Популярная анатомия. Строение и функции человеческого тела

Вокруг голосовой щели находятся две тканевые складки, называемые голосовыми-связками, а пространство между ними называется rima glottidis (что по-латыни означает «гортанная щель»). Голосовые связки прикреплены спереди к середине щитовидного хряща. Сзади каждая связка прикрепляется к одному из двух небольших хрящей, называемых черпаловидные хрящи.

Связки и хрящи вместе составляют голосовую полость, или, пользуясь греческим термином неясного происхождения, гортань.

Небольшие мышцы могут поворачивать черпаловидные хрящи таким образом, что голосовые связки отодвигаются друг от друга, образуя латинскую букву «V» вершиной вперед. При этом rima glottidis достаточно широка, чтобы воздух проходил не задевая голосовых связок. Однако поворот в противоположном направлении сводит голосовые связки – они параллельно сближаются. Для воздуха остается только узкий проход, и, когда воздушный поток движется мимо голосовых связок, он вызывает их вибрацию. Именно это вы делаете, когда напеваете не открывая рта.

Чем быстрее и чем с большей силой воздух проталкивается мимо связок, тем громче звук. Более того, существует возможность подвергать голосовые связки разной степени напряжению. Чем напряженнее связки, тем выше тон звука. Мы не отдаем себе отчета в том, что напрягаем или расслабляем связки, но именно это делаем, когда поем.

Хотя с помощью тренировки певец может научиться проделывать удивительные манипуляции со своими голосовыми связками в области контролируемых вариаций высоты тона, существует предел, которого он может достичь, поскольку всего лишь напрягает или расслабляет голосовые связки. Короткие связки будут производить более высокие звуки, чем длинные, и именно поэтому мужские голоса в основном ниже женских. В то время как длина rima glottidis у мужчин до 1 дюйма, у женщин она всего около 0,6 дюйма.

Понятно, что у детей голосовые связки еще короче, судя по их высоким голосам и пронзительной резкости детского крика. У мальчиков гортань начинает увеличиваться в размерах в начале подросткового периода, и мальчишеское сопрано превращается в баритон. Эта перемена может произойти быстрее, чем мальчик научится управлять мускульными движениями, связанными с контролем напряженности голосовых связок. Подросток обнаруживает, что наступил возраст, когда его голос ломается, и он говорит, нелепо чередуя баритон с тенором. Это одна из отвратительных неприятностей раннего подросткового возраста. Окончательный размер гортани взрослого человека не обязательно зависит от размера тела. Рослый здоровый атлет может говорить писклявым тенором, а низкий хрупкий мужчина обладать звучным баритоном.

У мужчин гортань имеет угловой выступ на передней стороне шеи, отмечая угол срастания пластинок щитовидного хряща, наиболее заметный у худых. У женщин, гортань которых, во-первых, меньше, а во-вторых, находится под более толстым слоем жира, смягчающим линии тела, такой выступ не очень заметен.

При глотании, по мере того как гортань движется над голосовой щелью, голосовая щель (и гортань, которая ее окружает) приподнимается в ответ. Когда процесс глотания закончен, голосовая щель и гортань снова опускаются. В результате видимый выступ щитовидного хряща совершает явное (и немного смешное) колебательное (вверх-вниз) движение. Такое движение по большей части заметно у мужчин и создает впечатление, что нечто проглатываемое застряло в горле. Это воплотилось в легенде, в которой говорилось, что Адам никак не мог проглотить откушенный кусочек яблока, он застрял у него в горле. С тех пор у всех потомков Адама по мужской линии остался след в форме углового выступа (кадыка) гортани. Эта легенда, совершенно небиблейская и далекая от действительности, упомянута мною здесь только по причине того, что кадык еще обычно называют адамовым яблоком.

Носовые ходы, ротовая полость и грудная клетка вместе образуют резонирующую камеру для звуков, издаваемых голосовыми связками. Одни только голосовые связки создадут относительно несложный и слабый звук, и своей способностью кричать мы обязаны этой самой камере-резонатору. Обезьяны-ревуны имеют такие резонирующие камеры, что их крики слышны за милю и даже более. Более того, резонирующая камера добавляет оттенки обертонам, которые придают голосу тембр. Поскольку нет двоих людей, у которых нос, рот, горло и грудная клетка были бы одинаковой формы, нет двоих людей, которые имели бы совершенно одинаковые голоса. Наши уши обладают способностью различать мельчайшие различия в тембре, и именно поэтому мы сразу же узнаем голоса друзей, любимых, даже когда их искажают телефонные аппараты или когда мы не слышали их довольно давно. Именно поэтому мать быстро отличает громкий плач собственного младенца от криков других малышей по соседству и немедленно реагирует на единственный плач, оставаясь равнодушной к другим.

Человеку повезло – у него необычайно хорошо развитая гортань. (У большинства амфибий и рептилий по сравнению с человеком гортань довольно грубая. У птиц она имеется, но характерное птичье пение осуществляет другой орган – сиринх, илинижняя гортань певчих птиц.) Но не гортань человека имеет решающее значение в развитии человеческой речи, а его способность, благодаря развитому мозгу и нервной системе, контролировать многочисленные тонкие мышцы, которые изменяют состояние голосовых связок и природу резонирующей камеры.

В частности, рот легко, быстро и деликатно изменяет форму посредством движения губ, языка и щек, чтобы издавать различные звуки. Когда доступ воздуха не прерывается, произносятся различные гласные, а когда воздух с силой проталкивается через узкие отверстия, как при произнесении звуков «ф» или «с», либо поток воздуха временно полностью прерывается при произнесении звуков «п» или «к» – то согласные. Во время быстрого и постоянного изменения формы рта воспроизводится весь спектр сменяющихся звуков в форме достаточно сложной, чтобы выполнять роль коммуникативного кода.

