В XIX в., по мере расширения использования электричества в качестве основного источника энергии, все более насущной становилась потребность в его передаче на большие расстояния. Поэтому неудивительно, что Томас Эдисон много размышлял над возможностями решения этой задачи. Впоследствии он стал ярым сторонником передачи электроэнергии с использованием постоянного тока. Как вы, наверное, знаете, мы используем два основных вида электричества: постоянный ток, столь дорогой Эдисону, в котором электроэнергия течет непрерывным потоком, подобно реке, и переменный ток, использующий пульсирующее, волнообразное движение, сходное с морскими волнами или с током крови в наших артериях. До 1880-х гг. на практике использовался только постоянный ток, отчасти потому, что электродвигатели на переменном токе еще не были изобретены, а отчасти потому, что передача энергии производилась по большей части на сравнительно короткие расстояния. Однако в пользу предпочтительного использования переменнотоковой передачи, особенно на большие расстояния, есть вполне здравые научные доводы, и не самый последний из них связан с возможностью выгодного использования пульсирующей природы переменного тока и согласования импедансов в точках ветвления для минимизации потерь энергии – точно так же, как это происходит в нашей системе кровообращения.
Появление индукционного электродвигателя переменного тока и трансформатора, которые создал в 1886 г. блестящий и вдохновенный изобретатель-футурист Никола Тесла, стало поворотным моментом, положившим начало «войне токов». В США эта война свелась к генеральному сражению между собственной компанией Эдисона (переименованной впоследствии в General Electric) и компанией George Westinghouse. По иронии судьбы Тесла приехал из своей родной Сербии в Соединенные Штаты именно на работу к Эдисону: он должен был усовершенствовать технологию постояннотоковой передачи. Несмотря на успешное решение этой задачи, он продолжил работу и разработал еще более совершенную систему на переменном токе, патенты на которую он в конце концов продал компании Westinghouse. Хотя переменный ток в конце концов одержал победу и господствует сейчас в системах электропередачи всего мира, постоянный ток долго применялся еще и в ХХ в. Я вырос в английских домах с постояннотоковым электричеством и хорошо помню, как наш район перевели на переменный ток и мы вступили наконец в ХХ век.
Вы, несомненно, слышали о Николе Тесле – главным образом в связи с тем, что его имя использует одна широко разрекламированная компания, производящая изящные, роскошные электромобили. Однако до недавнего времени он был забыт почти всеми, если не считать физиков и инженеров-электротехников. При жизни он был знаменит не только своими великими достижениями в области электротехники, но и своими несколько необузданными идеями и эпатажными выходками: благодаря своей славе он даже попал на обложку журнала Time. А благодаря своим исследованиям и гипотезам о молниях, лучах смерти и усилении разума при помощи электрических импульсов, а также своей фотографической памяти, кажущемуся отсутствию потребности во сне и потребности в близких отношениях с людьми, он стал, со своим восточноевропейским акцентом, прототипом кинематографического образа «безумного профессора». Хотя его патенты принесли ему немалое состояние, он тратил все на свои исследования и умер в бедности: это случилось в Нью-Йорке в 1943 г. За последние двадцать лет его имя снова приобрело большую известность в популярной культуре, вплоть до столь уместного его использования автомобильной компанией.
11. Возвращаясь к метаболизму, сердцебиению и кровообращению
[59]Описанные в предыдущих разделах теоретические принципы объясняют масштабирование сердечно-сосудистой системы у разных видов, от землеройки до синего кита. Что не менее важно, они объясняют масштабирование внутри обычной особи, от аорты до капилляров. Поэтому, если вам по каким-либо странным причинам захочется узнать значения радиуса, длины, расхода крови, частоты пульса, скорости, давления и так далее для четырнадцатой ветви системы кровообращения среднего гиппопотама, теория даст вам ответ на эти вопросы. Собственно говоря, теория даст вам значения этих величин для любой ветви сети любого животного.
По мере того как кровь течет по сети, перемещаясь по все более и более мелким сосудам, силы вязкого сопротивления становятся все большими, что приводит к рассеянию все большего количества энергии. Эти потери энергии приводят к постепенному затуханию волны, продвигающейся вниз по иерархической сети, и в конце концов она теряет свои пульсирующие свойства и превращается в равномерный поток. Другими словами, сама природа потока порождает переход от пульсирующего движения в более крупных сосудах к равномерному в более мелких. Именно поэтому мы измеряем пульс на одной из основных артерий: в более мелких сосудах от него не остается почти никаких следов. Говоря языком электропередачи, природа тока крови превращает его по мере продвижения вниз по сети из переменного в постоянный.
Таким образом, к тому моменту, когда кровь достигает капилляров, ее вязкость обеспечивает устранение ее пульсации и чрезвычайно сильно замедляет ее движение. Скорость движения крови падает приблизительно до одного миллиметра в секунду, что чрезвычайно мало по сравнению со скоростью 40 см в секунду, с которой кровь покидает сердце. Это очень важно, потому что такая низкая скорость дает кислороду, переносимому кровью, достаточно времени для эффективной диффузии сквозь стенки капилляров и быстрой доставки в клетки для их питания. Интересно отметить, что согласно предсказаниям теории эти значения скорости на двух концах сети, в капиллярах и в аорте, должны быть одинаковыми для всех млекопитающих, – как и показывают наблюдения. Скорее всего, вы знаете об этой огромной разнице скоростей в аорте и в капиллярах. Если уколоть кожу, кровь будет крайне медленно сочиться из капилляров, и повреждения организма будут незначительными. Если же перерезать одну из крупных артерий – аорту, сонную или бедренную артерию, – то кровь хлынет из нее струей, и человек может умереть всего за несколько минут.
Но по-настоящему удивительно другое предсказание теории: кровяное давление тоже должно быть одинаковым у всех млекопитающих независимо от их размеров. Хотя сердце землеройки весит всего около 12 мг, столько же, сколько приблизительно 25 крупинок соли, а радиус ее аорты составляет всего около 0,1 мм – то есть ее трудно даже увидеть, а сердце кита весит около тонны, почти как малолитражный автомобиль, а радиус его аорты составляет около 30 см, уровни их кровяного давления приблизительно одинаковы. Это совершенно поразительно, стоит только подумать о том огромном напряжении, которое испытывают стенки малюсенькой аорты и артерий землеройки, по сравнению с давлением на наши артерии, не говоря уже о ките. Неудивительно, что этот зверек живет всего год или два.
Физику тока крови первым стал изучать замечательный ученый-энциклопедист Томас Юнг. В 1808 г. он вывел формулу зависимости его скорости от плотности и упругости стенок артерий. Его эпохальные открытия сыграли важнейшую роль в понимании работы сердечно-сосудистой системы и разработке методов использования измерений пульсовых волн и скорости тока крови для изучения и диагностики ее заболеваний. Например, по мере старения артерии затвердевают, что приводит к значительным изменениям их плотности и упругости и, следовательно, к предсказуемым изменениям тока крови и частоты пульса.
