Во время этих процессов происходит высвобождение энергии, так как смесь органических веществ и кислорода содержит больше энергии, чем образующиеся из нее углекислый газ и вода. Высвободившаяся во время перехода углерода от одного химического соединения к другому энергия выделяется в виде теплоты. Когда мы сжигаем уголь, нефть, природный газ, дерево, бумагу и тому подобное, углерод и водород, содержащиеся в этих материалах, соединяются с кислородом, и мы с благодарностью пользуемся полученным в результате этого теплом. Если реакция к тому же происходит быстро, то, кроме тепла, появляется и пламя.
Реакции в организме происходят намного медленнее, чем в фейерверке, и более строго контролируются. Пламя не возникает, и даже производство тепла сведено к минимуму; в основном энергия сохраняется в виде высокоэнергетических химических соединений. Они, в свою очередь, обеспечивают работу мышц, нервов, способствуют образованию сложных молекул, например белков, и тому подобное.
(Кислород, содержащийся в молекулах пищи, превращает лишь малое количество водорода и углерода в углекислый газ и воду. Для этого организму нужна дополнительная доставка его из атмосферы. Тем не менее пища вносит свой вклад в создание молекул углекислого газа и воды.)
Этому способствуют химические реакции, протекающие в клетках. Клетки запасают энергию или используют ее, а избыток выделяют в виде тепла. Возможно, работа организма эффективна всего где-то на 40 %, что кажется удручающе мало, однако это все же намного больше эффективности созданных человеком машин, таких, как паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания, которые используют энергию от сжигания атомов углерода и водорода. После переработки пищи организм должен избавляться от образующихся химических соединений, так сказать, от «пепла» — воды и углекислого газа.
Вода не представляет никакой сложности. (Поскольку химические реакции, протекающие в живых тканях, называются метаболическими реакциями, образующаяся в их результате вода получила название метаболической, в отличие от той, которую мы пьем и которая первоначально попадает в наш организм.) У человеческого тела находится миллион способов применения воды, и нам доставляет больше неприятностей недостаток воды, нежели ее избыток.
Метаболическая вода и вода, содержащаяся в пище (даже сухая пища, например хлеб, на треть состоит из воды, и вы это быстро поймете, если попробуете съесть сухарь), составляет всего лишь половину потребностей организма в воде. Если мы будем только есть и не будем пить, то на второй день начнем страдать от жажды. По этой причине, кроме еды, мы выпиваем в день пол-литра, а то и литр жидкости (воды или молока, фруктового сока или пива).
Необходимость постоянного пополнения запасов воды возникает оттого, что она разными путями постоянно выводится из нашего организма. Некоторую часть уносит выдыхаемый воздух, и ее можно увидеть как пар, образующийся при дыхании в холодный день. Другая часть выводится с экскрементами (очень мало, в основном при диарее (расстройстве кишечника), и именно потеря воды делает ее столь опасной для новорожденных, у которых запасы воды еще малы). Вода также испаряется с потом даже в прохладные дни. И наконец, часть выводится в виде мочи.
При необходимости организм может «экономить» воду. Если потребление воды не соответствует потребностям организма, моча становится более концентрированной, и из организма выводится меньше воды. Обычно в день выделяется около 1300 миллилитров мочи. При необходимости ее может выделяться всего 500 миллилитров. Но это предел. Даже если вы умираете от жажды, организм все равно будет терять воду, которая ему так нужна. Именно по этой причине наступает смерть от нехватки воды.
Почки помимо прочего являются тем предохранительным клапаном, который защищает нас от того, чтобы мы не захлебнулись в собственной жидкости в тех редких случаях, когда пьем больше воды, чем нужно. Если, например, любовь к пиву выражена у человека до такой степени, что в организм поступает избыточное количество жидкости, то организм может легко и быстро избавиться от излишка при помощи почек. Поэтому у любителей пива после обильного возлияния напитка всегда бывает не менее обильное выделение разбавленной мочи.
