«На грани возможного: Наука выживания»

На грани возможного: Наука выживания (fb2) - На грани возможного: Наука выживания (пер. Мария Николаевна Десятова) 12236K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Фрэнсис Эшкрофт

Фрэнсис Эшкрофт На грани возможного: Наука выживания

Переводчик М. Десятова

Редактор Н. Лауфер

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректор М. Миловидова

Компьютерная верстка A. Фоминов

Дизайн обложки Ю. Буга

Фото на обложке: Luis Trenker, in a still from the fi lm Der Heiliger Berg (1926). Photograph by Arnold Frank (Sammlung Puttnies).

© Frances Ashcroft, 2000

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2016

Эшкрофт А.

На грани возможного: Наука выживания / Фрэнсис Эшкрофт; Пер. с англ. – 4-е изд. – М.: Альпина нон-фикшн, 2016.

ISBN 978-5-9614-4604-3

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

* * *

Моим родителям – Джону и Кэтлин

Мы не оставим исканий, И поиски кончатся там, Где начали их; оглянемся, Как будто здесь мы впервые. Т. Элиот. Литтл Гиддинг[1]

Благодарности

История появления этой книги не совсем обычна. В 1998 г. фонд Wellcome Trust объявил конкурс для ученых-биологов, предлагая премию тому, кто согласится на время отвлечься от научной работы и написать книгу для массового читателя. Отрываться от работы я не собиралась, поглощенная интереснейшим исследованием, но писательский труд меня всегда увлекал, и дух соревнования был как раз тем стимулом, которого мне не хватало. Я изводила друзей и коллег, мучаясь над выбором темы. Шли месяцы. До подачи заявки оставалось три недели, а я еще ничего не написала – слишком уж много было интересных тем и слишком мало свободного времени. А потом случилось так, что я заночевала у подруги, и она, к моему удивлению, показала мне готовую заявку на конкурс Wellcome Trust (план книги и пример главы), сообщив, что решила поучаствовать, заразившись моим энтузиазмом. Я потеряла дар речи… Едва добравшись до дома, я села писать заявку, выбрав в качестве темы различные механизмы адаптации, позволяющие человеку существовать и выживать в экстремальных условиях, поскольку именно эту область физиологии я в свое время освещала в лекциях. Конкурс я в итоге так и не выиграла, зато получила от Филиппа Гвин-Джонса и Тоби Мунди заказ на книгу. Плод моих трудов перед вами.

Однако без масштабной поддержки эта книга никогда не появилась бы. Я крайне благодарна всем тем, кто читал черновые варианты и выявлял возможные неточности. Этот тяжкий труд мужественно взяли на себя мои родители, мой брат Чарльз, Фиона Гриббл и Стефан Трэпп. Остальные читали отдельные главы или подглавки, помогая бесценными замечаниями по содержанию и стилю. Я хочу поблагодарить Джуди Армитидж, Хилари Браун, Джона Кларка, Джонатана Дина, Кита Доррингтона, Клайва Эллори, Дона и Мэри Грибблов, Эйба Газа, Альберта Харрисона, Майкла Хорсли, Салли Красне, Энн Лингард, Филиппу Джонс, Кэти Моррис, Дэвида Паттерсона, Питера Роббинса, Дэвида Роджерса, Дженет и Кена Стори, Збигнева Шидло, Майкла Викерса, Мартина Уэллса, Грэма Уилсона и Гэри Йеллена. Кроме них мне помогали и многие другие. Спасибо Сандре Муни, Дэвиду Флауэрс и Дэвиду Ирвину из British Airways, которые уделили мне несколько часов своего времени, делясь знаниями из области авиационной медицины и (вместе с Дэвидом Бартлеттом) бесценными сведениями о воздействии космической радиации. Спасибо Роджеру Блэку, отвечавшему на бесчисленные наивные вопросы о спорте. Эдит Холл, снабдившей меня материалами о древнегреческих ныряльщиках, Жильдасу Луссуарну, помогавшему переводить с французского, Лоренсу Уотерсу, снабжавшему нас фотографиями. Джастин Уарк терпеливо просвещал меня в области элементарной физики, а Джуди Армитидж развеивала мои заблуждения в микробиологии. Хилари Браун, Кит Доррингтон, Эйб Гас, Майкл Хорсли, Дэвид Паттерсон, Питер Роббинс, Дженет и Кен Стори, а также Майкл Уэллс следили, чтобы я ничего не напутала в физиологии. Мама собирала подходящие газетные вырезки, брат служил неисчерпаемым источником интересных историй. Всем им огромное спасибо. Как сказала Исабель Альенде в предисловии к «Афродите», «заимствовать у одного автора – это плагиат, заимствовать сразу у многих – это научное исследование». Поэтому я хочу поблагодарить свои многочисленные источники за информацию и вдохновение, а также за особо удачные фразы, передающие запутанный смысл в нескольких словах.

Отдельное спасибо Питеру Аткинсу, который помог довести книгу до конца, заявив, что у меня не хватит усидчивости ее дописать. (Он знал, что я непременно поступлю наперекор.) Спасибо Саре Рэндольф – она сподвигла меня на труд и поддерживала, когда казалось, что я буду писать эту книгу вечно. Я благодарна Wellcome Trust за то, что они вдохновляют представителей науки на создание книг для массового читателя, – и, разумеется, за финансирование моих научных исследований.

Я ни за что не написала бы эту книгу без помощи Дженни Гриффитс, копировавшей бесконечные статьи и раскапывавшей малоизвестные книги в недрах Бодлианской библиотеки. Спасибо Кэти Моррис за помощь с дизайном обложки, Сюзан Коллинз за подбор прекраснейших иллюстраций, Теренсу Кейвену за общий дизайн книги и Джанет Лоу – за отличную редакторскую работу. Отдельная и самая огромная благодарность моим замечательным издателям Филиппу Гвин-Джонсу и Джорджине Лейкок из Harper Collins, а также Говарду Бойеру из издательства Калифорнийского университета за постоянную поддержку и мудрые советы.

Введение

В ноябре 1999 г. мир оглушила новость об авиакатастрофе, в которой погибли чемпион США по гольфу Пейн Стюарт и еще четверо гольфистов. Взлетев из Орландо, Флорида, и поднявшись на высоту 11 300 м, их «Лир Джет» потерял связь с диспетчерами. Испугавшись, что самолет может упасть на населенные районы, власти США подняли в воздух два истребителя ВВС – чтобы в случае крайней необходимости сбить самолет. По сообщению пилотов истребителей, на борту самолета не наблюдалось признаков жизни и окна обледенели изнутри – явное свидетельство разгерметизации и того, что температура в салоне сравнялась с температурой за бортом. Самолет продолжал лететь на автопилоте, пока не кончилось горючее и он не рухнул на землю в Южной Дакоте – с погибшими задолго до того от нехватки кислорода пассажирами. Это не первая трагедия подобного рода и вряд ли последняя, поскольку на такой высоте кислорода для дыхания недостаточно и разгерметизация приводит к трагическим последствиям.

