С Днём автомобилиста⁠⁠

ЭРИТРОЦИТ ГЛАЗАМИ ИНЖЕНЕРА
(напечатано в журнале "Инженер" №11, 2005 г.)

    🙄Пожалуй, нигде учёный и инженер не встретит такого богатства и разнообразия идей как в живой природе. И хотя Природа изобретательствует бессознательно и эмпирически, за необозримый срок эволюции биосферы она смогла создать такие совершенные творения, найти столь изящные, простые и оптимальные решения, что иной раз им позавидует и человек. С набором таких решений, воплощённых в одной из клеток нашего тела, и познакомим читателя.

    Красные клетки крови — эритроциты, как известно, нужны для переноса кислорода от лёгких к тканям нашего тела (а также для обратного транспорта углекислоты, чтоб не идти назад порожняком). Сразу возникает вопрос: зачем клетки? Разве сама кровь, подобно всем жидкостям, не может поглощать и переносить газы? Но Природа ничего не делает зря. Кислород, конечно, растворяется и в жидкой плазме крови, но слишком уж медленно, в малых количествах. Вот и “изобрела” Природа эритроциты, содержащие красный дыхательный пигмент гемоглобин, хорошо (почти в 500 раз лучше, чем плазма) связывающий кислород своими железными атомами (от них и красный, как у ржавчины, цвет крови).

    Лишь некоторые животные не имеют дыхательного пигмента, например, прозрачные ледяные рыбы, кровь которых бесцветна. Живут эти рыбы в холодных полярных водах, обильно насыщенных кислородом, (вспомним, сколько газа в холодном лимонаде), где надобность в гемоглобине, эритроцитах отпадает. Не имеет эритроцитов и большинство беспозвоночных (насекомые, моллюски и т.д). У них дыхательные пигменты, своими металлами (Mn, Cu, V, Fe) окрашивающие кровь во все цвета радуги (от фиолетово-голубого и зелёного до жёлто-оранжевого и красного), помещаются не в клетках, а непосредственно в крови.

    У человека же свободный, внеэритроцитарный гемоглобин в крови не удерживается – его молекулы просачиваются сквозь поры почек и уходят вместе с мочой (недаром укус змей, яд которых разрушает эритроциты, делает мочу укушенного красной). Потому и понадобились клетки, в которых надёжно запертый гемоглобин транспортируется, как в контейнерах, по кровеносным магистралям.

    К тому же гемоглобин, расфасованный по эритроцитам, не теряется при “списании их в утиль”: прямо в “упаковке” он поглощается клетками-санитарами — фагоцитами и перерабатывается. При этом из молекулы гемоглобина не только извлекается дефицитное железо, идущее в “переплавку” на гемоглобин для новых эритроцитов, но используется и остаток молекулы. Он перерабатывается в особое вещество билирубин, помогающее разлагать и переваривать пищу, входя в состав жёлчи (её зеленовато-жёлтый цвет, как и цвет кожи на местах ушибов, обусловлен именно жёлтым билирубином). Здесь мы имеем наглядный пример безотходного производства и утилизации мусора в организме.


    Но рассмотрим эритроцит поближе (рис. 1). Чем объяснить его нетипичную колесовидную форму (уже саму по себе наводящую на мысль о транспортной функции этой клетки)? Ответ находим, анализируя эритроциты разных существ. Оказывается, так выглядят лишь красные клетки млекопитающих — у всех других животных (птиц, амфибий, пресмыкающихся и рыб) эритроциты имеют обычную для клеток форму шарика и содержат ядра. В эритроцитах же млекопитающих ядро, этот мозговой центр клетки, отсутствует, да и не к чему он клеткам-контейнерам. Вот и избавляются они от этого ненужного балласта, исторгая ядро.