Таким образом, абстрактные мысли могут быть выражены с удивительной ясностью.

Другие животные тоже общаются, и некоторые делают это не только с помощью звуков. (Пчелы обмениваются информацией с помощью танца, другие насекомые могут иметь «призыв к спариванию», который зависит от обоняния.) Тем не менее, ни одно живое существо на земле, кроме человека[8], не может общаться в столь сложной манере. Даже шимпанзе способен научиться говорить всего несколько нечленораздельных искаженных слов. Некоторые птицы могут научиться повторять человеческую речь и даже обзавестись небольшим словарным запасом, но они произносят слова по-другому, скорее «прочирикивают» их, чем выговаривают, и конечно же не понимают того, что говорят.

Во взрослом возрасте мы не отдаем себе отчет о чрезвычайно сложных мышечных движениях, связанных с речью, но это лишь по той причине, что привычка стала нашей второй натурой. Те из нас, кто вырастил ребенка, знают, что требуются годы, чтобы научиться говорить членораздельно.

Инфекции горла и носовых ходов изменяют форму резонирующих камер и тем самым – звук голоса, так его огрубляя, что мы говорим хрипло. Когда поражена слизистая оболочка гортани (ларингит), наша речь может превратиться в шепот. (При шепоте голосовые связки не действуют, а работают тканевые складки, иногда называемые фальшивые голосовые связки, которые располагаются сразу над самими голосовыми связками.)

Бронхиальное дерево

Ниже гортани находится вертикальная трубка длиной около 4,5 дюйма и диаметром 1 дюйм, которая располагается сразу под вентральной поверхностью шеи. Важно, чтобы эта трубка всегда была открыта: если подача воздуха в легкие прервется даже на несколько минут, последует смерть. По этой причине трубка снабжена С-образными кольцами крепких хрящей для придания жесткости ее передней части и боковинам. Таких колец, разделенных волокнистой соединительной тканью, бывает от 16 до 20 штук. Они могут сжиматься под действием мышц, соединяющих открытые концы так, что диаметр трубки при желании может немного меняться.

Если запрокинуть голову, вы можете почувствовать эту трубку, проведя пальцами вниз по фронтальной стороне шеи. Вы также почувствуете рубчики, образованные чередованием хрящей и волокнистой ткани, что придает трубке ощущение шероховатости. Именно поэтому она и названа трахея (что по-гречески означает «грубый, шероховатый»), хотя более наглядное и менее классическое ее название – дыхательное горло.

Несмотря на хрящевое уплотнение, дыхательное горло все-таки можно закрыть силой. Однако для того, чтобы сделать это рукой, требуется значительное усилие, дыхательное горло нужно держать закрытым на протяжении нескольких минут вопреки дикому сопротивлению жертвы, которая от этого должна задохнуться. Совершить такое убийство не так уж и просто.

Чуть ниже точки, где шея встречается с туловищем, трахея расходится на две ветви, называемые бронхи (что по-гречески означает «дыхательное горло»).

Каждый бронх ведет к отдельному легкому, по пути подразделяется на все более мелкие, тонкие и многочисленные трубочки, вроде ветвей дерева. Это сходство и побудило назвать всю эту структуру «бронхиальным деревом». В более основательных ответвлениях также имеются придающие жесткость хрящевые кольца, но по мере того, как ответвления становятся меньше, хрящи становятся менее выступающими и в конце концов сходят на нет. Когда разрушительное действие простуды или какой-то другой инфекции простирается вплоть до бронхов (бронхит), спазмы кашля бывают особенно мучительны. Бронхит легко может стать хроническим, особенно у курящих.

Несколько меньшие по размеру ответвления бронхиального дерева (бронхиолы) являются источником другого сорта неприятностей. Тонкие ответвления воздушных ходов выстланы круговыми мышцами, которые посредством сжатия или расслабления могут изменять диаметр, способствуя таким образом регуляции воздуховместимости легких. Иногда, в результате инфекции или аллергической реакции на какое-нибудь чужеродное вещество, происходит спазматическое сокращение мелких мышц и отек слизистых оболочек бронхиол. Воздушные ходы сужаются, и вместимость легких сокращается. Иногда доходит до удушья, и, хотя приступ астмы (что по-гречески значит «дышать с трудом») редко бывает смертельным, он определенно может отравить радость жизни.

Окружение бронхиального дерева, которое отходит от каждого главного бронха, – это легкие. Они простираются от ключицы до диафрагмы, располагаясь по одному с каждой стороны тела. Вместе они заполняют почти всю грудную полость. Легкие не являются полным зеркальным отражением друг друга. Правое легкое, которое несколько больше левого, частично разделяется на три доли, левое – только на две. Эти доли до определенной степени автономны, и, если одна доля пострадает от серьезного заболевания, другие доли остаются здоровыми. В этом случае подверженную инфекции долю можно удалить, оставив остальные доли нормально функционировать. Удаление доли не будет серьезной помехой дыханию. У многих органов имеется природный запас прочности, когда общая производительность больше, чем это необходимо. В таких случаях даже при утрате некоторой части у органа остается возможность нести нагрузку, достаточную для всех разумных целей.

Максимальная вместимость легкого в среднем около 6500 кубических сантиметров. Однако это не объем легких, а площадь поверхности, которую они представляют. Воздух может абсорбироваться только на поверхности, и количество его где-то в центре легких, которое случайно оказалось вне контакта с поверхностью, абсорбироваться не может. Тот факт, что воздух находится внутри легких, не имеет значения. Он с таким же успехом может находиться хоть в Африке, разницы для абсорбции не будет.