Эта печальная история в очередной раз демонстрирует, как часто люди ходят по краю, не всегда, впрочем, отдавая себе в этом отчет. Мы летаем по всему миру на опасной для жизни высоте, плаваем по ледяным морям, на отдыхе ныряем с аквалангом, рискуя заработать кессонную болезнь, или селимся в таком климате, где зимой можно не дожить до утра, оставшись на ночь без теплого крова. Не стоит думать, что экстремальные условия – удел немногочисленных искателей приключений. С развитием технического прогресса мы тоже имеем все шансы испытать их на себе. Однако без надлежащей защиты и мер предосторожности шутки с экстремальными условиями плохи. Ежегодно жертвами холода, жары или горной болезни становятся тысячи самых обыкновенных людей.

Впрочем, вопреки (а возможно, и благодаря) опасности экстремальные условия всегда манили человека. На глазах 800 млн человек в 59 странах Нил Армстронг ступил на поверхность Луны. Мы не перестаем восхищаться подвигами полярников, альпинистов и других покорителей неведомых земель. Мы заочно переживаем опасность вместе с ними, и чем сложнее им было ускользнуть от смерти, тем больше это будоражит наше воображение. Даже трагический исход вызывает мрачное упоение. Душераздирающая история об альпинисте, который погиб на склоне, отрезанный непогодой, но сумел по сотовому телефону передать последнее «прости» жене, трогает куда больше, чем гибель сотен людей от наводнения или землетрясения.

Морозные зимы, ледяная вода и испепеляющая жара сопровождали человека с древнейших времен, однако с появлением в конце XIX – начале XX в. воздушных шаров, аэропланов, подводных лодок, глубоководных погружений, развитием полярных и высокогорных исследований возникли новые опасности, борьба с которыми потребовала более глубокого изучения физиологии человека. Для представителей многих профессий (например, водолазов-глубоководников или астронавтов) риск – неотъемлемая часть работы. Другие подвергают свою жизнь опасности ради удовольствия. Мужчины – а теперь все чаще и женщины – ищут новые способы испытать себя. Нам не хватает опасности и смертельного риска в повседневной жизни, и мы добираем это на стороне, ища приключений. Вместо того чтобы валяться на пляже, многие отправляются за адреналином на горные склоны, куда не ступала нога человека, в походы по высокогорьям Анд, ныряют с аквалангом, прыгают с «тарзанкой» и летают на парапланах. То, что в наше время эти экстремальные занятия относительно безопасны, – общая заслуга физиологов, интересовавшихся возможностями человеческого организма, и смельчаков, рвавшихся расширить границы этих возможностей.

В этой книге мы рассмотрим физиологические реакции организма на экстремальные условия и попытаемся определить границы выживаемости. Вы узнаете, что случится с человеком, очутившимся в морозильной камере, провалившимся под лед или заблудившимся в пустыне. Отчего так происходит, что опытный альпинист может взойти на Эверест без кислородного оборудования, однако при разгерметизации самолета на той же высоте все пассажиры через несколько секунд потеряют сознание. Почему астронавту, вернувшемуся на Землю, трудно удержаться на ногах, и по какой причине водолазы-глубоководники страдают болезнями костей. Эти и другие загадки заставили физиологов немало поломать голову – как в буквальном, так и в переносном смысле.

Как сказал древнегреческий философ Гераклит, «война есть отец всего и царь всего». Его наблюдение как нельзя более справедливо для физиологии экстремальных условий, в которые нередко попадают военные. Относительно недавно отгремели войны на морозных Балканах, в палящем зное кувейтской пустыни и на высокогорных перевалах между Индией и Пакистаном. Многие данные о воздействии жары, холода, высоты и давления на человеческий организм были получены случайно или целенаправленно в ходе военных операций. Не стоит забывать и о том, что в космос человека привела, в первую очередь, «холодная война», а не исследования чисто научного характера.

Заслуга спорта – гуманной, в отличие от войны, формы соперничества между разными странами – в развитии интереса к работе человеческого организма тоже велика. За последние годы физиология спорта стала отдельной научной дисциплиной. Физкультурой в той или иной форме занимается каждый, хотя бы в виде редкой пробежки за отходящим автобусом. Однако даже при регулярных тренировках скорость нашего бега ограничена, а интенсивная нагрузка чревата побочными эффектами. Этот своеобразный, но тоже достаточно экстремальный вид человеческой деятельности рассматривается в главе 5.

Научные исследования физиологии человека базируются на контролируемом эксперименте. Поскольку потенциальная опасность и пределы выживаемости не всегда достаточно хорошо изучены, на начальных стадиях часто используются животные – чтобы определить характер возможной угрозы и наметить безопасные для человека пределы. Однако на конечной стадии человека заменить уже некем, поэтому физиологи часто экспериментировали – и экспериментируют – на себе. Некоторые привлекали для участия даже собственных детей. По признанию знаменитого ученого Джона Холдейна, он служил отцу подопытным кроликом с четырех лет (впрочем, это не отвратило его от науки, и он пошел по стопам отца, сделав блестящую научную карьеру в области физиологии).

Ученые неслучайно экспериментируют на себе и своих коллегах. Прочувствовать самому всегда легче, нежели пытаться понять из чужого описания. Кроме того (особенно раньше), эксперименты были опасными и непредсказуемыми, поэтому многие ученые шли на риск, предпочитая не подвергать опасности добровольцев. Да и на поиски добровольца тоже требовалось время. Профессия физиолога требовала особого мужества, а также сноровки и научной любознательности. Сидеть в тесной стальной камере, заполненной чистым кислородом под возрастающим давлением, понимая, что вот-вот начнутся судороги, которые могут оставить тебя калекой на всю жизнь, но не зная, когда именно они начнутся, – занятие не из приятных. Однако, как мы увидим в главе 2, эти эксперименты помогли обезопасить работу водолазов-глубоководников.