    Именно тогда они и превращаются из шариков в колесики (ту же метаморфозу претерпевает и абрикос, становящийся при потере ядра курагой). Понять, почему так происходит, можно, сжимая меж двух дисков из оргстекла резиновую грушу: её сферический баллон уплощается, образуя вмятины с двух сторон. То же происходит и с эритроцитом: потеря ядра (рис. 2.а) уменьшает его объём, и внешнее давление сжимает клеточную мембрану эритроцита, не изменившую своей площади. В итоге сферическая оболочка теряет устойчивость и, прогибаясь, образует две нарастающие вмятины в точках А и В, где жёсткость её минимальна (б–в). Так эритроциты млекопитающих и приобретают форму диска, колёсика (г).


Рис. 2. Последовательные стадии сжатия сферической оболочки эритроцита при потере ядра, соответствующие изменению профиля эритроцитной шины от "пневмокатка" до "низкопрофильной шины".

    Природа изобрела колесо! Более того, она смогла извлечь из этого нечаянно найденного конструкторского решения максимум пользы. Прежде всего, плоские эритроциты в отличие от сферических легко гнутся, складываются, благодаря чему с током крови проникают даже в тончайшие капилляры, проскакивая в них как монетки в щель автомата. Большая удельная поверхность (отношение S/V) диска эритроцита, в 1,7 раза превышающая таковую для сферы, облегчает транспорт кислорода через его оболочку. Оболочка эта, имея избыточную площадь, позволяет эритроциту легко менять свой объём, и стремится заполнить собой всю свободную поверхность, что очень важно при разрывах клетки. Оболочка стягивается к разрыву, закрывая его, – проколотая камера эритроцитного колеса не “сдувается”.

    Кроме того, плоские эритроциты заполняют пространство гораздо эффективней, с меньшими зазорами между клетками, чем сферические. И хотя кровь не битком набита эритроцитами (они занимают лишь половину её объёма), возможности для перемещения, манёвра у них при такой форме больше, а значит меньше “пробок” (тромбов) на кровяных магистралях. Мало того, эритроциты благодаря своей форме сами стремятся расположиться компактнее, слипаясь в так называемые “монетные столбики” и двигаясь в узких сосудах “паровозиком” (рис. 3).


Рис. 3. "Паровозик" из эритроцитов в сосуде.

    В этом их свойстве известный биофизик А.Л. Чижевский (изобретатель одноимённой люстры) увидел ещё одно назначение такой формы эритроцита. Именно его исследованиями было впервые показано, что эритроциты в кровеносных сосудах движутся не беспорядочно, а слипаются в “монетные столбики”. Он же выяснил, что в более широких сосудах концы каждого столбика соединяются друг с другом, образуя кольца, напоминающие связки баранок, нанизанные на ось кровеносного сосуда (рис. 4). Образование упорядоченных групп заметно снижает гидродинамические потери (вспомним рои пчёл, косяки рыб, птичий клин) и облегчает движение крови (см. Ф.Ю. Зигель “Виновато Солнце”, М., 1972). Знание особенностей движения эритроцитов поможет разработать искусственные сердца, которые уже не будут травмировать своими стенками эти уязвимые клетки.


Рис. 4. Поперечное сечение кровеносного сосуда, с нанизанными на его ось кольцами из эритроцитов.

    Форма эритроцита имеет и важное прикладное значение. Медики, анализируя кровь человека под микроскопом, по форме и размерам клеток выявляют различные заболевания крови. Эритроциты, оказывается, бывают не только нормальными двояковогнутыми дисками (рис. 5.а), но принимают и множество аномальных форм (рис. 5). Встречаются эритроциты мишеневидные (б), звёздчатые (е), серповидные (г), менисковидные (д), оборванные (е), эритроциты в форме рта (ж), овальные (з) и в форме шариков (и). И почти всегда эти вызванные заболеванием отклонения формы удаётся объяснить чисто механически — с позиций прочности, жёсткости и устойчивости оболочек. Одним словом — “сопромат”.

