Клетка и кислород

Но природа хорошо позаботилась, о человеке. Кровеносная система, обеспечивающая мозг кислородом, весьма совершенна. Достаточно сказать, что суммарная протяженность тончайших сосудов-капилляров, пронизывающих только один кубический сантиметр коры, составляет несколько сот метров, а общая площадь поверхности капилляров и эритроцитов в несколько тысяч раз превышает площадь поверхности всего человеческого тела.

Практически каждая крупная нервная клетка мозга окружена несколькими капиллярами. Однако, несмотря на то, что капилляры открыты более 300 лет назад, до самого последнего времени не было точно известно, каким образом живительный газ передается от них к клеткам. По аналогии с известными механизмами переноса различных веществ в живых организмах можно было предположить, что и здесь главную роль играют активные электрические и химические процессы. Но кислород может передаваться клеткам и гораздо проще: с помощью диффузии. Это физическое явление, заключающееся во взаимном проникновении соприкасающихся веществ, широко распространено в природе. Только способна ли одна диффузия справиться с выполнением такой непростой задачи?

Итак, активные электрохимические процессы или пассивная диффузия? Чтобы ответить на вопрос, нужно было измерить концентрацию кислорода во многих точках пространства между соседними капиллярами. Правда, само слово «пространство» в данном случае звучит чересчур громко. Ведь один капилляр от другого отделяют лишь сотые доли миллиметра.

Помогла математика. На листе бумаги изобразили пространственную модель элементарной ячейки мозга, состоящую из одной нервной клетки, окруженной капиллярами. Естественно, при этом пришлось пойти на некоторые упрощения. Реальный нейрон представили в виде шара с диаметром, равным средним размерам типичной нервной клетки, и вписали его в параллелепипед, ребрами которого служили четыре «типовых» капилляра. Эта математическая модель, несмотря на ее видимую схематичность, дала экспериментаторам «уникальный метод, который позволит точно, без погрешностей рассчитать существующие взаимоотношения между капиллярами и клетками».

И действительно, при составлении дифференциальных уравнений, описывающих поведение модели, учитывались только что полученные и ранее известные реальные физиологические параметры мозга человека и млекопитающих животных. Именно это гарантировало достоверность результатов моделирования.
Теперь уже размеры ячейки роли не играли. Нужно было только правильно составить и решить систему уравнений. Но для этого не хватало некоторых важных данных. Например, было неизвестно, сколько кислорода потребляет каждая нервная клетка и с какой скоростью движется кровь по капиллярам.

Чтобы выяснить это, физиологи выполнили остроумные эксперименты. Сначала у подопытных животных создали искусственный круг кровообращения. Бьющееся сердце и живой мозг соединили пластмассовой трубочкой. Врезав в нее специальный трехходовой кран, определили объем крови, поступающей в определенный участок коры мозга, и количество содержащегося в ней кислорода. Затем в отмытый мозг умерщвленного животного с помощью того же катетера вместо крови вводили жидкий краситель. Краска проникала только в тот участок коры, который участвовал в опыте. Окрашенную ткань вырезали и взвешивали. Таким образом экспериментаторы выяснили, сколько кислорода в среднем потребляет каждый грамм коры.

Но, как известно, в мозговой ткани собственно нервные клетки — нейроны составляют лишь десятую часть объема, а вот кислорода они потребляют во много раз больше, чем окружающие их ткани-. Приняв все это во внимание/ нетрудно было рассчитать потребление кислорода одним нейроном. Как и ожидалось, эта величина оказалась очень большой — в несколько раз превышающей потребление кислорода и соответственно энергии клетками напряженно работающей сердечной мышцы.

Моделирование позволило сделать совершенно однозначный вывод: диффузия может успешно справиться со снабжением клеток мозга кислородом.