Люди могут по-разному реагировать на физиологический стресс, и по их поведению в привычной обстановке невозможно предугадать, как они поведут себя в экстремальных условиях: горная болезнь может сразить сурового спецназовца и не тронуть хрупкую напарницу. Поэтому приходится привлекать для участия в экспериментах как можно больше добровольцев – пусть для научного понимания физиологических процессов это не столь существенно, зато важно с точки зрения прикладных аспектов. К сожалению, опыты не всегда проводились только на добровольцах. В ряде печальных случаев участниками эксперимента люди становились и против воли. Фашисты ставили опыты на заключенных Дахау, русские (предположительно) – на военнопленных, японцы – на маньчжурах, а правительства западных стран вплоть до недавнего времени использовали осужденных преступников. Последних теоретически можно считать и добровольцами, однако выбор между приведением приговора в исполнение и освобождением при условии участия в потенциально опасном эксперименте нельзя считать свободным. Кроме того, участников иногда просто не информировали в должной степени о возможных рисках. И не во всех подобных экспериментах тестировалось влияние химических препаратов или радиации – некоторые были посвящены реакциям человека на экстремальные условия. Поэтому, как мы еще увидим, не все так гладко с физиологическими исследованиями: у них есть и обратная сторона.

Без экспериментов над людьми по-прежнему не обойтись, поскольку постоянно приходится испытывать новые типы гидрокостюмов для погружения в холодную воду, и космические скафандры тоже нуждаются в доработке. Однако теперь безопасность участников находится под строжайшим контролем и допустимые пределы воздействия, полученные как случайно, так и путем эксперимента, тщательно документируются.

Физиология как наука обладает несомненным прикладным значением, однако многими учеными (возможно, даже большинством) движет, в первую очередь, любопытство, киплинговская «шестерка слуг» – «Как и Почему, Кто, Что, Когда и Где». В итоге жизнь физиолога, как и любого естествоиспытателя, состоит из ликования и отчаяния – ликования, когда подтверждается выношенная гипотеза, и отчаяния, когда по техническим причинам проваливается эксперимент и животрепещущий вопрос остается без ответа. Первого, надо сказать, всегда не хватает, а второго чересчур много. Однако разгадать научную загадку, сложить головоломку, обнаружить неизвестный прежде факт – это невероятно захватывающе. Восторг открытия – ни с чем не сравнимое ощущение. Только ради него можно пережить бесконечные часы ожидания результатов.

Восторги кабинетных ученых способны оценить немногие, однако триумф покорителя горной вершины или гордость победителя марафона понятны почти всем. Некоторым физиологам повезло испытать радость как интеллектуальной, так и физической победы. Те, кто пытается разобраться в функционировании человеческого организма, часто сами отправляются в экстремальные условия – в горы, в морские глубины, полярные льды и даже в космос. Добытые ими знания бесценны, поскольку, как расскажет эта книга, физиология – не просто сухая наука, она может пригодиться и в повседневной жизни. В битве за выживание на грани возможного нам не обойтись без знания физиологии – «логики жизни».

На вершину Килиманджаро

Килиманджаро – одна из красивейших гор в мире – находится в Танзании, недалеко от границы с Кенией. Ее идеальный вулканический конус возносится над африканскими равнинами на высоту 5895 м. У подножия раскинулся национальный парк Амбосели с несметными стадами антилоп и слонов. Вершину увенчивает ошеломительной красоты снежная шапка. Несмотря на большую высоту, добраться до этих снегов под силу даже не самому опытному туристу – подъем от подножия до вершины занимает меньше трех с половиной дней. И тем не менее легкость эта обманчива, а быстрый подъем таит в себе опасность для не слишком осторожного путешественника.

Рано утром мы отправились в путь через тропический лес. В нем было влажно и душно, словно в парной, пахло тропиками, как в оранжерее ботанического сада. Мягкая и влажная лесная подстилка заглушала шаги. Высоко над головой верещали, качаясь на лианах, обезьяны. Весь день тропа петляла по темному густому лесу, и подъем совершенно не ощущался. Только ближе к вечеру мы вышли из-под лесного полога к небольшой треугольной хижине, прилепившейся к склону в глубине луга, похожего на альпийский. Солнце нырнуло за горизонт, и ночь спустилась почти мгновенно – как-никак Килиманджаро стоит на экваторе.

На следующий день мы поднялись примерно до 3700 м, пройдя зону высокогорных лугов с их уникальной растительностью, встречающейся на этих высотах только в Африке и Южной Америке. Тянулись к небу стволы гигантской сенеции, родственницы нашего травянистого крестовника. Вдоль тропы несли вахту огромные лобелии, похожие на исполинские синие свечи. Разреженный воздух пьянил, вселяя уверенность, что горная болезнь меня миновала.

Следующее утро выдалось очень холодным. Покинув растительную зону, мы взошли на каменистую седловину между двумя пиками Килиманджаро. По правую руку возвышался Мавензи, по левую – наша главная цель, Кибо. Несмотря на малую крутизну подъема, я почему-то очень устала. Путь через седловину казался долгим, а до жестяных вагончиков у подножия последнего отрезка пути, подъема на гигантский, покрытый пеплом конус, – просто бесконечным.

Третью ночь, холодную и неуютную, мы провели на высоте 4600 м. Уснуть было невозможно. Стоило закрыть глаза, как голова начинала болеть и кружиться. Несмотря на отсутствие аппетита, я силой запихнула в себя чуть теплую еду и тепловатый чай (на этой высоте вода закипает при 80° C), понимая, что завтра понадобятся силы на восхождение. К головной боли добавилась тошнота. Я прислушивалась к прерывистому дыханию своих спутников – паузы были такими долгими, что хотелось растолкать спящих и убедиться, что они живы. Время тянулось медленно, я лежала дрожа.

Встали мы в два часа ночи, чтобы еще затемно начать долгое восхождение на вершину, поддавшись на уговоры проводника посмотреть, как занимается рассвет над пиком Мавензи. Теперь я понимаю, что им двигали куда более прозаические мотивы – карабкаясь в темноте, мы не подозревали, насколько непосильная задача нам предстоит. Тропинка змеилась по 1200-метровому конусу, покрытому до самого кратера мелким серым пеплом и щебнем. Даже на уровне моря карабкаться по песчаным дюнам нелегко, а на такой высоте – это просто пытка. Три мучительных шага вперед – два назад. В ботинках скрипел мелкий острый песок. Ноги подкашивались и не слушались, меня качало из стороны в сторону, еще больше сводя на нет все усилия. Один из моих спутников упал, не в силах идти дальше. Никогда не знаешь, кого свалит горная болезнь. Самый сильный и выносливый из нас глотал воздух, как выброшенная на берег рыба, и путь его теперь лежал только вниз. Мы продолжили подъем, карабкаясь вслед за проводником, который освещал путь фонарем, качающимся у бедра. Продвигались мы с трудом. Задыхаясь, я останавливалась через каждые несколько шагов, и остановки все увеличивались. Только благодаря усилию воли и ослиному упрямству я преодолела последние несколько сотен футов и повалилась на кромку кратера. Череп будто кинжалами пронзили, перед глазами плясали черные точки.