    Мишеневидный эритроцит подобен обычному, но имеет центральное утолщение, в которое стекается гемоглобин, создающий контрастное пятно — “яблочко” в кольце мишени (рис. 5.б). Иногда пятно соединяется с кольцом перемычкой. Реже по диаметру диска проходит полоса, или образуются шлемовидные формы, в которых пятно сдвинуто к краю. Понять, как образуются такие формы, можно, сжимая опять между дисками резиновую грушу. Вмятины растут и в некоторый момент соприкасаются вершинами, отчего дно менее жёсткой вмятины выпучивается, образуя холмик (рис. 2.д, 6.а), в который “сгоняется” вся лишняя поверхность. Неустойчивость центрального холмика, вызванная избытком поверхности, и порождает иногда перемычки, полосы или шлемовидные формы.


Рис. 5. Виды эритроцитов (в проходящем свете темнее те участки клетки, где толще поглощающий слой гемоглобина): а – нормальные (дискоциты); б – мишеневидные (платициты); в – звёздчатые (акантоциты); г – серповидные (дрепаноциты); д – полулунные (менискоциты); е – оборванные (шизоциты); ж – формы рта (стоматоциты); з – овальные (эллиптоциты); и – шаровидные (сфероциты).

    В мишеневидных клетках не хватает гемоглобина. Дефицит гемоглобина, составляющего в нормальных эритроцитах треть их веса, и приводит к уменьшению объёма клетки с 90 до 60 мкм3 и дополнительному её уплощению. От деформации эритроцит становится более плоским, тонким и жёстким, а диаметр его возрастает с 7,5 до 8,5 мкм. Из-за больших габаритов и жёсткости эритроцит хуже проходит сквозь капилляры и повреждается. А от чрезмерного сжатия в его оболочке возникают большие касательные и растягивающие напряжения, расслаивающие и даже разрывающие её по экватору, где больше натяжение. Разрывы превращают эритроцит из мишеневидного в звёздчатый (акантоцит, см. рис. 5.е).

    Серповидные эритроциты (рис. 5.г) тоже возникают из-за разрывов оболочки. И опять дело в гемоглобине, но уже не в количестве его, а в качестве. Серповидные эритроциты несут в себе аномальный гемоглобин, образующий в определённых условиях кристаллы, растягивающие и разрывающие оболочку, раскатывая колечко эритроцита (диаметром 8 мкм) в линию длиной иногда до 50-ти микрон. В нормальных условиях кристаллы гемоглобина растворяются, и упругость оболочки снова сворачивает эритроцит в колесо, но уже с проколами, разрывами, придающими ему форму циркулярной пилы (г), полулуния (д) или оборвыша (е).

    Эритроциты, напоминающие формой рот, – стоматоциты (рис. 5.ж), из-за дефекта оболочки имеют в отличие от дискоцитов одну вмятину (рис. 6.б) при том же объёме (90 мкм3). Одно углубление в наименее жёстком месте оболочки образует и спринцовка, если уже без сжатия откачивать из неё воздух. И, подобно стоматоцитам, она часто образует щелевую или треугольную вмятину (рис. 5.ж).

    Овальные эритроциты (рис. 5.з) возникают от исходной несферичности оболочки клетки. Образующиеся вмятины, уплощая эритроцит, обычно исправляют его овальность, но при некоторых дефектах оболочки эллиптичность клетки может сохраниться. Наконец, сферические эритроциты (рис. 5.и), выявляемые по отсутствию в их центре просветления, не имеют вмятин вовсе или имеют небольшие (рис. 2.б, 6.в). И снова это следствие дефекта оболочки. Она пропускает много ионов Na+, и клетка раздувается, становясь, как прежде, шариком (с D= 4 мкм).


Рис. 6. Объёмный вид патологических эритроцитов: а – мишеневидного; б – стоматоцита; в – сфероцита.

