникальная мышца человека. Она есть не у всех, а у некоторых такая мышца присутствует лишь в одной руке. Длинную ладонную мышцу можно вычислить по сухожилию, которое проступает по центру на внутренней стороне запястья, если напрячь руку и сжать кулак. Отсутствие этой мышцы не влияет на работу руки или силу захвата. Однако при наличии она станет золотым резервом в случае, если вам когда-либо понадобится пересадить кусок мышцы.

Это рентгеновский снимок пациента с декстрокардией (смещением сердца вправо, а не влево).

Транспозиция органов

Это крайне редкая аномалия. Она характеризуется зеркальным, или обратным, расположением внутренних органов, отличающимся от общепринятого. Например, обычно сердце смещено влево. Но при транспозиции — или, в данном случае, декстрокардии — сердце смещено вправо.

Длинная ладонная мышца есть не у всех. Ее сухожилие можно увидеть, если сжать руку в кулак.

Слова благодарности

В первую очередь я хотел бы поблагодарить профессора, кавалерственную даму Сью Блэк, проректора по работе со студентами из Университета Ланкастера, за то, что она любезно согласилась потратить время на рассказ о ряде аспектов анатомии и своих текущих проектах. Также я бы хотел поблагодарить доктора Басаама Аведа (консультанта по лечению инсультов в фонде госпиталей Хиллингтона и главного врача в Университете Брунеля) за рецензирование части главы по нервной системе и за то, что познакомил меня с профессором Барри Митчеллом (почетным профессором валеологии в «Науках здравоохранения» Университета Де Монфор и бывшим руководителем отдела анатомии в Медицинской школе Саутгемптонского университета), который просмотрел эту книгу. Я бесконечно благодарен за вашу помощь. Отдельно я хотел бы поблагодарить мою замечательную супругу Никки Доу за ее непоколебимую поддержку в процессе написания книги, терпение, вдохновение и понимание (ты была моей опорой) и мою дочь Элоди за то, что мирилась с нехваткой нашего совместного досуга. Кроме того, выражаю благодарность моим замечательным братьям и сестрам Джо, Вив, Джеффу и Джен за их терпение и безоговорочную поддержку, моей тете Мейбл за то, что стала мне второй мамой, и всей моей большой семье в Лондоне и Дорсете. И, наконец, от всего сердца благодарю всех друзей, которые не переставали верить в меня и подбадривали на всех этапах. Я бы хотел посвятить эту книгу моим покойным родителям, по которым скучаю каждый день. Элизабет Окона-Менса и Куаси Биллингс Окона-Менса, без которых всего этого бы не получилось.

Content

Кен Окона-Менса
Взламывая анатомию

Вступление

Глава 1. Основы

В чем тут дело?

Макроскопический или микроскопический

Примесь физиологии

Стоя на плечах гигантов

Древние египтяне

Древние греки

Эпоха ренессанса

Эпоха просвещения

Кадавры и заключенные

Расхитители могил

Анатомический акт

Зверства нацистов

Атлас Пернкопфа

Говоря на языке анатомии

Анатомические плоскости

Анатомическое расположение

Глава 2. По крупицам

Организация вашего тела

Строение клетки

Ядро

Митохондрии

Эндоплазмическая сеть и рибосомы

Аппарат Гольджи

Вакуоль

Лизосома

ДНК: все дело в основе

Производство белков

Транскрипция

Новые белки

Свертывание в хромосомы

Форма хромосом

Деление клетки

Мейоз

Многообразие клеток

Фоторецепторы

Красные кровяные тельца

Гормоны и создание ферментов

Костные клетки

Стволовые клетки

Эмбриональные стволовые клетки

Квартет тканей

Соединительная ткань

Мышечная ткань

Нервная ткань

Подсчет органов

Системы органов

Внутренний баланс

Метаболизм

Гомеостаз

Когда клетки умирают

Случайная гибель клетки: некроз

Запрограммированная гибель клетки: апоптоз

Глава 3. Идеальная обертка

Покровная система

Слои кожного покрова

Эпидермис

Создан защищать

Базальная мембрана

Меланоциты

Дерма

Сосочки

Сенсорные рецепторы

Потовые железы

Сальные железы

Мышцы волоса

Гиподерма

Типы жировой ткани

Увядание кожи

Разве вы не волосаты?

Структура волос

Рост волос

Цвет волос

Ногти

Строение

Расскажут о здоровье

Глава 4. Двигай телом

Опорно-двигательная система

Мышцы

Соединительная ткань

Скелет

Осевой скелет

Череп

Грудная клетка

Что у нас в костях?