В голове пронеслась череда картинок. Вот я сижу в пыльной кембриджской аудитории, расчерченной полосами солнечного света, и слушаю лекцию о горной болезни. Что там говорит лектор? Что-то очень важное, но перед глазами плывут и змеятся цветные полосы. Воздух задрожал, и по краю льдины, дрейфующей в кратере Килиманджаро, прошел снежный барс. Он сверкнул на меня желтыми глазами и дернул хвостом. Я посмотрела в другую сторону – там всходило солнце, заливая небо нежно-розовым и оранжевым цветом, золотя кромки тонких облаков. На фоне этого боттичеллиевского неба чернел пик Мавензи. Я села на ободок кратера Кибо, подставив голову холодному ветру, и поняла, что галлюцинации – это предупреждение. Мозг медленно отключается из-за кислородного голодания. Давно пора было уходить, а я упустила момент.

Шатаясь как пьяная, я поползла вниз по крутому склону, испугавшись, что получу отек головного мозга, но еще больше боясь оступиться и полететь кувырком вниз. С каждым шагом я все больше оживала, чувствуя приток кислорода. Я заскользила по щебенке, как на лыжах, объезжая валуны и скалы. Спуск по склону, по которому мы ползли вверх пять с лишним мучительных часов, занял всего тридцать минут.

Мне повезло. Неделей раньше горная болезнь унесла на этом маршруте жизни двух путешественников. Я отделалась легко, пострадав исключительно от собственной неосторожности. Мы слишком быстро взобрались на большую высоту – 5895 м за три с половиной дня. Если заоблачные высоты подвластны простым смертным, это еще не повод с ними шутить.

1. Жизнь на вершине

Людей и гор союз – залог великих дел.

Уильям Блейк. Gnomic Verses I

Высота горы Эверест составляет 8848 м (29 029 футов). Это самая высокая гора в мире. Если мгновенно перенестись с уровня моря на ее вершину, человек потеряет сознание и впадет в кому из-за недостатка кислорода. Тем не менее в 1978 г. двум австрийским альпинистам, Петеру Хабелеру и Райнхольду Месснеру, удалось совершить бескислородное восхождение на Эверест, а десять лет спустя их подвиг повторили уже больше 25 человек. Как удалось им всем совершить, казалось бы, немыслимое? Из этой главы мы узнаем, как велись поиски ответа на эту загадку. Она познакомит нас с радостью открытий, с немыслимыми подвигами на грани человеческих возможностей и с колоритными участниками этих подвигов.

Горы столетиями завораживали и манили своей неприступностью. Прекрасные и недосягаемые, они считались чертогами небожителей. Греческие боги обитали на горе Олимп, самой высокой вершине Греции; индийцы селили своих богов в Гималаях; в Андах найдены свидетельства древних человеческих жертвоприношений. Даже в наши дни у многих народов горы считаются священными – Тенцинг Норгей после первого удачного восхождения закопал на вершине Эвереста в дар обитающим там божествам шоколад и печенье. Горы овеяны мифами и легендами, их пики и расселины населяют не только боги, но и таинственные чудовища вроде гималайского йети или южночилийского трауко, питающегося человеческой кровью. Даже в их названиях есть что-то от заклинаний: «Чимборасо, Котопакси, вы украли мою душу!»{1} И все равно, вопреки (а может, благодаря) всем этим легендам горы продолжали притягивать людей – духовным обновлением, таинственными кладами, возможностью сбежать от гнета, исследовать новые земли или, более прозаично, открыть путь в соседнюю долину, а иногда, как сказал Джордж Мэллори, просто «потому что они есть»{2}.

Из этого следует, что с горной болезнью люди тоже знакомы не одну сотню лет. Причины ее возникновения оставались для древних загадкой, в ней видели кару богов (отнимающих у человека рассудок) либо связывали с отравлением ядовитыми парами растений. Тем самым горы в представлении европейцев делались еще таинственнее и опаснее. Однако где-то ко второй половине XIX века альпинизм стал развиваться как спорт, и люди, борясь со стихиями и соревнуясь друг с другом, стремились во что бы то ни стало достичь заветных вершин. Физиологи проявляли все больший интерес к воздействию высокогорных условий на человеческий организм, все глубже проникая в их тайну, и эти исследования во многом способствовали успеху первых покорителей Эвереста. При этом ученых не раз поражала способность альпинистов расширять очерченные врачами границы возможного.

«Большие высоты» начинаются с 3000 м над уровнем моря. Цифра эта на самом деле взята практически с потолка. Немало жителей Земли – около 15 млн человек – обитают в горных районах даже выше этой отметки, особенно в Андах, Гималаях и на Эфиопском нагорье. Другие приезжают в высокогорные районы кататься на лыжах или ходят по горам в туристические походы. Самое высокогорное постоянное поселение на Земле – шахтерский поселок, расположенный на горе Ауканкильча в Андах, на отметке 5340 м. И хотя сами серные копи находятся на высоте 5800 м, шахтеры предпочитают каждый день преодолевать лишние 460 м подъема в гору, чем устраиваться там на ночлег. Индия, охраняя свою границу с Китаем, не один месяц держала войска на высоте 5490 м, но выше человек, по всей видимости, уже не способен находиться в течение долгого времени, поскольку жизнь на такой высоте чревата различными опасностями. Главная из них – пониженное содержание кислорода в воздухе, однако холод, обезвоживание и активное солнечное излучение тоже нелегко переносить.

Разреженность воздуха на больших высотах означает пониженное содержание кислорода, что представляет серьезную проблему для большинства организмов (в том числе и человека), нуждающихся в постоянном снабжении клеток кислородом. Сжигая кислород вместе с углеводами, клетки вырабатывают энергию. Клетки, производящие больше работы, например, мышечные, потребляют, соответственно, больше кислорода, а физическая активность только увеличивает их запросы. После того, как в 1775 г. открыли кислород (см. гл. 7), его благотворное влияние перестало быть тайной. Однако лишь сотню лет спустя француз Поль Бер выяснил, что именно кислородная недостаточность (гипоксия) является основной причиной горной болезни. Широкое признание его открытие получило еще позже.

