Вдох. Выдох. Это действие кажется достаточно простым. Подышите немного. Почувствовали расслабление? За свою жизнь человек в среднем совершает более 600 миллионов дыхательных движений, даже не отдавая себе отчета. Дыхание сравнимо с марафоном без аплодисментов на финише. Большинство из нас воспринимает процесс дыхания как нечто само собой разумеющееся. Это так, пока не происходит обратное. Мало что может вызвать у человека такую панику, как неспособность дышать. Для меня потеря возможности сделать вдох всегда была темой ночных кошмаров. Каждый раз этот сон обретал новые подробности, но заканчивался одинаково: кто-то или что-то хватает меня – я начинаю кричать. Я не могу дышать. Не могу издать ни звука, начинаю паниковать. Я просыпаюсь. И подобное происходит с миллионами людей, живущих с хроническими заболеваниями легких и испытывающими тревогу при каждом вдохе.
При всей важности легких удивительно, сколь малы представления об этом органе у большинства людей. В основном люди имеют элементарные знания о работе сердца, а легкие при этом остаются тайной за семью печатями. Я проработала пульмонологом около 20 лет, и при общении с пациентами, независимо от их предшествующего опыта или уровня образования, практически каждый прием начинаю с одного и того же: достаю лист бумаги и рисую. Я изображаю структуру легких в виде перевернутого дерева. Объясняю, куда поступает воздух, как кровь перекачивается из сердца к легким, чтобы заменить углекислый газ на кислород, и возвращается обратно в сердце, откуда доставляется ко всем органам и тканям организма. Будучи врачом и исследователем, я также занимаюсь обучением. Я убеждена, что мои пациенты должны понимать, как работают их легкие: только тогда они будут настоящими партнерами в деле восстановления после болезни и сохранения здоровья.
Если вы относитесь к числу тех, кто не знает, как работают легкие, вы не одиноки. Веками люди пытались разгадать тайну дыхания. Более двух тысяч лет назад древнегреческий врач Гиппократ назвал дыхание признаком жизни. Однако, не имея возможности проводить анатомическое вскрытие, он считал, что душа рождается из воздуха (pneuma), который через нос проходит в мозг человека, и говорил это своим ученикам. Примерно в это же время Платон заявлял, что воздух попадает в организм через кожу и выходит через нос. Даже когда появилась возможность аутопсии, то, что кровь из сердца проходит через легкие и возвращается обратно, поняли не сразу, а лишь в начале XVII века. И только в 1775 году, когда французский химик Антуан Лавуазье открыл кислород, стало известно, что легкие выполняют две основные функции – насыщают кровь кислородом и освобождают ее от углекислого газа. Но даже сегодня в этой области остается довольно много неизведанного.
Легкие расположены в грудной клетке, окружая сердце по бокам, сверху и сзади. При вскрытии грудной клетки и извлечении сердца видно, насколько идеально легкие соседствуют с другими органами и тканями. Легкие точно повторяют форму прилегающих ребер. Правое легкое содержит три доли (верхнюю, среднюю и нижнюю), а левое – две (верхнюю и нижнюю); здесь же находится углубление, называемое сердечной вырезкой, где располагается сердце. При каждом вдохе легкие отходят от сердца, а при выдохе – возвращаются.
В организме живого человека легкие весят приблизительно 900–1000 г, и примерно половину их массы составляет кровь. У взрослого средняя емкость легкого при полном вдохе может составлять до 6 л воздуха, однако этот параметр зависит от пола человека и его массы тела. Воздух попадает в легкие через трахею и распределяется в левый и правый главные бронхи, ветвящиеся на дыхательные пути всё меньшего диаметра – дольковые бронхи и бронхиолы. Концевые части бронхов представляют собой мельчайшие пузырьки, содержащие воздух (альвеолы), в которых происходит газообмен.
Разветвленная структура дыхательных путей – прекрасный пример фрактального роста, часто наблюдаемого в природе, благодаря которому образуется форма, многократно повторяющаяся в уменьшающемся масштабе. Этот принцип основан на воспроизведении подобного, когда следующая меньшая деталь похожа на более крупную, давшую ей начало. Природа полна таких примеров, и один из них – ветвящееся дерево, образ которого знаком любому.