Это действительно представляло бы проблему, будь легкие простой парой шарообразных органов, вмещающих воздух в полую внутреннюю емкость, ограниченную гладкими стенками. В этом случае поверхность легких, соприкасающаяся с воздухом, насчитывала бы почти 2000 квадратных сантиметров. Легкие действительно представляют собой относительно простые мешки у двоякодышащих рыб, амфибий и рептилий, но все они – хладнокровные существа (то есть животные с температурой тела, приблизительно равной температуре окружающей среды). Хладнокровные могут при надлежащих условиях впадать в анабиоз.

Птицы и млекопитающие – теплокровные животные. Температура их тела поддерживается около 40 °C (нормальная температура для человека обычно составляет 36,6 °C, независимо от температуры окружающей среды. Эта необходимость постоянно вырабатывать тепло в ответ на холодный ветер поддерживает химическую лабораторию нашего организма в рабочем состоянии с высокой производительностью. Скорость всех химических реакций возрастает с ростом температуры. Для поддержания высокой скорости работы нашего химического механизма необходимо гораздо больше кислорода, чем требуется поверхности хладнокровного животного такого же веса. По этой причине легкие в форме простого мешка нам не подходят. 2 квадратных футов поверхности нам недостаточно. Для увеличения площади поверхности приходится разделять и разделять внутреннюю часть легких, и именно это и делают бронхи и бронхиолы. Стенки бронхов и главных бронхиол слишком толстые, чтобы поглощать воздух, но по мере того, как бронхиолы становятся меньше и тоньше, их стенки тоже становятся тоньше, до тех пор, пока, наконец, в самых мелких бронхиолах не возникнут условия для абсорбции. Эти дыхательные бронхиолы ведут в несколько ходов, каждый из которых заканчивается скоплением воздушных мешочков, похожих на крошечную виноградную гроздь. Воздушные мешочки заканчиваются крошечными воздушными клетками, альвеолами (по-латыни это означает «небольшая полость»).

Вся эта тонкостенная структура, включая дыхательные бронхиолы, ходы (обычно называемые альвеолярные ходы), воздушные мешочки и альвеолы, составляет так называемую функционально-анатомическую единицу. Более образно ее можно назвать листом бронхиального дерева. Стенки альвеол представляют собой клеточные мембраны, и через эти тонкие мембраны может свободно проходить кислород, конечно же в обоих направлениях, но сами ткани организма фактически не содержат свободного кислорода, а воздух в альвеолах содержит его в большом количестве, поэтому поток направлен из легких в сам организм. (Пожалуйста, помните, что, хотя легкие и расположены внутри тела, воздух не располагается внутри легких. Этот воздух беспрепятственно связывается с воздухом, находящимся вне ваших ноздрей, и его можно считать находящимся внутри вашего тела с таким же успехом, как и воздух в дырке бублика – внутри самого бублика. Только тогда, когда кислород проникает через мембрану альвеол, он входит в организм.)

Поскольку объем легкого полностью подразделяется на функционально-анатомические единицы, легкое никак нельзя считать мешком, оно скорее представляет собой очень сложную губку. Поскольку воздух остается в этой губчатой массе даже после смерти, легкие, извлеченные из убитых животных, плавают в воде – единственные органы, которые не тонут. Поэтому-то мясники и назвали их легкими. Тем не менее легкие взрослого человека весят от 2 до 2,5 фунта.

Установлено, что губчатая масса легких содержит в целом около 600 миллионов альвеол, поглощение кислорода возможно на общей поверхности площадью по меньшей мере 600 квадратных футов. Тогда без увеличения общего объема легких поверхность, подвергающаяся абсорбции, в 300 раз превышает ту поверхность, которую имели бы легкие, будь они простым мешком. Другими словами, площадь поверхности легких, на которой совершается газообмен, в 25 раз превышает общую поверхность кожи тела.

Легкие, как и остальные дыхательные пути, подвержены инфекционным воспалительным процессам. Одним из распространенных заболеваний легких является долевая пневмония. Ее зачастую называют просто пневмония, хотя этот термин в действительности относится к целому семейству легочных воспалений. При долевой пневмонии выделяемая жидкость заполняет зараженную часть легких. Часто поражена бывает только одна доля, отсюда и название, но, когда болезнь захватывает доли обоих легких, возникает так называемая двусторонняя пневмония.

Вторая бактериальная болезнь легких – туберкулез – получила такое название потому, что в очагах заражения образуются воспаленные узелки, называемые туберкулы (что по-латыни означает «небольшая опухоль»). Другое название – чахотка относится к истощению тканей, которое сопутствует этой болезни, и в результате создается впечатление, что все тело чахнет. Рак, который может поразить любую ткань организма, в последние десятилетия все чаще возникает в легких, что, похоже, спровоцировано ростом табакокурения после Второй мировой войны, ведь этот недуг гораздо чаще встречается у заядлых курильщиков, чем у некурящих.

Дыхание

Воздуха в легких недостаточно, чтобы довольно долго поддерживать жизнь. Через несколько минут запас кислорода закончится, и будет необходимо возобновить подачу воздуха. Старый воздух выводится, а новый подается с помощью дыхания. У взрослого человека в состоянии покоя частота дыхания составляет от 14 до 20 вдохов в минуту, в зависимости от габаритов индивидуума. Чем меньше человек, тем больше частота его дыхания, именно поэтому дети дышат гораздо чаще, чем взрослые. (Если уж на то пошло, частота дыхания крысы составляет 60 вдохов в минуту, канарейки – 108. А лошадь делает всего 12 вдохов в минуту.)