Первые упоминания о горной болезни

Первыми воздействие высоты задокументировали китайцы в древней хронике Ханьшу, описывая поход из Китая в афганские земли в 37–32 гг. до н. э.: «Снова при переходе через Большую Болиголовную гору, Малую Болиголовную гору, Красные земли и Лихорадочный склон людей охватывает жар, бледность, нападает головная боль и тошнота. Ослы и скот страдают не меньше». Согласно предположению знаменитого синолога Джозефа Нидэма, древние китайцы воспринимали подобное явление как знак придерживаться исконных границ государства. Точно так же греки, обнаружив, что на вершине Олимпа (около 2900 м) становится трудно дышать, объявили ее чертогом небожителей, недоступным для простых смертных.

В числе первых четко изложить симптомы острой горной болезни удалось в 1590 г. отцу Хосе де Акоста, испанскому миссионеру-иезуиту, который, переходя через Анды, провел некоторое время на высокогорном плато, известном как Альтиплано. На высоком перевале Париакака (4800 м) болезнь сразила многих его спутников. Он и сам «испытал такой неожиданный и сокрушающий приступ, что чуть не упал без чувств», а также пришел к выводу, что «воздух здесь столь тонок и рассеян, что его не хватает для дыхания». Кроме того, на перевале и по всему горному хребту отмечались «странные недомогания, причем на одних участках больше, чем на других, и чаще у тех, кто поднимался с моря, а не с плато». Из этого замечания следует, что отец Акоста сознавал: человек, успевший адаптироваться к условиям высокогорья, проведя какое-то время на горном плато, таком, например, как Альтиплано, менее подвержен горной болезни, чем те, кто поднимается непосредственно с уровня моря. Однако ученые сомневаются, что миссионер имел в виду именно это, поскольку оригинальный испанский текст, возможно, был переведен неправильно.

Зато местное население, инки, прекрасно знали и о воздействии высоты, и о том, что акклиматизация происходит постепенно. Наблюдая массовую гибель жителей равнин после резкого подъема на высоту для работы, например, в копях, они держали два войска – одно акклиматизированное на высокогорье, а второе – внизу, для сражений на равнинах. Спасаясь от конкистадоров, инки поднимались все выше и выше в горы, затрудняя преследователям задачу. И хотя испанцы в конце концов основали город Потоси на отметке 4000 м, он был, скорее, приграничным фортом, откуда женщин и скот пришлось возвращать на уровень моря для рождения и взращивания потомства на протяжении первого года жизни. На плодовитости местных женщин и выживаемости их младенцев высота не отражалась, тогда как отпрыски испанцев гибли при рождении или в первые две недели жизни. Первый младенец испанского происхождения, которому удалось выжить на высоте, родился лишь через 53 года после основания города, появившись на свет под Рождество 1598 г., и это чудо приписали святому Николаю Толентинскому. К сожалению, ни один из шести «осененных чудом» детей не дожил до зрелых лет. Однако уже через два-три поколения выносливость младенцев повысилась, возможно, также за счет смешанных браков испанцев с коренным населением. Скот и лошади, впрочем, по-прежнему страдали массовым бесплодием, и в конце концов испанцы предпочли перенести столицу в Лиму. Младенческая горная болезнь встречается и в наши дни, например, у китайских колонистов, переселяющихся из низовий на склоны Тибета.

Как отмечали еще инки, горной болезни меньше подвержены те, кто приспосабливается к высотным условиям постепенно. Драматический и зачастую трагический исход резкого подъема на большую высоту первыми испытали ранние воздухоплаватели. Первый полет был осуществлен в 1783 г. Жаном-Франсуа Пилатром де Розье и маркизом д'Арландом на воздушном шаре, изготовленном братьями Этьеном и Жозефом Монгольфье. В том же году другой француз, Жак Шарль, сконструировал шар, наполняемый водородом, и поднялся на высоту 1800 м, не испытывая никаких признаков недомогания. Однако воздушные шары способны достигать и более высоких пределов, и там опасность дает о себе знать куда острее.

Симптомы горной болезни при воздухоплавании описаны в знаменитой статье метеоролога Джеймса Глейшера, который сопровождал Генри Коксуэлла в полете из Вулверхемптона в 1862 г. За час они поднялись на высоту, соответствующую по их барометру 247 мм рт. ст., то есть около 8850 м. Подъем на этом не закончился, однако точную высоту зафиксировать уже не удавалось, поскольку Глейшер перестал различать показания барометра, а возможно, их точность снизилась, поэтому не исключено, что конечная высота составила менее заявленных 11 000 м. Глейшер в подробностях описывает, как у него отнимались руки и ноги, он не мог разглядеть циферблат часов и своего спутника, язык не слушался его и наступила временная слепота. В итоге он потерял сознание. К счастью, Коксуэлл остался более дееспособным и смог опустить шар, хоть и с трудом, постепенно выпуская водород. Поскольку руки у него тоже отнялись, веревку клапана пришлось дергать зубами. В процессе спуска Глейшер пришел в себя и даже сумел продолжить записи с отметки в 8000 м, что свидетельствует о том, как быстро человек оправляется после тяжелого приступа гипоксии.

Первые несчастные случаи последовали несколькими годами позже, в 1875 г., когда трое французских ученых, Сивель, Тиссандье и Кроче-Спинелли, поднялись выше 8000 м на воздушном шаре под названием «Зенит». У них были при себе запасы кислорода, однако столь скудные, что воздухоплаватели договорились не использовать их без крайней необходимости{3}. К несчастью, излишняя самоуверенность и вызванная острой кислородной недостаточностью эйфория привели к тому, что кислородом так и не воспользовались – все трое потеряли сознание. Выжил лишь Тиссандье. Позже он рассказывал, что пытался глотнуть кислорода из баллона, но не мог пошевелить руками. О своих ощущениях он писал так: «Страданий не испытываешь, напротив, ощущаешь ликование, наполняясь искрящимся светом. Проникаешься полным равнодушием и перестаешь видеть опасность положения».

Подъем на Эверест

С расцветом альпинизма о проявлениях горной болезни стало известно больше и эта проблема стала исследоваться глубже. К середине 1920-х было установлено, что человек может подняться на высоту 8000 м и пробыть там несколько дней при условии, что до этого он не одну неделю проведет на промежуточных высотах, постепенно акклиматизируясь. При таком же давлении, смоделированном в декомпрессионной камере, человек терял сознание через несколько минут.