Если сравнивать строение легких и деревьев, у которых каждая ветка копирует предыдущую, давшую ей начало, то по этой аналогии трахее можно отвести роль основного воздухоносного пути и сопоставить ее со стволом. Далее от трахеи, подобно веткам, отходят 16 уменьшающихся бронхов, образующих, в свою очередь, по семь ветвей, оканчивающихся альвеолярными мешочками, в которых происходит газообмен. Последние присоединены подобно листьям на деревьях. Как легким, так и деревьям фрактальный рост позволяет максимально увеличивать поверхность, обеспечивающую газообмен. Деревья поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а легкие человека – наоборот. Подобно ветвям деревьев, дыхательные пути сами по себе не участвуют в газообмене, но при этом альвеолы выполняют роль наших «листьев».
Здоровые легкие человека достойны восхищения. Они состоят из мягкой ткани розового цвета, их поверхность блестит. При каждом вдохе и выдохе эти парные шарообразные органы расширяются и сжимаются, слегка подаваясь вперед и назад внутри оболочки, сформированной ребрами. Однако, в отличие от шаров, легкие не представляют собой идеальную сферу. Их элегантная форма повторяет контуры «жилища», в котором они расположились. Верхушка легких круглая, а внутренняя и внешняя поверхности вогнуты, чтобы вместить сердце и диафрагму. Нижняя часть легких имеет изящную куполообразную форму. Невероятно, но даже после извлечения из грудной клетки хрупкие легкие сохраняют свою форму.
И наоборот, больные легкие выглядят откровенно пугающе. Нездоровая фиброзная ткань съеживается и покрывается рубцами. На поверхности легких могут появляться похожие на бородавки волдыри, в которых застаивается воздух. Под воздействием загрязненной окружающей среды или табачного дыма некогда чистая, розовая ткань становится болезненно-серой, на поверхности появляются черные отложения. А легкие, пораженные эмфиземой, выглядят так, словно их изнутри пожирает паразит.
Однако немногим довелось стать свидетелями истинной красоты этого органа, так как его невозможно оценить в полной мере вне естественной среды. При разрезе легкое немедленно спадается. Я помню, как однажды на пляже мой сын увидел непонятную голубую субстанцию на песке и спросил меня, что это. Я объяснила, что это медузы. Только теперь они не выглядели как те грациозные создания, какими они были в аквариумах. Ту же аналогию можно провести с легкими.
Спадение легких усложняет изучение их микроструктуры. Для преодоления этой проблемы участники моей исследовательской группы наполняли этот орган газом и быстро замораживали в жидком азоте. В результате мы могли наблюдать фрагменты легкого с помощью специального микроскопа. Ткань здорового органа выглядит как плотная губка, а легкое, пораженное эмфиземой, вследствие повреждения альвеолярных мешочков больше похоже на мочалку. Более того, в таких легких образуется так много отверстий и остается так мало соединительной ткани, что замороженная ткань просто рассыпается в руке.
Опорные структуры легких состоят из хрящей и гладкой мышечной ткани. Как ни странно, с биологической точки зрения предназначение последней неизвестно. Возможно, она помогает воздухоносным путям противодействовать внешнему давлению, например при кашле. Точно можно утверждать, что гладкая мышечная ткань вовлечена в патологические процессы. При заболеваниях, развивающихся вследствие воспаления, таких как бронхиальная астма, эта ткань сжимается. Наряду с воспалением выстилки воздухоносного пути такая реакция способствует его сужению. У некоторых больных с более тяжелой бронхиальной астмой наблюдается увеличение гладкой мышечной ткани, что приводит к еще более выраженному сужению. Во время выдоха давление в альвеолах временно повышается, проталкивая воздух к выходу из легких, где давление ниже. Однако в суженных участках воздухоносные пути могут закрыться раньше, чем воздух выйдет из легких, а значит, он останется внутри. Это называется обструкцией воздушного потока.
