По пути эти существа, оснащенные подобными приспособлениями, превзошли многие организмы, у которых не было таких систем, и последние вымерли. Хотя и не все. Кораллы, медузы и гребневики отделились от остальных беспозвоночных до развития мезодермы, производящей мышцы. Хотя они не унаследовали мышечную ткань от своих предков, представители типа Cnidaria развили свои собственные эволюционные преимущества, такие как токсины и жалящие клетки, чтобы отгонять хищников. Благодаря этому они смогли жить припеваючи.
Системы кровообращения развивались не в вакууме – хоть и стали, безусловно, революционными. Кровеносные сосуды – это прекрасно, но важной причиной успеха организмов, обладающих системами кровообращения, было то, что они развили и другие системы органов, в частности дыхательную. Формируясь и функционируя в тандеме, эти две системы решили проблему перемещения большого количества газов в тело и из него – и в результате они позволили организмам, подобным хордовым, справиться с энергетическими затратами, связанными со все более сложными процессами и поведением.
Большинство дыхательных систем состоят в основном из аппаратов газообмена, таких как жабры или легкие. Их основная функция – облегчать поглощение кислорода, который необходим для жизнеобеспечения химических реакций, происходящих в организме. Эти реакции известны как метаболические процессы, а в совокупности они называются метаболизмом организма. Один из самых важных среди этих процессов – высвобождение полезной энергии из пищи, которую мы едим. По мере процесса пищеварения питательные вещества из еды расщепляются на более мелкие молекулы, такие как углеводы, жиры и белки. Благодаря процессу под названием клеточное дыхание, глюкоза из сахара (углевод) преобразуется в аденозинтрифосфат (АТФ), энергетическую валюту клетки. Мышечные волокна и другие клетки обладают способностью разрушать химические связи, удерживающие АТФ вместе, и эта энергия может потом использоваться как топливо для таких процессов, как восстановление, рост и сокращение мышц. Чрезвычайно важно, что химические реакции, участвующие в этом молекулярном распаде и высвобождении энергии, требуют кислорода. А обеспечивают его приток в организм как раз жабры и легкие.
Но это еще не все. Клеточное дыхание производит не только энергию, но и отходы: углекислый газ (СО2), токсичный для многих организмов. В результате приходится постоянно избавляться от СО2, пока он не накопился до вредных уровней. Таким образом, большинство систем кровообращения играют двойную роль, доставляя кислород от жабр или легких к клеткам тела и одновременно перенося отходы метаболизма в жабры или легкие, где они выводятся из организма. (Кстати, о птичках: хотя многие люди думают, что мы дышим быстрее во время тренировки из-за повышенной потребности в кислороде, именно необходимость устранить избыток углекислого газа заставляет нас сопеть и пыхтеть.)
По мере развития дыхательных систем усложнялись и системы кровообращения, обеспечивающие движение жидкости, называемой кровью
[20], по всему телу. Самые ранние свидетельства существования этой двойной системы датируются примерно 520 миллионами лет назад – у членистоногих Fuxianhuia protensa
[21], впервые обнаруженных в окаменелостях уезда Чэнцзян на юго-западе Китая8.
Проходящая через ряд сократительных сосудов: артерии, вены и в конечном счете капилляры – кровь тогда, как и сейчас, вероятно, была нужна для доставки питательных веществ и газов в каждую клетку организма и вывода отходов из нее. Не менее важно и то, что такое устройство позволяло доставлять и принимать все эти вещества на приличном расстоянии от внешней поверхности организма. В то время как диффузия по-прежнему остается незаменимой штукой, когда речь идет о перемещении этих продуктов в клетки тела и из них, питательные вещества, газы и отходы теперь путешествуют по кровеносным сосудам, чтобы пройти на выход, вместо того чтобы просачиваться туда и обратно, слой за слоем, во внешнюю среду и из нее.
Теперь перенеситесь на 500 миллионов лет вперед от Fuxianhuia protensa и представьте себе 500 миллионов крошечных мешковидных альвеол (примерно 0,2 миллиметра в диаметре) на кончиках бронхов, глубоко внутри ваших легких. Каждая альвеола окружена сетью капилляров, крошечных кровеносных сосудов диаметром примерно в одну десятую толщины человеческого волоса. Это микроскопические участки газообмена между дыхательной и кровеносной системами. И у альвеол, и у капилляров стенки чрезвычайно тонкие, в один клеточный слой, что обеспечивает быстрый обмен газами. Но, хотя каждая из них крошечная, взятые вместе альвеолы покрывают поверхность примерно в 100 квадратных метров, позволяя обрабатывать большое количество воздуха, которым мы дышим. Когда мы вдыхаем, кислород диффундирует из альвеол в альвеолярные капилляры, откуда он переносится все более крупными кровеносными сосудами к сердцу (на этот раз в левое предсердие) и, когда левый желудочек сокращается, уходит в тело. CO2 движется в противоположном направлении: из альвеолярных капилляров в альвеолы, во время выдоха отправляясь в окружающую среду.
Ладно, время примера. Готовы? Вдохните… потом выдохните.
Вот и все. Теперь прочтите абзац выше еще раз, потому что именно то, что в нем описано, и произошло во время этого упражнения.
Такое взаимодействие между кровеносной и дыхательной системами – лишь один из многих способов, которыми связаны системы органов, они функционируют вовсе не по отдельности, как, к сожалению, мы впервые это узнаем из отдельных глав в учебнике. Поскольку такое мышление вредно для реального понимания того, как работают биологические системы, я постоянно предупреждаю об этом своих студентов на курсе анатомии и физиологии человека. Я говорю им, что системы органов взаимодействуют: они сотрудничают, они зависят друг от друга – и по отдельности большей частью бесполезны.
К сожалению, иногда этот синергизм теряется. Сбой в одной системе вызывает цепную реакцию в других – подобное случается при таких болезнях, как эмфизема. Эмфизема – это дегенеративное и неизлечимое респираторное заболевание, характеризующееся систематическим разрушением альвеол в легких. В результате уменьшается их число и нарушается функция – служить крошечными посредниками между атмосферой, которой мы дышим, и системой кровообращения, перемещающей кислород и углекислый газ по всему телу.
Причины эмфиземы различны, это и редко встречающийся наследственный дефицит белка, защищающего легкие
[22], и вдыхание производственной пыли и химических веществ, но основная причина – курение сигарет. В конечном итоге вместе с поражением дыхательной системы нарушается и ключевая функция системы кровообращения, поскольку кровь, возвращающаяся из пораженных эмфиземой легких, не в состоянии принести достаточное количество кислорода к тканям и органам тела, чтобы они могли нормально функционировать.
