Кевин Фонг - Extremes. На пределе. Границы возможностей человеческого организма

В обычном состоянии атом или молекула электрически нейтральны. В состав атомного ядра входит некое количество протонов – положительно заряженных частиц, а вокруг него по орбитам вращается равное количество отрицательно заряженных электронов. Но и атомы, и молекулы достаточно легко то теряют, то присоединяют электроны, и тогда электрическая нейтральность нарушается. Для этого требуется некоторое количество энергии, которая возникает в результате химической реакции, под воздействием радиации или электрического разряда. Атомы превращаются в ионы, и свойства их меняются. Ионы более подвижны, подвержены воздействию электрических и магнитных полей или сами способны их генерировать. В организме ионы могут проникать сквозь биологические (пористые) мембраны, причем отрицательные заряды стремятся нейтрализовать положительные.

В живых клетках формируется разность потенциалов ионных зарядов, находящихся по разные стороны биологических мембран. Эта разность потенциалов лежит в основе неравновесного состояния, характерного для живых систем, в отличие от многих других физических систем, которые не могут бороться с ростом энтропии, ведущим к общему равновесию. Создается возможность для возникновения чего-то неизмеримо более динамичного: живого существа.

Чтобы яснее представить, о чем речь, вообразите самолет недорогой авиакомпании, заполненный только наполовину. Скажем, рейс достаточно дальний, и компания решает подзаработать. Для этого команде дают распоряжение запихнуть всех пассажиров в головной отсек самолета, как сельдей в бочку, и полностью освободить хвостовой отсек. (Думаю, вы согласитесь, что ситуация сама по себе чревата высвобождением большого количества сдерживаемой энергии.) А теперь представьте, что директор авиакомпании решает позволить пассажирам сесть кто где захочет, только пусть дополнительно заплатят ему за это 10 долларов. Пассажиры немного покричат и пошумят, но в конечном итоге большинство решит, что тесниться в одном отсеке хуже, чем заплатить небольшую сумму и получить возможность занять наконец вожделенные свободные места. В результате салон самолета заполнится равномерно, а в директорском кармане осядет некоторая наличность.

С ионами и энергией внутри организма происходит примерно то же. Затратив некое количество энергии на создание искусственного неравновесия (в случае с организмом – закачав ионы туда, где они не хотят находиться), а потом собирая и накапливая ее по мере того, как система станет возвращаться в состояние равновесия, энергию можно сохранять для дальнейшего использования.

В окружающей природе мы видим такое каждый день. Возьмем погоду: ветры – потоки воздуха – дуют из зон высокого давления туда, где давление низкое. Так проявляется неравномерность (разность давления) и естественная тенденция к сглаживанию этой разницы. И как энергию возникающего ветра можно использовать и преобразовывать с помощью турбин, точно так же организм человека может использовать ионный поток, проходящий через мембрану.

Итак, ионный поток и использующая его тонкая, совершенная система – все то, что делает возможным сложные жизненные процессы и благодаря чему целое не равняется сумме составляющих его частей (в данном случае целое по имени Роберт Скотт), – работало вхолостую.

Студентом я не понимал ни красоты, ни важности всей этой биохимии. Норовил спрятаться на заднем ряду, подальше от доски с заумными символами и уравнениями. Помню, дремлю я тихонько, пока преподаватель биохимии пытается растолковать нам все хитросплетения клеточных процессов и поведать про молекулярные насосы, переносящие ионы через клеточные мембраны, создавая ту самую жизненно необходимую неравномерность. В стенах лекционной аудитории эти химические события казались эзотерическим знанием, имеющим лишь смутное отношение к таким вещам, как медицина и жизнь. Для меня, астрофизика-переучки, они стояли лишь на четвертом месте в ряду приоритетов – после анатомии, общей физиологии и желания выспаться.

Потребовались годы работы в медицине, чтобы оценить по достоинству эти незаметные процессы, позволяющие биологическим системам запасать и высвобождать энергию. Каждая из этих биохимических мини-фабрик в отдельности вроде бы не имеет ничего общего с чудом жизни, однако в совокупности они и есть жизнь. Они – это всё, что мы делаем, они и есть мы.

Итак, повторюсь: за свою сложность организм человека вынужден платить. Ради того чтобы все колесики вертелись исправно, приходится тратить энергию и гнать ионы туда, где им быть вовсе не хочется. Когда эта цена становится для организма непосильной, простота вновь вступает в свои права. В данном случае простота – синоним смерти.

Мир за пределами палатки враждебен сложности Скотта. И дело не только в стуже, что способна заморозить живую плоть за считанные секунды. А прежде всего в сухости. Бескрайние ледяные поля хранят огромные запасы замороженной воды, но за год здесь выпадает меньше сантиметра осадков в виде дождя. Так что шельфовый ледник Росса можно с полным основанием назвать пустыней. Другая проблема – высотность. Антарктида – самый высокий континент, она возвышается над уровнем моря в среднем на три с лишним километра. На такой высоте, где сейчас находится Скотт, любое физическое усилие дается с большим трудом даже тем, кто адаптировался к местным климатическим условиям. Не забудем и про беспощадные антарктические ветры. Одним словом, Антарктида – континент экстремальных условий: самый холодный, самый высотный, самый сухой. Из-за сурового климата ее всегда, за исключением последних ста лет человеческой истории, считали абсолютно непригодной для жилья.

Но нам, как ни печально, сейчас важно разобраться, как реагирует организм Скотта на резкое понижение температуры, потому что понимание этого процесса – ключ к невероятным успехам будущих медицинских технологий.

По мере того как температура тела Скотта падает, насосы, качающие ионы через клеточные мембраны, медленно, но верно замедляют работу и наконец останавливаются. Если не хватает энергии – обычно организм получает ее из пищи и сжигает в огне кислорода, которым мы дышим, – насосы замедляют темп, а потом и вовсе встают. Это приводит к выравниванию разности потенциалов по обе стороны клеточной мембраны. Вот с этой простой симметрии и начинается умирание.

Но Скотт еще не готов к смерти. Организм, невзирая на критическую ситуацию, упорно борется за каждый миг, цепляется за любой шанс, позволяющий выжить. Скотт чувствует, как тепло уходит из остывающих рук. Сужаются сосуды, несущие горячую кровь к конечностям, доставляющие ее к поверхности кожи и впустую отдающие тепло в воздух. Волоски на теле встают дыбом в тщетной попытке удержать тоненькую прослойку теплого воздуха. И то и другое – усилия, предпринимаемые организмом, чтобы уменьшить потери тепла. К сожалению, в условиях Антарктики эти физиологические меры практически ничего не дают.