Самые мелкие воздухоносные пути, бронхиолы, оканчиваются альвеолами, в которых происходит газообмен. В норме средняя длина легкого у взрослого составляет всего 24 см – размер небольшой буханки хлеба. При этом общая площадь всей поверхности этого органа достигает от 80 до 100 м2. Более 50 % альвеол расположены на внешней трети легкого, и поэтому на рентгенограмме грудной клетки внешний край кажется преимущественно черным. Этот эффект появляется из-за того, что рентгеновские лучи проходят сквозь воздух и отображаются на пленке (по крайней мере так было до изобретения цифровой рентгенографии!). И напротив, мягкие и костные структуры поглощают рентгеновские лучи, а потому на изображении мы видим белые тени.
Альвеолы можно описать как мельчайшие мешочки, наполненные воздухом. Хотя такое определение заставляет думать, что они имеют сферическую форму, точнее было бы говорить о многоугольнике. Стенки каждой альвеолы прилегают к соседним, обеспечивая поддержку. При микроскопическом исследовании среза легких они выглядят почти как соты. Альвеолы определяют предназначение этого органа. Именно в них происходят два наиболее важных процесса: насыщение кислородом и освобождение от углекислого газа. Для жизни человеку необходим кислород, который помогает клеткам извлекать из пищи энергию в форме, пригодной к употреблению. Без доступа кислорода смерть нашего организма, в частности головного мозга, становится неизбежной уже через 5 минут. Другой задачей легких можно назвать избавление организма от углекислого газа – побочного продукта жизнедеятельности клеточных «двигателей» организма. Избыток углекислого газа может привести к потере сознания. Нередки случаи госпитализации больных ХОБЛ в результате отравления углекислым газом (гиперкапнии). Горькая ирония заключается в том, что корень capnia происходит от греческого слова kapnos, то есть «дым». Углекислый газ – основной компонент табачного дыма, под действием которого часто развивается ХОБЛ.
Строение альвеол способствует максимальному газообмену за счет чрезвычайной тонкости стенок. Первичная структурная клетка альвеолы, называемая альвеолоцитом I типа, похожа на очень плоское яйцо с желтком-ядром посередине. Ее ширина составляет 50 микрон, что примерно соответствует толщине человеческого волоса, а толщина – менее 0,2 микрона. Каждая альвеола окутана плотной сетью кровеносных сосудов, называемых капиллярами. Они настолько малы, что эритроциты продвигаются сквозь них поодиночке, это максимально увеличивает их контакт с воздухом, содержащимся в альвеоле. Легкие способны пропустить таким образом весь объем крови за 45 секунд, при этом практически каждый эритроцит пройдет через мельчайший альвеолярный капилляр. Поэтому все, что способствует попаданию жидкости в эти кровеносные сосуды (например, пневмония) или повреждает их (фиброз легких), снижает способность этого органа насыщать кровь кислородом.
Кроме того, альвеолы содержат более редкие клетки – альвеолоциты II типа, которые занимают только 5 % площади альвеолы, но при этом выполняют чрезвычайно важную функцию. Они производят вещество, называемое легочным сурфактантом, который входит в состав альвеолярной выстилки. Это сложное вещество, состоящее из липидов и белков. Сурфактант – это «чудесная молекула» легких, уменьшающая поверхностное натяжение в альвеолах. Почему это так важно? Чтобы было проще, давайте представим альвеолу в виде пузыря. Давление, необходимое для его раздувания, в первую очередь зависит от его размера и во вторую – от поверхностного натяжения. Чем меньше пузырь, тем выше должно быть давление, чтобы его раздуть. Представьте, сколько усилий надо приложить, чтобы в первый раз вдохнуть воздух в сдутый мяч, и насколько легче его надувать, если он уже частично наполнен воздухом. Альвеолы очень малы, но некоторые из них покрупнее. Теоретически разница в размере означает, что больший диаметр обеспечит более легкое открывание и попадание воздуха из маленьких альвеол в большие, и это приведет к коллапсу меньших альвеол и очень неоднородному наполнению.