Даже за короткий промежуток времени между вдохом и выдохом состав воздуха изменяется в результате процессов, происходящих в легких.

Воздух, который вы вдыхаете, на 21 процент кислород и на 0,03 процента двуокись углерода. Воздух, который вы выдыхаете, на 14 процентов кислород и на 5,6 процента углекислый газ. (Как видите, не весь кислород заменяется углекислым газом. Некоторая часть его связывается, образуя воду, что не принимается в расчет при вычислении состава воздуха. Он обычно подсчитывается на основе «веса в сухом состоянии», когда количество воды вычитается.)

Содержимое легких за один вдох и выдох не обновляется полностью. Фактически, при обычных условиях покоя расширение и сжатие легких едва заметно. С каждым спокойным вдохом только 500 кубических сантиметров воздуха входит в легкие, а с каждым спокойным выдохом 500 кубических сантиметров воздуха их покидает. И даже эти цифры несколько преувеличены. При обычном вдохе первый воздух, попадающий в сами легкие, – это тот, который находился в бронхах, гортани и носу, то есть выведенный из легких в процессе предыдущего выдоха, но не вытолкнутый в окружающую среду. Затем, после того как процесс вдыхания завершился, некоторая часть свежего воздуха, который вошел через ноздри, остается в дыхательных ходах, где он бесполезен, и выдыхается снова еще до того, как сможет попасть в легкие. «Мертвая зона», представленная дыхательными ходами между ноздрями и легкими, составляет до 150 кубических сантиметров, поэтому свежий воздух, который действительно входит в легкие с каждым вдохом, может составлять не более 350 кубических сантиметров. Это только 1/₁₈ общей вместимости легких и называется дыхательный объем.

Частичной замены воздуха внутри легких (альвеолярного воздуха) посредством нашего нормального поверхностного дыхания вполне достаточно для привычных целей. Мы к тому же способны сделать глубокий вдох, принуждая пойти в легкие гораздо больше воздуха, чем попадает туда обычно. После того как 500 кубических сантиметров воздуха попали в легкие при спокойном вдохе, можно всосать 2500 дополнительных кубических сантиметров. С другой стороны, можно приложить усилие и вытолкнуть 700 кубических сантиметров дополнительного воздуха из легких после того, как завершится обычный спокойный выдох. Если постараться и выдохнуть из легких весь воздух, а затем сделать самый глубокий, какой только возможно, вдох, то гораздо более 4000 кубических сантиметров нового воздуха могут попасть в легкие за один вдох и выдох. Это жизненная емкость легких – ЖЕЛ[9].

Даже приложив максимум усилий, легкие невозможно полностью лишить воздуха. После того как последний пузырек воздуха с усилием выталкивается наружу, там остается около 1200 кубических сантиметров. Это остаточный объем – мера необходимой неэффективности легких, вызванной тем фактом, что эти органы «тупиковые». (В этом отношении птицы приспособлены гораздо лучше, чем млекопитающие, поскольку у первых в некоторых из трубчатых костей и в мышцах имеются воздушные мешки. При дыхании альвеолярный воздух полностью выталкивается из легких и попадает в эти воздушные мешки, таким образом легкие основательно вентилируются. Эта несколько лучшая приспособленность важна для птиц, поскольку полет в воздухе – процесс более энергопоглощающий, чем передвижение по земле.)

Дыхание находится как под сознательным, так и под неосознанным (непроизвольным) контролем. Вы можете, если пожелаете, заставить свои легкие подчиняться вашему желанию – заниматься дыхательной гимнастикой или полностью задержать дыхание на несколько минут. Этот осознанный контроль важен, поскольку дает нам возможность плавать под водой или миновать место, наполненное ядовитыми парами. Менее очевиден тот факт, что мы не можем говорить, если не будем контролировать свое дыхание. (Попробуйте говорить не переводя дыхания и делая время от времени быстрые вдохи между словами. Именно эта задержка дыхания заставляет вас замолчать, чтобы передохнуть после того, как вы говорили слишком быстро и слишком долго. И одно из необходимых требований театральной жизни состоит в том, что актер учится контролировать свое дыхание до такой степени, чтобы быть способным произносить пространные речи или петь длинные арии звучным голосом без необходимости останавливаться, чтобы восстановить дыхание, за исключением тех ненавязчивых пауз, которые не противоречат замыслу постановки.)

Но с дыханием в большей мере связан неосознанный контроль. Когда мы спим или бодрствуем, но думаем о другом, дыхание следует равномерному ритму с частотой и интенсивностью, предназначенными доставлять нам кислород, в котором мы нуждаемся в данный момент.

Этой неосознанной скоростью дыхания управляет концентрация углекислого газа в альвеолах. Если концентрация превышает норму, дыхание учащается и становится глубже. Если концентрация снижается и становится ниже нормального предела, дыхание замедляется и становится поверхностным.

Когда осознанный контроль дыхания доводит человека до критической точки опасности, на сцену вступает неосознанный контроль. Таким образом, если вы намеренно дышите неглубоко или задерживаете дыхание, вам быстро станет не по себе. Рано или поздно вы сдадитесь, и, поскольку позволили двуокиси углерода скопиться в своих легких из-за недостаточной их вентиляции, вам волей-неволей придется пройти период глубокого и быстрого дыхания, которое снизит концентрацию углекислого газа до нормы. Даже если вы примете твердое решение задерживать дыхание до тех пор, пока не потеряете сознание, неосознанный механизм контроля все равно вступит в действие. Детям, которые угрожают покончить жизнь самоубийством, перестав дышать, никогда не удается этого сделать.

