Так как частота дыхания может регулировать уровень pH в крови, то последний можно изменять посредством изменения первого. Например, можно намеренно заставить себя на какой-то период времени дышать быстро и глубоко. В результате углекислый газ удаляется из организма, а углекислота очень быстро расщепляется, чтобы возместить потерю. Это, в свою очередь, ведет к тому, что ионы бикарбонатов присоединяют слишком много ионов водорода, чтобы восстановить содержание углекислоты. В итоге в крови снижается концентрация ионов водорода и повышается уровень pH, что приводит к дыхательному алкалозу. Вы как бы пьянеете от кислорода, у вас появляется головокружение. Если продолжать в том же духе, то можно потерять сознание, однако обычно мы не доходим до этого и возвращаемся к нормальному ритму дыхания. Мы начинаем дышать очень медленно, иногда даже задерживаем дыхание, чтобы восстановить в крови прежний уровень двуокиси углерода.
Можно, наоборот, задержать дыхание на пару минут, чтобы в организме увеличилось содержание углекислого газа, что приведет к накоплению углекислоты, в результате чего в кровь попадет больше ионов водорода. В итоге в крови увеличится концентрация ионов водорода и уменьшится уровень pH — разовьется дыхательный ацидоз. И опять вряд ли вы станете терпеть до того момента, когда потеряете сознание, вы в течение нескольких минут будете усиленно дышать, чтобы избавиться от избытка углекислого газа.
Углекислый газ переносится кровью не только в растворенном виде. Гемоглобин, чьей основной функцией является транспорт кислорода, также служит переносчиком углекислого газа.
Углекислый газ может соединяться с аминокислотой лизином, входящей в состав молекулы белка. Такое соединение называется карбаминовым. Гемоглобин не только занимает первое место среди других белков по содержанию в крови, но также содержит больше лизина, чей любой другой из них. Поэтому около одной пятой части всего углекислого газа в венозной крови представлено в виде карбгемоглобина.
Гемоглобин служит не просто средством транспортировки. Он активно способствует переносу углекислого газа в легкие.
Давайте подробнее рассмотрим, что происходит, когда кровь из легочной артерии — голубоватая, лишенная кислорода, полная растворенным в ней углекислым газом, который частично соединился с водой, а частично с гемоглобином, — попадает в альвеолярные капилляры.
Прежде всего кислород проникает сквозь альвеолярные мембраны в кровь и превращает гемоглобин в оксигемоглобин.
Дальше происходят два события. Во-первых, оксигемоглобин не образует карбаминовые соединения так быстро, как гемоглобин. Около двух третей карбаминовых групп в карбгемоглобине расщепляется немедленно, и высвобождается углекислый газ.
Во-вторых, оксигемоглобин — более сильная кислота, чем гемоглобин, в его растворах содержится больше ионов водорода. Все белки в какой-то степени являются кислотами, все они обладают тенденцией к ионизации и высвобождению ионов водорода. Поглощая кислород из легких, кровь внезапно наполняется ионами водорода. В действие вступает буферная система. Ионы бикарбонатов соединяются с избыточными ионами водорода, в результате образуется углекислота, которая распадается до углекислого газа и воды.
Таким образом, превращение гемоглобина в оксигемоглобин двумя различными способами способствует образованию углекислого газа в крови. Увеличение концентрации углекислого газа в капиллярах альвеол есть тот толчок, который заставляет выходить его из крови и проникать сквозь мембраны альвеол в воздух, находящийся в легких. Затем происходит выдох, и организм освобождается от углекислого газа.
Углекислый газ и метаболическая вода — продукты распада, которые состоят из атомов водорода и углерода, находившихся в пище. Помимо них в пище содержатся атомы азота, которые встречаются в основном в белках — один атом азота из двенадцати.
Было бы хорошо, если бы атомы азота могли превращаться в газ и выходить через легкие, как углекислый газ. Возможно, первым вопросом у человека, впервые столкнувшегося с этой областью науки, будет следующий: поскольку водород и углерод соединяются с кислородом и выводятся из организма, то почему азот не может выводиться тем же способом? Ведь различные окиси азота также представляют собой газы.