Еще один фактор, влияющий на давление при наполнении, – поверхностное натяжение. У воды оно достаточно высокое, и поэтому пузыри не образуются, если для его снижения не добавить мыла. Если вернуться к альвеолам, то легочный сурфактант не только действует подобно мылу, но и оказывает больше влияния на мелкие альвеолы, чем на крупные. Снижая поверхностное натяжение, он также позволяет уменьшить давление, необходимое для надувания альвеолярных «пузырей», особенно меньшего диаметра. Таким образом, наличие сурфактанта дает возможность альвеолам оставаться открытыми во время вдоха и выдоха. Этому же способствует множество факторов, таких как поддержка прилегающих стенок и «связывание» с помощью соединительной ткани, но ученые в целом сходятся во мнении о важной роли сурфактанта[1].
В качестве самого убедительного доказательства важности этого вещества можно привести пример рождения недоношенных детей. Выработка сурфактанта начинается приблизительно на 24–28-й неделях гестации. В 1963 году у Жаклин Кеннеди и президента США Джона Кеннеди родился мальчик, которого назвали Патриком. Произошел разрыв плаценты – и он появился на свет на 35-й неделе. Отсутствие сурфактанта представляет высокий риск для легких недоношенного ребенка. Через два дня Патрик умер от дыхательных осложнений, которые позже назовут болезнью гиалиновых мембран – название происходит от воскоподобного мембранозного слоя, покрывающего легкие таких детей. И хотя о роли сурфактанта в снижении поверхностного натяжения было известно еще в середине 1950-х годов, реальные исследования синтетического варианта этого вещества начались через год после этого трагического случая. Сегодня в арсенале врача имеется множество препаратов сурфактанта, что позволяет лечить детей с респираторным дистресс-синдромом, как теперь это называется. Применение этих средств способствовало снижению смертности новорожденных от этой патологии на 40 %[2].
Структурные единицы древоподобных легких переплетаются с кровеносными сосудами, которые можно разделить на два совершенно разных вида. К первому относятся бронхиальные артерии, снабжающие кислородом и питательными веществами трахею и крупные воздухоносные пути. Такие сосуды берут начало из самой крупной артерии организма – аорты. Обычно они отходят влево и вправо, хотя нередки другие варианты. Интересно, что при пересадке легкого его кровоснабжение не восстанавливают. Это единственный орган, артерии которого в дальнейшем не задействуют.
Это возможно потому, что у легких есть дополнительный источник кровоснабжения – легочные артерии и вены, основная задача которых – питать весь организм, а не этот орган. За годы разговоров с пациентами я поняла, что это, возможно, самый сложный для понимания вопрос. Известно, что артерии приносят кровь из сердца, а по венам она возвращается к нему. При этом бронхиальные артерии снабжают легкие кровью, насыщенной кислородом, а по бронхиальным венам она, отдав кислород, поступает к сердцу. Интересно, что легочные артерии – единственные сосуды, которые поставляют венозную, дезоксигенированную, кровь из правого желудочка сердца к легким, где происходит насыщение кислородом с помощью тромбоцитов. Эта обновленная, оксигенированная, кровь поступает по легочным венам в левые отделы сердца, откуда перекачивается по всему организму.
Таким образом, легкие – единственный орган, по артериям которого течет венозная кровь, а по венам – артериальная. Тромбоциты можно сравнить с аккумуляторными батарейками, а легкие – с зарядным устройством. В легких молекулы гемоглобина в тромбоцитах освобождаются от углекислого газа и связываются с молекулами кислорода. «Перезарядившись», кровь возвращается в сердце, откуда перекачивается для доставки кислорода по всему организму.
Легочные артерии и вены образуют легочный круг кровообращения. Веками у врачей не было четкого представления о нем. Даже после того, как были сформулированы первые предположения о существовании этой системы, оставалось загадкой, как она работает и для чего предназначена. Я много времени посвятила тому, чтобы объяснить пациентам, что, подобно большому кругу кровообращения, легочный круг также имеет свое собственное «артериальное давление» (АД). Многим знакомо понятие артериальной гипертонии, которое легко объясняется как повышенное АД в большом круге кровообращения и измеряется с помощью манжеты на плече. К несчастью, в легочном круге АД может также повышаться, но его не так просто определить. Давление в этом круге кровообращения можно измерить при ультразвуковом исследовании (УЗИ) сердца или путем введения катетера через правые отделы сердца в легочную артерию.