Если же вам приходилось стоять на вершине холма, наверняка свежий деревенский воздух производил на вас такое сильное впечатление, что вы начинали делать глубокие вдохи и в конце концов расходовали почти весь альвеолярный углекислый газ. У вас начинала кружиться голова (опьянение кислородом), и приходилось сидеть, приходя в себя, фактически приостановив дыхание.

Скорость дыхания изменяется неосознанно и по причинам иным, чем ваше намеренное вмешательство в работу легких. Когда скорость химической активности организма возрастает в результате физической нагрузки – занятий спортом или подъема по лестнице – либо от чрезмерного нервного напряжения, вырабатывается и вливается в легкие больше двуокиси углерода. Дыхание автоматически становится глубоким и быстрым, у вас возникает одышка.

Если, однако, вы пребываете в тишине и в неподвижности (то есть когда факторов, раздражающих ваши органы чувств, немного или они монотонны по своей природе), ваше дыхание становится поверхностным. Это, в свою очередь, включает процесс засыпания. При условиях, когда погружение в сон будет социально неприемлемо, желательно основательно провентилировать легкие; имеющий в этом случае место тип принудительного вдоха называется зевок. К несчастью, в обществе зевок считается скорее признаком сонливости и скуки, чем попыткой нарушить ритм поверхностного дыхания, который приводит к засыпанию, поэтому откровенный зевок так же неприемлем в обществе, как и погружение в сон. В условиях, когда вы не можете ни спать, ни зевать, попытка остаться бодрствующим может стать пыткой.

Легочная ткань эластична и при жизни находится в растянутом состоянии, поэтому ей свойственна нормальная тенденция к сокращению. При рождении легкие младенца конечно же не наполнены воздухом. В момент, когда он делает первый вдох (традиционно стимулированный шлепком по ягодицам в положении ребенка головой вниз), легкие наполняются и расширяются, прижимаясь к ребрам грудной клетки. Этот контакт опосредованный. Легкие окружены оболочкой, называемой плеврой (что по-гречески значит «ребро»), которая прилегает к легким, затем складывается вдвое и прилегает к грудной клетке. Получается двойная оболочка (с жидкостью между двумя слоями), по которой ребра и легкие могут скользить друг относительно друга с незначительным трением. Иногда плевра воспаляется от инфекции (такое состояние называется плеврит), и тогда дыхание становится мучительно болезненным.

Когда грудная клетка приподнимается, диафрагма давит вниз, легкие вынуждены расширяться, даже вопреки своей тенденции к сокращению. Альтернативой двухслойной плевре могло бы быть разделение их с помощью вакуума, но подобная ситуация невообразима. (Если у вас есть присоска типа той, что находятся на концах игрушечных детских стрел, попытайтесь приставить ее к влажному кафелю стены ванной и затем оторвать, не прибегая к скольжению или отслаиванию. Сделать вам это будет нелегко, значит, большая сила требуется и для того, чтобы отделить легкие от ребер при обычных обстоятельствах.)

Во время дыхания природная эластичность легочной ткани полезна, и для выдоха требуется меньшее мышечное усилие, чем для вдоха. Если бы воздух действительно мог попасть между ребрами и легкими, то эластичность легочной ткани обернулась бы большой опасностью. Рана в груди позволяет воздуху войти и нарушить вакуум, так что легкое сразу же спадается. Если рану закрыть, легкое будет медленно расширяться снова, поскольку воздух между легким и ребрами абсорбируется организмом.

Хирурги иногда намеренно используют такой эффект. Когда возникает необходимость дать легкому восстановиться после какой-либо болезни или хирургической операции в условиях, когда оно не будет постоянно раздражаться движениями, между легким и ребрами можно ввести воздух так, что одно легкое (конечно же не оба) спадется на некоторое время. К счастью, человеческий организм может продолжать вполне нормально существовать всего с одним действующим легким.

Движения при дыхании, к счастью, столь просты, что могут быть инициированы извне, даже когда собственный дыхательный механизм организма полностью выходит из строя. Это так называемое искусственное дыхание, приемов которого существует несколько. При некоторых легкие пострадавшего сжимаются под непосредственным давлением силы, а затем им дают расслабиться, снова и снова повторяя процедуру с периодичностью 10 или 12 раз в минуту. Воздух можно вдувать в легкие пострадавшего изо рта в рот. Последнее действие, когда его необходимо поддерживать продолжительный период времени, может имитировать механический аппарат искусственного дыхания.

Глава 6

Сердце и артерии

Внутренняя жидкость

Все то, чего достигает наша сложно устроенная система органов дыхания, это проникновение молекул кислорода через границу, которая отделяет окружающую среду от тканей. Куда же кислород поступает оттуда?

У одноклеточного организма сложностей не возникает. Как только молекулы кислорода пересекают оболочку, они оказываются внутри клетки, где вещества, составляющие клеточное содержимое, набрасываются на них. Даже если мы имеем дело более чем с одной клеткой, этот процесс иногда столь же прост. Если каждая клетка в равной степени подвержена воздействию окружающей среды (обычно это океан, иногда – пресная вода), каждая получает свою порцию кислорода непосредственно с помощью диффузии. Сравнительно большие организмы могут существовать таким образом, при условии, что каждая клетка имеет собственный «океанический фронт». Это означает, однако, что такой организм может быть не более чем двумерным. Медузы и ленточные черви относятся к самым длинным животным организмам из существующих, которые все еще зависят только от диффузии кислорода. Колокол (купол) медузы состоит из тонкого внешнего слоя клеток, внутри имеет неживое желеобразное вещество, в то время как ее длинные щупальца настолько тонкие, что ни одна клетка не располагается вдали от океана. Что же касается ленточных червей, по своему строению они походят на ленту, как следует из их названия: длинные и широкие, но плоские.

