Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
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.)
Ион водорода — одно из самых активных химических веществ. Почти любая химическая реакция проходит быстрее или медленнее, в зависимости от концентрации ионов водорода. Организм, в котором протекают тысячи реакций, должен следить, чтобы концентрация ионов водорода в тканях поддерживалась на нужном уровне.
Что касается крови, то концентрация ионов водорода должна быть такой, чтобы среда оставалась слегка щелочной. В крови только один ион водорода приходится на каждые двести сорок миллиардов молекул воды, это всего одна четверть от того числа, которое должно присутствовать, чтобы кровь была нейтральной.
Это маленькое количество ионов надо сохранить. Если концентрация ионов водорода увеличивается на 35 % или падает на 25 % от исходного уровня, нарушаются химические механизмы регуляции постоянства внутренней среды, и тогда может наступить смерть. В ходе химических реакций постоянно образуются или утилизируются щелочные или кислотные по природе вещества. Они могут попадать в поток крови или выходить из него. В любом случае они изменяют концентрацию ионов водорода в ту или другую сторону, и эти колебания должны быть сведены к минимуму.
Химики представляют концентрацию ионов водорода в растворе величиной pH[2]. Нейтральный уровень pH составляет 7,0. Меньшие значения pH указывают на кислый раствор — чем ниже pH, тем выше кислотность. Большие значения говорят о щелочном растворе. Поскольку pH — это обратный десятичный логарифм, то в растворе с pH, равным 6,0, концентрация ионов водорода в десять раз выше, чем в растворе с 7,0. pH, равный 5,0, свидетельствует о том, что концентрация ионов водорода в десять раз выше, чем при pH, равном 6,0. В растворе с уровнем pH 8,0 концентрация ионов водорода составляет всего одну десятую часть от присутствующих в растворе с pH 7,0. pH крови равен 7,4, он не должен опускаться ниже 7,32 и подниматься выше 7,46.
Одним из самых важных средств защиты от смертельно опасного изменения уровня pH является сочетание в крови углекислого газа, углекислоты и иона бикарбоната.
Предположим, что в процессе химических реакций в кровь попадает некоторое количество кислоты. Она является новым источником ионов водорода, поэтому их концентрация в крови возрастает, а уровень pH падает.
Но как только появляются эти дополнительные ионы водорода, некоторые из них соединяются с бикарбонатными ионами, образуя углекислоту, которая, в свою очередь, расщепляется на воду и углекислый газ, выводящийся через легкие. Таким образом, избыток ионов водорода не приводит к значительным изменениям уровня pH.
Допустим, что в кровь попадает некоторое количество щелочи — вещества, которое вступает в реакцию с ионами водорода и убирает их из раствора, снижая их концентрацию до опасно низкого значения.
Однако, чтобы этого не случилось, вновь на защиту встает углекислый газ, но на этот раз действия происходят в обратном порядке. Углекислота отдает ионы водорода, чтобы заместить потерянные, и переходит в бикарбонатные ионы. Чтобы восстановить содержание углекислоты в крови, углекислый газ, который до этого выходил из крови в легкие, задерживается в ней и, соединяясь с водой, образует угольную кислоту.
Таким образом, углекислый газ защищает кровь от нежелательных изменений уровня pH в крови. Бикарбонатный ион играет роль сухой губки, впитывающей ионы водорода, когда их слишком много. Углекислота действует как влажная губка, из которой можно выжать ионы водорода, когда их слишком мало. Они позволяют сохранить постоянный баланс pH.
Система, состоящая из углекислоты и бикарбонатных ионов, которая поддерживает pH на постоянном уровне, представляет собой пример того, что химики называют буферной системой, или просто буфером.
В крови содержатся и другие буферы, но система углекислоты и бикарбонатных ионов самая важная, потому что она находится под более тщательным контролем, чем остальные. Из всех буферов только этот представляет собой равновесие с газом, который может удаляться быстрее (при учащении дыхания) или медленнее (при замедлении дыхания).
Именно углекислый газ, а не количество кислорода в атмосфере контролирует частоту дыхания. Обычно границу между сферами деятельности этих двух газов провести сложно, поскольку, как правило, если в крови слишком много углекислого газа, то мало кислорода. Если вы начинаете дышать быстрее, чтобы избавиться от двуокиси углерода, то автоматически пополняете запас кислорода. То же самое происходит и в обратном случае.
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.