По сравнению с левыми отделами сердца, правые относительно слабы и не предназначены для того, чтобы выдерживать очень высокое давление. В норме правые отделы работают без перегрузки, так как давление в легочном круге кровообращения относительно низкое. Вот некоторые цифры: в то время как в норме АД в большом круге кровообращения составляет 120/80 мм рт. ст., в легочном круге эти показатели ближе к 25/10 мм рт. ст. В патологических условиях давление повышается; это называется легочной гипертонией и, к сожалению, гораздо сложнее поддается лечению, чем системная артериальная гипертония.
Легочный круг кровообращения выполняет несколько важных дополнительных функций. Он служит резервуаром крови и играет роль буфера в условиях внезапных изменений выброса из правых отделов сердца. Это способствует тому, что кровь может временно депонироваться, позволяя левым отделам сердца приспособиться к соответствующему выбросу. Кроме того, эта сосудистая сеть выполняет наиболее важную защитную фильтрующую функцию для всего организма.
Впервые я узнала об этой важнейшей функции легких во время практики по анестезиологии на медицинском факультете. Каждый, кто когда-либо присутствовал на операциях, знает, что анестезиологи по большей части скрыты за хирургической простыней, подобно тому как прячется за театральным занавесом волшебник из страны Оз, а хирурги оперируют в стерильной зоне по другую сторону. Я находилась рядом с анестезиологом и в реальных условиях изучала анатомию и физиологию. Однажды я наблюдала, как пациенту внутривенно вводят свежезамороженную плазму (кровь, обогащенную факторами свертывания). Я заметила кусочек какого-то вещества, движущийся по трубке к пациенту. Я поспешно схватила и зажала ее: я наивно полагала, что ситуация неотложная и необходимо не допустить попадания этого тромба в организм пациента. Будучи студентом-медиком, я также знала, что даже очень маленькие тромбы могут попасть в мелкие кровеносные сосуды и вызвать инсульт и инфаркт. Никогда не забуду, как анестезиолог усмехнулся под своей маской и воскликнул: «Для этого и предназначены легкие!» И конечно, он был прав. Тот маленький тромб не причинил бы вреда. Если такой тромб попадает в мелкие сосуды легочного круга кровообращения, то он либо остается в них, не причиняя вреда, либо рассасывается.
Тромбы, исходящие из левых отделов сердца, могут вызвать серьезные проблемы, например инсульт. У пациентов с нормальной анатомией маленькие тромбы, исходящие из правых отделов сердца, фильтруются легкими до того, как могут причинить какой-либо вред. Однако необходимо отметить, что сами легкие перед тромбами крайне уязвимы. Тромбы, образующиеся в венозной системе ног, довольно распространены, особенно после недавнего хирургического вмешательства или у обездвиженного пациента. Нередко они отрываются, попадают в правые отделы сердца и застревают в легком. Если такие тромбы (эмболы) достаточно велики, то они могут навредить. Это называется легочной эмболией. Если эмболов слишком много или они очень крупные, велика вероятность, что они перекроют кровоснабжение этого органа. Это может привести к инфаркту легкого, похожему на инфаркт миокарда. Кроме того, тромбы могут вызвать напряжение в правых отделах сердца, что станет причиной развития сердечной недостаточности. Безусловно, эмболы в легких не представляют собой ничего хорошего, однако в организме существует «встроенный» защитный механизм, который снижает угрозу нарушения кровообращения мозга и других органов, исходящую от таких тромбов.
Интересно, что если человек находится в положении стоя, то большой объем крови попадает в нижние части легких просто под действием силы тяжести. Результаты обследований космонавтов показали, что в невесомости кровь распределяется в легких гораздо более равномерно[3]