Для того чтобы построить трехмерную клеточную структуру, некоторые клетки должны довольствоваться тем, что будут спрятаны внутри, отрезаны от океана слоями других клеток. Как же эти внутренние клетки получают свой кислород? Они не могут полагаться на диффузию через испытывающие нехватку кислорода клетки, что лежат между источником кислорода и ними. Решение было найдено много сотен миллионов лет назад, когда некоторые примитивные червеобразные существа «отщипнули» кусочек океана, по сути дела сохранив его внутри структуры собственного организма. Таким образом появился «внутренний океанический фронт», который со временем стал гораздо более важным, чем изначальный внешний. В конце концов абсорбция кислорода из окружающей среды была ограничена небольшим специализированным отделом тела, как я уже объяснял в предыдущей главе. Кислород диффундирует через этот отдел и попадает во внутреннюю жидкость – кровь.

Для относительно небольших и простых организмов существование крови достаточно само по себе. Она может находиться в относительно сложных разветвленных каналах таким образом, что все клетки будут рядом с жидкостью. Кислород, поступающий в кровь, будет диффундировать во все части тела, а из крови – в каждую клетку. Процесс диффузии может охватывать относительно большие расстояния, но не может осуществляться через слои кислородпоглощающих клеток. Каждая клетка должна честно получить свою долю.

Но когда организм становится больше и сложнее, простой диффузией не обойтись. Продолжительность процесса диффузии такова, что части тела, находящиеся слишком далеко от областей поглощения кислорода, могут испытывать кислородное голодание. Возникает необходимость заменить стоячую заводь, скажем, на бегущий поток, который будет активно доставлять кислород к клеткам. Тогда отпадает необходимость полагаться на слепые, беспорядочные и довольно медлительные силы диффузии. Поток приведет в движение насос в форме полой мышцы, которая, расширяясь и сжимаясь, будет всасывать кровь, а затем с силой выбрасывать ее наружу. Этот насос – сердце. Когда кровь выталкивается из сердца под большим давлением, ткани нельзя подвергать прямому удару без повреждений. Следовательно, кровь, покидающая сердце, должна находиться в мускульных трубках (кровеносных сосудах), которые поглотят толчок и, разветвляясь, в конечном счете разнесут кровь к каждой части тела.

У некоторых форм нехордовых кровь возвращается к сердцу, просачиваясь вокруг клеток. Однако это медленный процесс, и цикл замедлен до такой степени, что для больших и сложных организмов просто неприемлем. У хордовых (и у отдельных нехордовых) кровь проходит по кровеносным сосудам повсюду, как от сердца, так и назад к нему. Кровь циркулирует по замкнутому кругу таким образом, что сердце, кровеносные сосуды и кровь составляют то, что называется системой кровообращения. (В действительности эта система не совсем замкнутая. Существует нечто вроде утечки, но об этом в следующей главе.)

Строение сердца у разных групп организмов различное, и неудивительно, что более сложное оно у более сложных существ. Нехордовые, такие, как земляные черви, имеют замкнутую систему кровообращения, и в такой системе часть одного из кровеносных сосудов сокращающаяся. Волна циклических сокращений проходит по всей его длине, проталкивая кровь вперед. Такое простейшее сердце, всего лишь пульсирующий сосуд, также можно найти у примитивных хордовых, таких, как ланцетник. У позвоночных, однако, пульсирующий сосуд расширяется, образуя несколько полых камер. Увеличив свой объем, насос способен лучше перекачивать кровь, точно так же, как вы сможете ударить сильнее, если перед этим сделаете глубокий вдох. Увеличившемуся в объеме насосу, естественно, требуется мышечная стенка гораздо более толстая и сильная, чем стенка любого кровеносного сосуда.

У рыб сердце состоит из двух главных камер. Передняя камера – это предсердие, или атриум (от латинского «преддверие», или «прихожая», поскольку она служит входом для следующей камеры с более мускулистыми стенками). Предсердие сокращается и посылает кровь в заднюю камеру, которая называется желудочек. Предсердие служит своего рода хранилищем крови, собирая ее из входящих кровеносных сосудов, а затем, выталкивая в желудочек, который под действием внезапного растягивания мышц, способствующих всасыванию крови, отвечает особенно мощным сокращением. Когда желудочек сокращается, кровь с силой выбрасывается в кровеносные сосуды, которые ведут ко всем органам организма. Кровь несет кислород, используемый клетками, между которыми она проходит так, что к тому времени, когда возвращается в предсердие, содержание в ней кислорода фактически должно быть пулевым. Но оно не нулевое, благодаря жабрам. Кровеносные сосуды подходят к жабрам и там собирают кислород. Богатая кислородом кровь из жабр смешивается с кровью, бедной кислородом, из оставшихся органов, и та кровь, которая содержится в большинстве сосудов, – это смесь того и другого – как говорится, на удивление богатая кислородом кровь.

Это вполне подходит для рыб, но ранние формы наземной жизни, обзаведясь легкими, начали отделять систему циркуляции воздуха от всего остального. Сердце амфибий имеет два предсердия. Сосуды, приносящие из легких кровь, богатую кислородом, входят в одно предсердие, а сосуды, несущие кровь из остальных органов организма (бедную кислородом), входят в другое. Сокращающийся желудочек затем поочередно решает две задачи: посылает бедную кислородом кровь в легкие за добавочной порцией кислорода, а затем кровь, обогащенную кислородом, отправляет к остальным органам тела. Процесс смешивания двух типов крови был сокращен, но не устранен полностью.