Участники британской экспедиции 1953 г. на Эверест под руководством сэра (впоследствии лорда) Ханта отлично понимали необходимость акклиматизации. Долгий переход от Катманду до Кхумбу, расположенного у подножия Эвереста, продолжался несколько недель и обеспечил необходимый адаптационный период, поскольку большая часть маршрута пролегает на высоте 1800 м, изредка поднимаясь до 3600. Еще четыре недели ушли на акклиматизацию в районе Кхумбу (4000 м), и только потом начался штурм склона. Кроме того, группа взяла за правило становиться лагерем на высоте, где можно спокойно есть и спать, а затем спускаться на несколько дней для отдыха и восстановления сил на предыдущий уровень. Вслед за ними так поступает и большинство современных экспедиций, и, как мы еще увидим, для этого существуют веские физиологические основания.

Кроме того, в этой экспедиции впервые широко применялись дополнительные источники кислорода. Раньше кислородом пользовались неохотно – альпинисты не слишком доверяли новому и слишком громоздкому снаряжению. Выше отметки в 6500 м участники экспедиции на Эверест стали пользоваться кислородными баллонами во время сна (1 л в минуту) и при восхождении (4 л в минуту). Однако, несмотря на такую поддержку, высота все равно давала о себе знать постепенным ухудшением самочувствия и потерей веса. Иногда, как подробно описывает Хант, дееспособность падала катастрофически:

«Наш подъем становился все медленнее, все изнурительнее. Каждый шаг давался с трудом и требовал напряжения воли. После нескольких медленных, как на похоронах, шагов нужен был отдых, чтобы набраться сил. По причине, обнаруженной мною лишь впоследствии, я дышал уже с трудом и широко открытым ртом ловил воздух ‹…› Казалось, мои легкие сейчас разорвутся. Со стонами я боролся за каждый глоток воздуха, теряя при этом ужасном и жестоком испытании всякое самообладание»[2].

Причина подобных мучений была выявлена позже. Как оказалось, трубка, соединяющая респиратор Ханта с кислородным баллоном, полностью забилась льдом, поэтому кислород не проходил, и Хант, таща на себе тяжеленный прибор, не получал он него никакой пользы. Тем не менее в своем отчете об экспедиции Хант пишет: «Среди нашего многочисленного снаряжения я должен особенно отметить кислородную аппаратуру. ‹…› Главную роль в достижении успеха сыграли, по-моему, кислородные аппараты. Не будь мы снабжены высококачественной кислородной аппаратурой, нам, без сомнения, не удалось бы достичь вершины».

Весть о покорении Эвереста 29 мая 1953 г. Эдмундом Хиллари и шерпом Тенцингом Норгеем достигла Лондона 2 июня, как раз ко дню коронации Ее Величества королевы Елизаветы. Объявленная через громкоговорители по всему пути следования королевского кортежа, она вызвала всеобщее ликование. Находившиеся в базовом лагере члены экспедиции, услышав новость о своем подвиге по общенациональному радио AIR, очень удивились, поскольку репортер Times Джеймс Моррис покинул лагерь с материалом для статьи буквально накануне, 30 мая.

После успешного использования кислородных аппаратов при штурме Эвереста сложилось мнение, что выжить на вершине без дополнительного кислорода невозможно. Гриффит Пью, физиолог в составе первой экспедиции, покорившей Эверест, утверждал, что «лишь исключительному человеку под силу подняться выше 8200 м без дополнительного кислорода». Его выводы подтверждались трагическими случаями, когда лучшие альпинисты, теряя равновесие от изнеможения, вызванного гипоксией, разбивались насмерть. Однако упорство и настойчивость альпинистов, как нередко случалось в высокогорной физиологии, опровергли неутешительные выводы физиологов. В 1978 г. Петер Хабелер и Райнхольд Месснер совершили бескислородное восхождение на Эверест. Впоследствии их подвиг повторили и другие, в том числе в 1988 г. первая среди покорителей Эвереста женщина, Лидия Брейди (правда, она штурмовала Эверест в одиночку, поэтому некому было подтвердить, что она действительно достигла вершины).

Все эти примеры свидетельствуют, что нужно различать физиологические последствия резкого подъема на высоту (например, при полете на воздушном шаре или при разгерметизации самолета) и постепенного восхождения, типичного для неспешного штурма горной вершины, когда отводится достаточно времени на акклиматизацию. Отдельным, третьим аспектом следует рассматривать последствия долговременного проживания на большой высоте.

Падение барометрического давления

Первым наличие веса у воздуха обнаружил Эванджелиста Торричелли. В 1644 г. он писал коллеге: «Мы живем на самом дне океана, состоящего из воздуха, который, согласно неоспоримым экспериментальным данным, имеет вес». Торричелли, ученику Галилея, также принадлежит честь создания первого ртутного барометра для измерения атмосферного давления (давления, создаваемого весом самого воздуха).

Уменьшение плотности воздуха по мере набора высоты означает уменьшение атмосферного давления. Впервые это продемонстрировал Блез Паскаль в своем «Великом эксперименте» на горе Пюи-де-Дом. Проще говоря, чем выше мы поднимаемся, тем меньше давление, поскольку сокращается величина давящего на нас атмосферного столба.

До самого недавнего времени атмосферное давление измерялось в торрах – единицах, названных в честь Торричелли. Теперь в официальном обращении торры вытесняет другая единица, получившая, как ни парадоксально, свое имя в честь француза Паскаля. Однако поскольку в ранних работах использовались торры и физиологи по-прежнему оперируют именно ими, я тоже последую их примеру.

На уровне моря атмосферное (или барометрическое) давление составляет около 760 торр (миллиметров ртутного столба). Воздух состоит на 21 % из кислорода, на 0,04 % из углекислого газа{4}, остальное приходится большей частью на азот. Поэтому на уровне моря давление кислорода (так называемое парциальное или частичное) равно 159 торрам (21 % от 760 торр). На вершине Эвереста доля кислорода в воздухе остается такой же, но поскольку барометрическое давление падает примерно до 250 торр, парциальное давление кислорода падает соответственно. Кроме того, парциальное давление кислорода в легких снижается еще сильнее, чем в атмосфере. Этот удивительный факт объясняется тем, что в организме содержится большое количество водяного пара. Его присутствие в альвеолах (легочные пузырьки, где происходит газообмен между легкими и кровью) сокращает объемы кислорода, что на высоте как нельзя более ощутимо.

На любой высоте воздух в легких пропитан водяным паром, образующимся в организме. Особенно хорошо это видно на холоде, когда в результате выдоха возникает облачко пара. Парциальное давление этих паров – 47 торр. Это значит, что при атмосферном давлении в 47 торр, соответствующем высоте в 19 200 м, легкие целиком заполнятся паром, не оставляя места для кислорода и других газов. Таким образом, доля давления газа в легких, приходящаяся на водяной пар, возрастает по мере набора высоты – с 6 % на уровне моря до 19 % на вершине Эвереста.