    Как бы ни отличалась форма эритроцитов от нормальной, результат всегда один – малокровие от ускоренного их распада. Продолжительность жизни клеток падает с трети года до трети месяца. То есть любое отклонение формы эритроцитов от стандарта, заданного Природой, ведёт к быстрому их разрушению из-за малой гибкости и больших габаритов. К тому же такие клетки забраковывает и уничтожает своеобразный ОТК — селезёнка. Выходит, форму эритроцита следует рассматривать не только как признак, по которому диагностируется заболевание, но нередко и как причину его. Чтобы вылечить недуг, надо понять, как исправить форму эритроцитов, определяющую их содержание в крови. Знание свойств оболочки и формы клетки позволит создать и более совершенные искусственные эритроциты (искусственную кровь) – микрокапсулы, наполненные гемоглобином.

    Итак, казалось бы, в эритроцитах Природой всё устроено самым рациональным и оптимальным образом. Но не будем спешить. Кое-где Природа как будто схалтурила, допустив непростительную для неё небрежность и бесхозяйственность. Вспомним ядро, теряемое эритроцитом. Ядра – эти программные, нервные центры клеток, сложнейшие и совершеннейшие структуры, созданные с большими энергозатратами, выбрасываются эритроцитами на свалку как бесполезный хлам, причём в огромных количествах — по 2,5 миллиона каждую секунду (именно столько эритроцитов рождается ежесекундно взамен разрушенным)! Конечно, мусорщики-фагоциты смогли бы и здесь извлечь пользу, уловив и растворив ядра, но они бы выделяли лишь строительные кирпичики живого (белки, жиры, углеводы), разрушая само здание – ядро, сжигая время и энергию, затраченные на его постройку. Такая расточительность Природе отнюдь не свойственна.

    Вот почему организм человека, умеющий извлечь максимум преимуществ из формы эритроцитов, использующий каждую молекулу гемоглобина, наверняка должен найти какое-то применение и таким сложноорганизованным структурам как живые клеточные ядра, тем более выходящим столь крупными тиражами.

    Но на что может сгодиться голое ядро без клетки? По мнению автора, свободные ядра не разрушаются, а продолжают функционировать и использоваться организмом, будучи переделаны в кровяные пластинки – тромбоциты. (Тоже важные элементы крови, нужные для её свёртывания, тромбования разрывов сосудов. Люди с плохой свёртываемостью крови, например гемофилики, могут скончаться от кровопотери при малейшей ранке.) Многое говорит в пользу такой гипотезы.

    Так, у птиц, пресмыкающихся, амфибий и рыб, как мы помним, ядра не покидают эритроцитов. Значит, у этих животных тромбоциты должны рождаться не из ядер, а как-то иначе и быть чем-то совершенно отличным от тромбоцитов млекопитающих. Так оно на самом деле и есть. Тромбоциты млекопитающих представляют собой мелкие безъядерные тельца, которые и клетками-то называть неудобно (поэтому в отношении их и возник термин “кровяные пластинки”). Тромбоциты же всех прочих животных не только крупные, но и совершенно полноценные клетки, имеющие настоящее ядро и рождающиеся как все клетки крови.

    Отсутствие ядер в тромбоцитах млекопитающих естественно, если они сами же ядрами и являются. Размеры (диаметр около 2 мкм) и форма тромбоцитов (рис. 7.б) очень близки к таковым у покинувших незрелые эритроциты ядер (рис. 2.а, 7.а). Кроме внешнего сходства, внутреннее строение тромбоцита тоже убеждает в том, что это и есть потерянное эритроцитом ядро. Так, хотя кровяные пластинки и не содержат ядер, этих управляющих центров, они оказываются полноценными живыми образованиями со сложной структурой и биохимической активностью. Это легко объяснить, если тромбоцит сам же и является ядром, живущим после выхода из эритроцита своей, независимой от клетки жизнью.


Рис. 7. Клетка эритробласта – эритроцита с ядром (а) и тромбоцит (б).