У рептилий желудочек находится на пути разделения на две части, и этот финальный этап доведен до завершения у птиц и млекопитающих. Последние, будучи теплокровными, используют кислород с огромной скоростью, и эффективность просто не может не повышаться. У птиц и млекопитающих (включая и нас с вами, конечно) сердце четырехкамерное и состоит из двух предсердий и двух желудочков. На самом деле это двойной насос, объединенный в один орган и очень тщательно синхронизированный. Вся кровь проходит по очереди через каждый из насосов. Насос под номером один посылает ее в легкие, где она собирает кислород. Богатая кислородом кровь возвращается в насос под номером два. Она совсем не смешивается с кровью, бедной кислородом, но появляется из насоса под номером два обогащенной кислородом и несет свой богатый запас кислорода к оставшимся органам тела. При этом она теряет кислород и по возвращении в насос номер один снова отправляется к легким. И таким образом цикл продолжается.

Но теперь давайте обратимся к человеку.

Кровообращение

Человеческое сердце – это орган конической формы, длиной около 5 дюймов и шириной 3,5 дюйма, или, грубо говоря, размером с кулак человека. Оно весит около 10 унций у взрослых мужчин и 8 унций у женщин. Располагается оно в грудной полости, сразу за грудиной и между легкими. Хотя сердце и располагается посередине, его оси симметрии не вертикальны. Острие конуса наклонено влево. Это острие высовывается из-за грудины, и именно в этом месте можно легко обнаружить биение сердца на ощупь или же его услышать. Именно это дает не искушенным в медицине людям ошибочное представление о том, что сердце находится далеко слева.

Сердце – это, по существу, большая мышца, которая по своей природе не является ни скелетной, ни висцеральной, а занимает промежуточное место между ними; поэтому его можно отнести к классу сердечных мышц. Сердечная мышца должна иметь надежность и силу сокращения скелетной мышцы. Однако в отличие от обычных полосатых мышц сердечная мышца находится полностью под непроизвольным контролем. В этом отношении она напоминает висцеральную мышцу. Сердечная мышца отличается от скелетной мышцы также тем, что клетки, составляющие ее, не разделены, а соединены в различных местах. Такие скопления клеток называются синцитий (что по-гречески означает «клетки вместе»). Сердце состоит из двух синцитиев, один из которых образует два желудочка, а другой – два предсердия. Существование этих синцитиев обеспечивает действие сердечной мышцы как единого целого; и для сердца, как ни для какого другого органа, важна точная синхронизация действий.

Сердце, подобно легким, окружено многослойной оболочкой. Это перикард (что по-гречески значит «вокруг сердца»), присоединенный к грудине спереди и диафрагме внизу, внутренняя же его часть примыкает к сердцу. Между этими двумя оболочками находится жидкость, и когда сердце бьется, то оно сдвигается по отношению к грудине и диафрагме, а эта жидкость служит смазкой, призванной уменьшить трение.

Давайте начнем описание системы кровообращения человека с правого предсердия. По-латыни предсердие человека обычно называется auricula (в переводе – «ушко»), поскольку кажется, что оно свисает с верхней части сердца, подобно собачьему висячему уху, хотя анатомы предпочитают термин «атриум». Кровь попадает в правое предсердие, после того как прошла через все органы тела, поэтому фактически не содержит кислорода; первая задача сердца – постараться исправить такое положение. Следовательно, запускается эффективный механизм.

Между правым предсердием и правым желудочком находятся три маленьких выступа, или заостренных лоскутка ткани, – створки. Они соединены связками с маленькими папиллярными (сосковидными или прыщевидными) мышцами, прикреплениями к внутренней стороне желудочка. Эти створки складываются на этих связках в обратном направлении и не препятствуют потоку крови, продвигающемуся в направлении к ушку. Следовательно, по мере того как кровь входит в ушко, она вливается, минуя эти самые створки, также и в желудочек. К тому времени, как предсердие заполняется кровью, желудочек тоже заполнен.

Когда правое предсердие заполнено, его мышечная оболочка сокращается, и содержимое добавляется, минуя створки, к тому, что уже там находилось. Расширенные мышечные стенки желудочка в результате этого наплыва крови начинают сокращаться особенно сильно. Когда это происходит, первая волна крови, направленная в ушко, крепко прижимает тканевые створки к отверстию, накрепко запечатывая его. Теперь кровь не может протолкнуться через створки и в другом направлении, поскольку связки крепко удерживают их, сдерживая натиск потока крови. Другими словами, кровь может проходить из предсердия в желудочек, минуя эти створки, но не наоборот. Эти створки образуют односторонний клапан, тот самый, который называют трехстворчатым клапаном. В сердце, как и в системе кровообращения, много других клапанов, все работают по тому же принципу, и строение всех обеспечивает ток крови только в одном направлении. Поскольку кровь из сокращающегося желудочка не может быть вытолкнута назад в предсердие, она вынуждена просачиваться через другое отверстие, имеющееся в желудочке. Через это отверстие она выливается в большой кровеносный сосуд, ведущий к легким.

Стенка правого желудочка по мускульной силе превосходит стенку правого предсердия, поскольку предсердию нужно только протиснуть кровь в соседнюю камеру, а желудочек должен заставить ее двигаться к легким. Для этого требуется гораздо большее усилие.