Присутствие пара в альвеолах объясняет, почему парциальное давление кислорода в этих воздушных пузырьках ниже, чем в атмосфере (кроме того, кислород постоянно расходуется на нужды организма). Этим же фактором определяется физический предел высоты, которой может достичь человек, даже дыша чистым кислородом. Нижняя граница барометрического давления, при котором поддерживается нормальная концентрация кислорода в легких (100 торр), при дыхании чистым кислородом соответствует примерно 10 400 м, что равно высоте полета большинства пассажирских лайнеров. На большей высоте выжить тоже можно, поскольку при учащенном дыхании выпускается больше углекислого газа и освобождается место под кислород. Однако уже на высоте 12 200–13 700 м кислорода вырабатывается недостаточно, и человек теряет сознание. Выше 18 900 м при температуре тела кровь «закипает», т. е. фактически испаряется. Тем самым объясняется, почему для подобных высот и космических путешествий необходим герметичный скафандр или капсула с автономной системой подачи воздуха (см. гл. 6).

Чем опасна неожиданная разгерметизация

«В случае внезапной разгерметизации кислородные маски выпадают автоматически». В последние 25 лет популярность авиаперелетов неуклонно растет, поэтому фраза эта знакома практически каждому, хотя, к счастью, мало кому пришлось применить это знание на практике. Большинство пассажирских перелетов совершаются на высоте около 10 400 м. Если на этой высоте выбить стекло, мы услышим громкий хлопок вырывающегося из кабины воздуха – внутреннее давление уравновесится с внешним. Непристегнутые предметы и людей вытянет за борт, а кабина наполнится мелкой водяной взвесью, поскольку температура тоже сравняется с наружной и в воздухе сконденсируется водяной пар. Поэтому кислородную маску важно надеть мгновенно, ведь уровень кислорода в легких моментально упадет, и в течение 30 секунд вы потеряете сознание. «Полезное» время, за которое пилоту придется предпринимать какие-то действия, и того меньше – 15 секунд. Одного капитана воздушного судна погубило то, что он не успел надеть кислородную маску, наклонившись за упавшими очками. К счастью, второй пилот оказался расторопнее.

Парциальное давление кислорода в легких на высоте 10 400 м при дыхании несжатым воздухом составляет около 20 торр – это слишком мало для жизни. При дыхании чистым кислородом оно возрастает до 95 торр. Этого хватит, чтобы выжить, если вы будете сидеть смирно, не тратя энергии, поэтому экипаж учат в подобных ситуациях сидеть спокойно, пока самолет не опустится на более приемлемую высоту (а кроме того, еще и потому, что снижение в таких случаях проводят резкое, чтобы опуститься побыстрее).

Падение дееспособности на больших высотах погубило немало людей в начале Второй мировой войны. Если на высоте 5500 м хвостовой стрелок бомбардировщика, дышавший воздухом в своей пулеметной турели, чувствовал себя вполне бодрым, то при попытке перебраться в головную часть многие теряли сознание. Это происходит потому, что работающие мышцы потребляют больше кислорода, чем организм может получить из разреженного воздуха, и оставшегося кислорода не хватает на обеспечение нужд мозга. Однако в спокойном сидячем положении можно подняться в негерметизированной кабине, не теряя сознания, до 7000 м, что, надо отметить, значительно уступает высоте Эвереста.

Куда коварнее внезапной разгерметизации медленное падение давления в кабине, поскольку постепенное снижение содержания кислорода в воздухе замечается не сразу. Пилот, не подозревая об опасности, может не успеть предпринять необходимые шаги. Как подробно описывали первые воздухоплаватели, кислородное голодание вызывает эйфорию, рассеянность и неверную оценку обстановки. В итоге наступает мышечная слабость, потеря сознания, затем кома и смерть. Все это вызвано неспособностью организма достаточно быстро реагировать на снижение доли кислорода в воздухе на больших высотах.

Официальный предел для полета в негерметизированной кабине без кислорода – 3000 м, хотя кислородом пользуются начиная с 2400 м, для перестраховки. В салонах пассажирских самолетов создается давление, соответствующее высоте 1500–2400 м над уровнем моря, поскольку, чтобы обеспечить более высокое давление, пришлось бы значительно увеличивать вес фюзеляжа и тратить слишком много мощности двигателей на наддув. Кроме того, в этом нет необходимости, поскольку на такой высоте парциальное давление кислорода достаточно для нормального насыщения им крови. Однако страдающие легочными или сердечными заболеваниями могут не справиться с понижением уровня кислорода, и им потребуется в полете кислородный баллон. Именно из-за перепадов давления (когда внутреннее давление в кабине приводится в соответствие с внешним) у нас закладывает уши при взлете и посадке на уровне моря (подробнее об этом см. гл. 2).

В отличие от пассажирских самолетов, многие истребители не герметизируют или герметизируют слабо, создавая давление, соответствующее 7600 м над уровнем моря, поскольку более сильная герметизация потребует увеличения веса и лишит истребитель маневренности. Поэтому летчикам приходится надевать плотно прилегающую маску и дышать смесью воздуха с чистым кислородом. Смесь регулируется автоматически в зависимости от высоты, снабжая летчика кислородом в достаточном количестве, не вызывающем кислородного опьянения (см. гл. 2). Выше 11 500 м подается под давлением чистый кислород. Дышать сжатым воздухом непривычно – в отличие от нормального дыхания, когда вдох представляет собой активный процесс, а выдох происходит при расслаблении мышц грудной клетки, сжатый воздух заполняет легкие сам, а вот выдыхать его приходится с усилием. Поэтому такое дыхание – достаточно трудоемкий процесс. Кроме того, при слишком сильном «наддуве» легкие может разорвать – как ту лягушку в эзоповой басне, что пыжилась, пока не лопнула. Однако если на стенки грудной клетки будет обеспечено давление извне, легкие могут выдержать больший «наддув», поэтому пилоты истребителей облачаются в специальный костюм. По сути, это плотно облегающий комбинезон, который при низком давлении накачивается воздухом в районе грудной клетки и живота. Его используют военные летчики, поднимающиеся выше 12 000 м, чтобы спастись в случае полной разгерметизации (если, например, корпус истребителя пробьет шрапнелью). Аналогичный костюм надевала Джуди Леден, когда в 1996 г. спускалась на дельтаплане с воздушного шара, поднявшегося на высоту 12 000 м над Иорданской пустыней, тем самым побив мировой рекорд высоты для дельтапланеристов.