    Тромбоцит пронизан каналами-фьордами, образованными разветвлённым лабиринтом складок (рис. 7.б). Через них нутро пластинки сообщается с плазмой крови. Внешне это очень напоминает эндоплазматический ретикулум, окружающий ядро клетки (рис. 1.а). Он тоже представляет собой лабиринт из пор, каналов и складок, сообщающих цитоплазму клетки с её ядром. Структуры похожи до мелочей, включая точки на мембранах (в эндоплазматическом ретикулуме эти точки соответствуют сидящим на мембране рибосомам, осуществляющим синтез белка). Похоже, выходящее ядро уносит за собой и ретикулум, составляющий с ядром единое целое. Видно, именно эта клеточная структура и образует каналы тромбоцита. Другие, не показанные на рисунке включения кровяных пластинок (см. [4, с. 87]) тоже нередко напоминают структуры, находимые в эритроцитах и их ядрах.

    Есть и количественное подтверждение гипотезы. Известно, что каждые сутки организм человека производит примерно 300 миллиардов эритроцитов и 250 миллиардов тромбоцитов! Такое хорошее (учитывая погрешность) совпадение объёмов выпуска легко объяснить, если из каждого эритроцита выходит по одному ядру-тромбоциту. Существуют и клинические подтверждения гипотезы. Давно замечено, что при болезнях, сопровождаемых изменением рождаемости эритроцитов, соответственно меняется и рождаемость тромбоцитов. А при наличии эритроцитов с дефектами ядер в крови появляются и уродливые тромбоциты.

    Но, очевидно, выходящие из клеток ядра – это ещё не полноценные, не созревшие тромбоциты. Окончательное превращение, “перековка” ядер на пластинки происходит, вероятно, в мегакариоцитах — гигантских клетках костного мозга. Именно от них, как показали исследования, “отшнуровываются”, отпочковываются окончательно созревшие тромбоциты млекопитающих. Но если верно всё сказанное, то мегакариоцит не создаёт тромбоциты, а, подобно заводу, лишь обрабатывает ядра-заготовки, поступающие на конвейер этого “промышленного гиганта”. Организм предпочитает переделывать свои пластичные структуры, а не создавать их с нуля. Остаётся лишь доказать это экспериментально и выяснить, как ядра попадают внутрь мегакариоцитов, применив метод меченых атомов. Будем надеяться, что Природа, в отличие от человека всегда являвшая собой пример бережливости и рациональности, остаётся верной себе и в данном случае, а не выбрасывает ежедневно миллиарды ядер разлагаться на кровяной свалке.

    Итак, на примере эритроцитов показано, насколько сложно и рационально устроен наш организм. А ведь были рассмотрены лишь частные свойства у одной единственной клетки, системы, а сколько их всего! Ещё Декарт уподобил живой организм сложнейшему механизму. Поэтому и врач и биолог должны быть в первую очередь инженерами, механиками, чтобы работу этого механизма понять и уметь чинить его при “поломках” (болезнях). Ну а учёному, изобретателю, инженеру-бионику, глядя на живую Природу, остаётся только быть внимательными, чтобы, наблюдая, учиться рациональности, красоте и простоте решений у этого великого, но скромного учителя.

Сергей Семиков
Продолжение в следующем посте или посту или хз как правильно..

ЛИТЕРАТУРА:

1. Симен Б. Река жизни. – М: Мир, 1965.
2. Михайлов В.Г. Тайны крови. – М.: Знание, 1982.
3. Аксельрод А.Ю. Кислород в нашей жизни. – М.: Знание, 1977.
4. Кисляк Н.С. Клетки крови у детей в норме и патологии. – М.: Медицина, 1978.
5. Руководство по гематологии, в 2-х тт. – М.: Медицина, 1985.

Дата установки: 27.02.2010
(Статья установлена в память о кардиохирурге Борисе Алексеевиче Королёве, спасшем многие тысячи жизней на войне и гражданке, а умершем вскоре после своего 100-летия)