Кровеносный сосуд, получающий кровь из желудочка и ведущий ее от сердца к другим органам, – это артерия (от греческого «воздушный канал»). Такое название было дано сосудам, потому что, как оказалось, у мертвых они пустые, и поэтому древние анатомы решили, что сосуды эти переносят воздух. Стенки артерий мускульные и эластичные. Как только кровь устремляется в артерию, мышечная стенка расширяется, чтобы вместить неожиданный наплыв крови. Как и в случае с самим желудочком, расширение следует за сокращением. В устьях артерий имеются полулунные клапаны (со створками, как следует из названия, в форме полумесяца). Они дают возможность крови войти в сосуд, но не позволяют вернуться назад. Сокращающаяся артерия может, таким образом, проталкивать кровь только в одном направлении – все дальше и дальше от сердца.

Кровь ударяется о стенки артерии, когда толчками выталкивается из желудочка, и распределяется по всей ее длине. Эти толчки можно прощупать в тех местах, где артерия проходит под кожей. Самое удобное место для измерения пульса (в переводе с латинского «биение») на запястье, под ладонью, именно там он традиционно и измеряется. Биение пульса конечно же синхронно совпадает с биением сердца, и в дни, когда лекарь мало что мог сделать, кроме как проверить наиболее очевидную работу органов тела, измерение пульса было важным диагностическим приемом. Теперь гораздо больше выводов о работе самого сердца можно сделать с помощью более надежных методов, чем определение пульса на ощупь, поэтому измерение пульса в наше время не столь важно.

Та самая артерия, которая принимает кровь из правого желудочка и несет ее к легким, – это легочная артерия. Легочная артерия разделяется на две, одно ее ответвление ведет к правому легкому, другое – к левому. Эти артерии продолжают разделяться, образуя ветви с сосудами, которые становятся все тоньше и тоньше, стенки их тоже постепенно утончаются. Самые маленькие артерии – артериолы – в конце концов разделяются на капилляры (что в переводе с латинского означает «подобный волосу». Они названы так из-за своей малой толщины – в действительности они гораздо тоньше волоса). Такое ветвление сосудов аналогично ветвлению бронхов на бронхиолы, а затем на альвеолы.

Стенки капилляров состоят из одного слоя плоских клеток, через которые легко осуществляется диффузия небольших молекул. Капилляры, на которые разветвляются артерии, почти столь же многочисленны, как и альвеолы, на которые разделяются бронхи, и действительно, вдоль каждой альвеолы располагается участок капилляра. Молекулы кислорода, проникающие через мембрану альвеолы, также проникают через стенку капилляра и оказываются увлеченными кровотоком. Кровь, которая входит в капилляры легких, испытывая дефицит кислорода, выходит из тех же самых капилляров обогащенной кислородом.

Постепенно капилляры начинают соединяться в несколько большие сосуды, затем – в еще большие. Такие большие кровеносные сосуды, несущие кровь из органов назад к сердцу, – это вены. Самые маленькие из них – это венулы. К тому времени, когда кровь оказывается в венах, толчки сердечного насоса больше нельзя почувствовать. Они полностью гасятся при трении крови о стенки многочисленных капилляров. Следовательно, в венах кровь течет гораздо медленнее и гораздо ровнее, чем в артериях. Поэтому, если вена перерезана, кровь течет из нее обильно, но спокойно. Из пореза артерии кровь фонтанирует рывками, в унисон с биением сердца. Артериальное кровотечение гораздо труднее остановить, и оно гораздо опаснее, чем венозное.

Поскольку венам не приходится смягчать удар сердечных сокращений, их стенки гораздо тоньше, чем стенки артерий, и не обладают большой мускульной силой. То, что они не используют нагнетательного действия, означает, что кровь в венах продвигается вперед не под непосредственным действием сердечной деятельности. Вместо этого ее движущая сила – сжатие соседними мышцами по мере их сокращений и расслаблений в процессе нормальной деятельности. Многие из больших вен имеют несколько односторонних клапанов, расположенных по всей длине (особенно вены, которые должны нести кровь к сердцу вопреки силе гравитации), и эти клапаны позволяют крови продвигаться только в одном направлении – к сердцу.

Та вена, в которую в конце концов объединяются капилляры и венулы легких, называется легочной веной. Эта вена несет свежеобогащенную кислородом кровь в левое предсердие, куда она попадает через односторонний клапан. Легочная артерия и легочная вена вместе со всеми меньшими сосудами между ними составляют малый круг кровообращения.

Из левого предсердия обогащенная кислородом кровь проходит в левый желудочек через клапан, состоящий из двух, а не из трех тканевых выступов – створок. Он называется митральным клапаном из-за двух створок, которые, соединяясь вместе, становятся похожими на митру епископа (церемониальный головной убор). Два клапана, трехстворчатый и митральный, называются одним термином – атриовентикулярные (предсердножелудочковые) клапаны.

Задачей левого желудочка является доставка крови, с помощью его сокращений, ко всем частям тела, за исключением легких, о которых заботятся правый желудочек и малый круг кровообращения.

Выйдя из левого желудочка, кровь должна идти дальше через гораздо большее количество капилляров, чем кровь, покидающая правый желудочек, которой нужно добраться всего лишь к близлежащим легким. По этой причине, хотя оба желудочка при каждом сокращении перекачивают одинаковое количество крови, левый желудочек должен делать это с усилием, в шесть раз превышающим усилие правого желудочка. Тогда совсем не удивительно, что мышечная стенка левого желудочка в два раза толще стенки правого (еще одна асимметрия сердца).

Сокращение левого желудочка проталкивает кровь через односторонний клапан в аорту (от греческого «подниматься», возможно, потому, что первые несколько дюймов аорты ведут прямо вверх).