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.
Угольная кислота может расщепляться и другим способом. Кислота — это вещество, молекулы которого могут терять часть своих атомов водорода. Атом водорода, лишившийся одного электрона, называется ионом водорода. В оставшейся части находится дополнительный электрон (тот, который принадлежал атому водорода), и такой атом называется бикарбонатным ионом. Эта реакция происходит в обоих направлениях, между которыми также существует равновесие. Химическое уравнение реакции можно изобразить следующим образом:
Образующиеся в результате этой реакции ионы имеют электрические заряды. Бикарбонатный ион несет отрицательный заряд, а ион водорода положительный заряд, и это представлено маленькими значками «минус» и «плюс» в верхней правой части формулы ионов.
Получается, что когда углекислый газ попадает в кровь, то в ней появляются три разных вещества: собственно углекислый газ, угольная кислота и бикарбонатный ион. Все эти три вещества находятся в состоянии равновесия. Добавьте к ним немного любого из трех веществ, и часть его быстро превратится в оставшиеся два. Удалите какое-то количество одного из трех веществ, и два других частично заменят утерянное. Таким образом, когда углекислый газ выходит в легкие, угольная кислота расщепляется и образует двуокись углерода, а бикарбонатные ионы связываются с ионами водорода, чтобы пополнить запас углекислоты. Это происходит само собой: организм просто следует бесстрастным и объективным законам химического равновесия. В результате любое локальное изменение «разбавляется» в большом объеме и сводится к минимуму. Это самое полезное свойство живой ткани — тонкой и хрупкой конструкции, не способной выносить резкие изменения.
Только не поймите последнее утверждение неправильно. Наш организм в состоянии выносить резкие изменения. Мы можем выйти из жарко натопленного дома на морозный зимний воздух, потому что внутренняя температура нашего тела даже при резком перепаде наружной остается неизменной. Большая часть химической активности организма направлена на предотвращение влияния изменения внешних условий на стабильное состояние внутренних тканей.
В качестве примера возьмем равновесие между углекислотой и бикарбонатным ионом, о которых мы только что говорили. Это один из самых важных химических механизмов, при помощи которых организм защищает нежные клетки от изменений, и по этой причине организм никогда не избавляется от углекислого газа полностью, сохраняя часть этого продукта распада для поддержания жизни.
Теперь о воде. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Сама по себе вода очень слабо распадается, теряя ион водорода (как это было в случае с угольной кислотой. Оставшаяся называется гидроксильным ионом (атом водорода + атом кислорода + электрон, оставшийся после отрыва иона водорода)[1].
Ионизация воды представляет собой еще одну реакцию, происходящую в двух направлениях для достижения равновесия. В чистой воде большинство молекул остаются целыми. Всего одна из шестидесяти миллиардов молекул воды ионизирована. То есть на шестьдесят миллиардов молекул приходятся всего один ион водорода и один гидроксильный ион. То, что в воде находится одинаковое количество ионов обоих видов, делает ее нейтральным веществом.
Эти два типа ионов поддерживают обратный баланс (по образцу качелей). Если концентрация ионов водорода увеличивается, соответственно падает концентрация гидроксильных ионов. Тогда этот раствор становится кислотой — чем больше в нем ионов водорода, тем сильнее выражена кислая реакция. С другой стороны, если концентрация ионов водорода уменьшается, концентрация гидроксильных ионов растет. Тогда раствор превращается в щелочь — чем больше гидроксильных ионов, тем сильнее выражена щелочная реакция. (При наличии воды концентрация обоих видов ионов никогда не достигает нулевой отметки.)