Губчатая и трубчатая кости

Трубчатая (компактная) кость

Губчатая (спонгиозная) кость

Позвоночные

Форма костей

Мужской и женский скелет

Хрящ

Развитие костей

Эпифизарный хрящ

Паузы и старты

Суставы и связки

Типы суставов

Скелетные мышцы

Архитектура мышц

Мышечное волокно

Фасция

Сухожилия

Нервно-мышечные синапсы

Мышечное сокращение

Типы сокращения

Энергия для сокращения

Тренировка мышц

Старение опорно-двигательной системы

Изменения в скелете

Стареющие мышцы

Глава 5. Кроваво-красная магистраль

Сердечно-сосудистая система

От всего сердца

Стенки сердца

Камеры сердца

Сердечные клапаны

А ритм звучит… как барабанная дробь

Электрические импульсы

Сердечный цикл

Увидеть биение сердца

Транспортная сеть

Типы кровеносных сосудов

Строение кровеносных сосудов

Артериальная система

Венозная система

Красные штучки

Состав крови

Плазма

Сыворотка

Эритроциты: трудная жизнь переносчика кислорода

Эритропоэз

Перенос кислорода

Смерть эритроцита

Под давлением

Выше или ниже

Наш пульс

Ищем пульс

Частота пульса

Слишком много упражнений?

Интенсивные режимы

Получить зеленый свет

Глава 6. Охранная система

Лимфатическая система

Пограничная служба

Сосуды и органы

Два иммунных фронта

Врожденная иммунная система

Адаптивная иммунная система

Белые кровяные тельца

Миелоидные и лимфоидные

Гранулярные и агранулярные

Активируйте лимфоциты!

B-лимфоциты

Т-лимфоциты

Сосуды и органы

Лимфатические сосуды

Лимфатические узлы

Костный мозг и тимус

Реакция на занозу

Первичный иммунный ответ

Система комплемента

Фагоцитоз

Обитель тромбоцитов

Образование болячки

Реакции гиперчувствительности

Гиперчувствительность I типа

Гиперчувствительность II–IV типов

Ребаундинг: профанация или панацея?

Глава 7. Ключевой обмен

Дыхательная система

Проведение и дыхание

Зона проводимости

Носовая полость

Трахея

Бронхи и бронхиолы

Дыхательная зона

Терминальные бронхиолы

Респираторные бронхиолы

Чудесные легкие

Плевральные листки

Легочная жидкость

Площадка для обмена

Переход из высокой области давления в низкую

Вдох-выдох

Диафрагма

Частота дыхания

Транспорт крови

Транспорт кислорода

Транспорт углекислого газа

Шалости дыхания

Глава 8. Транзитный узел

Нервная система

Нейроглия

Макроглия

Микроглия

Эпендима

Нейроны

Виды нейронов

Передача импульсов

Защита мозга

Мозговые оболочки

Спинномозговая жидкость

Конечный мозг

Кора головного мозга

Доли и полушария

Подкорковые структуры

Передний, средний и задний мозг

Ствол головного мозга

Мозжечок

Средний мозг

Передний мозг

Функции долей мозга

Ты на меня смотришь?

Мозолистое тело

Подкорковые структуры

Промежуточный мозг

Лимбическая система

Базальные ганглии

Спинной мозг

Серое вещество

Белое вещество

Центральный распределитель нервных сигналов

43

Черепные нервы

Спинно-мозговые нервы

Ветви и корешки

Ганглии

Это автоматика

Симпатика и парасимпатика

Вегетативные ганглии

Пре- и постганглионарные нейроны

Пять органов чувств

Зрение

Слух

Обоняние

Осязание

Вкус

Глава 9. Просто посредник

Эндокринная система

Химические революционеры

Типы передачи сигналов

Мишени

Основные классы гормонов

Железы

Основные эндокринные железы

Вторичные эндокринные железы

Кое-что о сне

Циркадный ритм

Как-то жарковато

Гипотермия

Гипертермия

Глава 10. Переварить все это

Пищеварительная система

Передний и задний отделы

Брюшина

У нас во рту

Голод

Зубы

Слюна

Язык

Вниз по трубе

Глотание

Пищевод

Пищеварительная команда

Желудок

Двенадцатиперстная кишка

Печень

Гепатоциты

Желчный пузырь и желчные протоки

Желчь

От желчного пузыря к кишечнику

Время всасывания

Тощая кишка

Подвздошная кишка

Конечная остановка

Толстый кишечник

Глава 11. Система переработки отходов

Мочевыделительная система

Две почки

Работа почек

Нефроны

Почечное тельце

Почечные клубочки

Почечные канальцы

Собирательные протоки

Вспомогательные органы

Мочеточник

Мочевой пузырь

Мочеиспускательный канал

Моча

Глава 12. Инструменты для производства детей

Половая система

Большая метаморфоза

Активаторы полового созревания

Скачок роста

Физические изменения

Мужское половое созревание

Женское половое созревание

Мужская анатомия

Яички

Семенная жидкость

Половой член

Женская анатомия

Яичники

Влагалище

Матка

Шейка матки

Маточные трубы

Менструальный цикл

Созревание яйцеклетки

Овуляция

Менструация

Мальчик встречает девочку

Оргазм

Оплодотворение (зачатие)

Зигота

От зиготы к эмбриону

Дробление зиготы

Желтое тело

Имплантация

Гаструляция

Растущий плод

Плацента

Амниотическая жидкость

Изменения в теле матери

С днем рождения

Роды

Глава 13. Взгляд в будущее

Анатомия XXI века

Не забываем про анатомирование

Сборная солянка

Восстановление баланса

Неизвестные герои

Женщины современной эпохи

Анатомические вариации

Клинические проявления

Добавочные структуры

Подковообразные почки

Длинная ладонная мышца

Транспозиция органов

Слова благодарности