У некоторых животных, особенно обитающих в пустыне, выработались механизмы сохранения воды, которые по совершенству намного превосходят наши. Вода из пищи и полученная в результате обмена веществ полностью заменяет им воду, которую они теряют. О таких животных пишут в разделах «Хотите верьте, хотите нет» или называют их животными, которые «никогда не пьют».
Углекислый газ представляет бóльшую проблему, чем метаболическая вода. Часть углекислого газа используется организмом. От излишка он должен избавиться, иначе погибнет. Клетки сразу же справляются с этой проблемой самостоятельно, выделяя углекислый газ в кровь. Таким образом, кровь служит как средством транспорта, так и местом выброса отходов одновременно, что может показаться нерациональным, но действует очень эффективно.
Когда кровь достигает легких, она избавляется от избытка углекислого газа, который, как свидетельствует название, представляет собой газ. Проходя через альвеолы, молекулы углекислого газа выходят в воздух, их наполняющий, в то самое время, как молекулы кислорода из воздуха переходят в кровь. В каждом случае происходит переход молекул из области большей концентрации в область меньшей. В результате, хотя вдыхаемый воздух на 20 % состоит из кислорода и на 0,03 % из углекислого газа, в выдыхаемом воздухе содержится 15 % кислорода и 5 % углекислого газа. (Оставшаяся часть представлена азотом.)
Возникает вопрос, как перемещается в крови двуокись углерода. С одной стороны, эта проблема не столь серьезна, как перенос кислорода. Кислород плохо растворяется в воде, поэтому его транспорт во многом определяется содержанием гемоглобина. В 100 миллилитрах воды при температуре тела растворяется всего 2,5 миллилитра кислорода, но зато целых 53 миллилитра углекислого газа. Это решает проблему его транспортировки, если вопрос заключается только в том, чтобы просто избавиться от углекислого газа.
Хотя химические свойства углекислого газа являются причиной многих осложнений, организм, справляясь с ними, сохраняет значительное количество этого продукта распада, чтобы он служил для выполнения жизненно важных функций. Чтобы это понять, понадобится дополнительное разъяснение.
Молекулы углекислого газа не просто растворяются в воде, а вступают в реакцию с молекулами воды, образуя угольную кислоту (ее часто называют просто углекислотой). Это можно изобразить химическим уравнением, где C обозначает углерод, O — кислород, а H — водород:
Обычно такая реакция проходит очень медленно, но в кровеносной системе она протекает быстрее. Углекислый газ, попадающий в плазму из клеток, может легко проходить сквозь мембрану красных клеток, так что часть молекул углекислого газа неизбежно окажется внутри эритроцита. В нем есть фермент, способный ускорять образование двуокиси углерода и воды. Обычно ферменты отвечают за ускорение реакций, которые протекают и без них, но со значительно более медленной скоростью. Этот фермент называется карбоангидразой, и в его молекулах содержится по крайней мере один атом металла — цинка. В организме есть и другие цинксодержащие ферменты, и одного этого достаточно, чтобы понять, почему цинк так важен для человека. Конечно, он нужен только в мизерных количествах, и в любой пище его вполне достаточно. В присутствии карбоангидразы быстро образуется угольная кислота, которая через мембрану красной клетки выходит обратно в плазму.
Угольная кислота также может расщепляться с образованием углекислого газа и воды. Поэтому у написанного выше уравнения две стрелочки, указывающие два направления. Карбоангидраза ускоряет процессы как расщепления, так и образования угольной кислоты. В результате такого двунаправленного процесса достигается равновесие, при котором происходит одновременное образование и расщепление угольной кислоты. Поэтому в крови есть как угольная кислота, так и углекислый газ.
В легких сквозь мембраны альвеол может просочиться только углекислый газ. Угольная кислота на это не способна, потому что она не газ. Однако, когда углекислый газ покидает кровь, хрупкое равновесие между содержанием его и угольной кислоты в крови нарушается. Тогда часть угольной кислоты превращается в воду и углекислый газ, чтобы сохранить равновесие, а углекислый газ, в свою очередь, опять выходит в легкие. Поэтому угольная кислота никогда не препятствует механизму выведения углекислого газа из организма.