К сожалению, на этом пути возникает препятствие. Когда водород и углерод соединяются с водой, они теряют много энергии, и выделившаяся энергия используется организмом. Для соединения азота с кислородом, наоборот, требуется энергия, поэтому для образования окисей азота понадобятся ее дополнительные источники. Нам повезло, поскольку благодаря этому свойству кислород и азот в воздухе не взрываются. Различие энергий не позволяет им вступать во взаимодействие, даже если в воздухе содержится избыток тепла от лесного пожара или пылающей печи. Для соединения азота с кислородом требуется удар молнии, и то это происходит только в непосредственной близости от нее, но организм не может тратить столько энергии, чтобы избавляться от продуктов распада.
Почему бы тогда не избавиться от азота как от газа? Препятствий с энергетической стороны проблемы не возникает, однако ни у одного организма выше уровня бактерий (микроорганизмы более разнообразны с химической точки зрения, чем многоклеточные организмы) нет для этого специального химического механизма.
Можно было бы также превратить азот в аммиак, молекула которого состоит из одного атома азота и трех атомов водорода. Это сопровождается потерей энергии, потому что превращение белка в воду, углекислый газ и аммиак сопровождается меньшей затратой энергии, чем превращение его в воду, углекислый газ и азот. Однако затраты меньше всего на 2 %, и небольшое количество дополнительной энергии, создаваемое при превращении азота, очевидно, не стоит того, чтобы у организмов был создан специальный механизм для подобных превращений.
Аммиак — газ, но он хорошо растворим в воде. В 100 миллилитрах холодной воды может раствориться 110 000 миллилитров аммиака. Он может по мере образования растворяться в воде, имеющейся в организме.
Но тут же возникает проблема. Аммиак — очень ядовитое вещество. Если в литре крови растворится всего одна тысячная доля миллиграмма аммиака, наступит смерть.
Поэтому аммиак должен немедленно выводиться из организма. Это можно сделать, только если организм будет постоянно окружен большим количеством воды, куда можно сбрасывать аммиак, чтобы тот все время растворялся в ней и его концентрация в организме не достигала опасной отметки. Это означает, что только существа, обитающие в океанах и другой водной среде, могут позволить себе роскошь избавляться от азота в виде аммиака. Если вам интересно, не переполнится ли за миллиарды лет океан аммиаком и не случилось ли так уже много лет назад, не волнуйтесь. Аммиак используется одноклеточными растениями, населяющими поверхность океана; он перерабатывается ими в белок, которым они питаются и который опять превращают в аммиак. Это часть цикла азота, в результате которого океаны очищаются от аммиака.
Когда жизнь появилась на суше, ей пришлось приспосабливаться к среде, где было мало воды. Она взяла с собой частичку океана в виде кровеносной системы, но это была всего лишь крошечная частичка. Выброс аммиака во «внутренний океан», заключенный в собственном организме, очень быстро привел бы к повышению концентрации аммиака до опасных значений, а из организма нельзя выводить воду столь быстро, чтобы снизить этот уровень, если только не разработать какой-нибудь способ быстрого восстановления уровня воды. На суше такое восстановление невозможно.
Поэтому азот должен был выводиться в менее токсической форме, нежели аммиак, иначе земля не смогла бы покориться животным. К счастью, решение было найдено. Две молекулы аммиака могли соединяться с молекулой углекислого газа, образуя мочевину. Ее молекула состоит из одного атома углерода, одного атома кислорода, двух атомов водорода и четырех атомов азота.
Мочевина — твердое вещество, но растворяется в воде в два раза легче, чем поваренная соль, так что она без труда попадает в кровь. К тому же, по сравнению с аммиаком, мочевина относительно безопасна. В литре крови, в котором не может без угрозы для жизни содержаться даже одной тысячной доли миллиграмма аммиака, без всяких последствии содержится сорок миллиграммов мочевины.
Когда головастики превращаются в лягушек, они изменяют систему выведения азота с аммиака на мочевину. Этих изменений мы не видим. Мы замечаем потерю хвоста и появление лапок. Превращение жабер в легкие заметно лишь частично. Однако изменение химического механизма, хотя и не такое заметное, является более важным, чем другие трансформации.