Гражданские самолеты конструируются таким образом, чтобы в случае разгерметизации окна воздух выходил не так быстро и давление падало постепенно (именно поэтому иллюминаторы на «Конкордах» такие маленькие). Однако если снаряд попадет в истребитель или летчику придется катапультироваться, разгерметизация произойдет в считанные секунды. Поэтому летчиков учат правильно выдыхать в процессе разгерметизации, чтобы легкие не разорвало от резкого притока воздуха. Кроме того, им грозит «кессонная болезнь», возникающая, когда растворенные в крови и тканях организма газы при низком давлении выделяются из раствора в виде пузырьков. Ощущения и опасность при разгерметизации на большой высоте сходны с опасностью, подстерегающей ныряльщиков, всплывающих с глубины на поверхность (более подробно об этом см. в гл. 2).

В отличие от большинства пассажирских самолетов, «Конкорд» летает в эшелоне 15 000–18 000 м. Даже при дыхании чистым кислородом под давлением эта высота сильно превышает достаточный для выживания порог (составляющий около 14 000 м). Как мы уже знаем, из-за низкого барометрического давления на таких высотах легкие просто не вмещают необходимое количество кислорода. Кроме того, этот эшелон близок к высоте в 18 900 м, на которой кровь и прочие жидкости организма начинают «закипать» при температуре тела. Поэтому внезапная разгерметизация кабины «Конкорда», скорее всего, приведет к летальному исходу, но многие пассажиры даже не догадываются об этом, пребывая в счастливом неведении.

Острая горная болезнь

Если разгерметизация самолета – чрезвычайная ситуация, в которой довелось побывать очень немногим, то воздействие горной болезни, учитывая растущую популярность и доступность экстремального туризма, испытало на себе гораздо большее количество людей. Поход к подножию Эвереста стал массовым туристическим маршрутом, восхождение к базовому лагерю уже совершили тысячи неопытных любителей, а на склонах горы регулярно проводится марафонский забег. В Андах каждый год не меньшее число туристов проходят Тропой инков, ведущей от Куско к древнему городу Мачу-Пикчу по головокружительным перевалам на высоте 4500 м. Поскольку до Анд можно добраться и напрямую – поездом или самолетом, горная болезнь там не редкость. Тем, кто прибывает самолетом в Ла-Пас, столицу Боливии, расположенную на отметке 3500 м над уровнем моря, настоятельно рекомендуют не перенапрягаться в первые дни, и все равно каждый год несколько бизнесменов умирает от сердечного приступа или тромбоза, вызванного высокогорными условиями.

Симптомы горной болезни обычно отмечаются у жителей равнин при подъеме на высоту более 3000 м, однако со временем большинство людей адаптируется. Но выше 4800–6000 м (уровень самых высокогорных поселений в Андах и Гималаях) акклиматизации уже не происходит и дееспособность постепенно ухудшается. Даже для самых акклиматизированных подъем выше 7900 м чреват серьезными опасностями. Альпинисты называют этот уровень «мертвой зоной», поскольку длительное пребывание на такой высоте вызывает стремительное ухудшение здоровья. Именно поэтому базовый лагерь разбивается на более низкой отметке, а оттуда совершается марш-бросок на вершину, с расчетом пробыть выше 7900 м как можно меньше.

Горная болезнь развивается в течение 8–48 часов после быстрого подъема на большую высоту. Начинается она с легкого головокружения, часто эйфории, человек будто пьянеет от разреженного воздуха. Однако через несколько часов эйфория спадает и наваливается непонятная усталость. Идти, хоть и с трудом, еще как-то удается, о беге не может быть и речи. Перед глазами плывет, человек теряет равновесие. Заснуть тяжело, ночью постоянно просыпаешься, испытывая при этом неприятное ощущение, будто тебя душат. К этому добавляется сильная головная боль, потеря аппетита, тошнота и даже рвота. Нередки кровоизлияния в капиллярных сосудах сетчатки глаза (впрочем, потом капилляры без последствий заживают).

У большинства людей эти неприятные симптомы пропадают через несколько дней. Однако иногда горная болезнь может привести к отеку легких (скоплению в них жидкости). В некоторых случаях развивается отек мозга – больной испытывает при этом головную боль, потерю равновесия, сильное желание лечь и ничего не делать. После этого быстро наступает кома и смерть. Кислород может облегчить состояние как при горной болезни, так и при отеках мозга и легких, но единственное по-настоящему действенное лекарство – спуститься с опасной высоты. Заплатить проводнику, чтобы он отнес вас выше в горы, как поступали некоторые туристы в Гималаях, – самая что ни на есть фатальная ошибка.

Красочное описание горной болезни составил на основе собственного опыта Эдвард Уимпер. Он и двое его проводников, Жан-Антуан и Луи Каррель, испытали на себе пагубное воздействие разреженного воздуха на высоте 5000 м при восхождении на Чимборасо в 1879 г.

«Где-то через час я обнаружил, что вместе с обоими братьями Каррелями лежу на спине, будто нокаутированный, не в силах пошевелиться. Мы поняли, что враг не дремлет и что мы переживаем первый приступ горной болезни. У нас начался жар, головная боль, не хватало воздуха, как следует вдохнуть удавалось только ртом. От этого сразу же пересыхало горло. ‹…› Даже участившееся дыхание казалось недостаточным, мы то и дело судорожно хватали воздух ртом, будто рыбы, выброшенные на берег».

Около 40 % туристов, поднимаясь в пеших походах выше 4000 м, подвергаются в той или иной степени воздействию горной болезни, хотя и менее суровому, чем у Уимпера и братьев Каррелей. Предсказать, кто падет ее жертвой, крайне сложно, поскольку она не зависит от физической подготовки и может скрутить парашютиста-разрядника, совершенно не тронув его хрупкую бабушку. Причины острой формы горной болезни еще не до конца изучены, однако в числе важных факторов приводятся снижение содержания кислорода в крови и уменьшение кислотности крови (см. ниже). Некоторые ученые полагают, что в совокупности эти факторы вызывают перераспределение жидкостей в организме и ведут к слабо выраженному отеку мозга. Предположение подтверждается измерениями мозгового кровотока, проведенными на высоте 5300 м.

Отек легких, когда легкие переполняются жидкостью, возникает вследствие реакции кровеносных сосудов легких на снижение уровня кислорода на больших высотах. На уровне моря низкое содержание кислорода в отдельном легочном пузырьке (альвеоле) обычно означает, что приток воздуха затруднен. Ввиду невозможности провести кровь через эту альвеолу прилегающий кровеносный сосуд сжимается, перекрывая кровоток и перенаправляя его в другую, лучше вентилируемую область. К сожалению, сосуды не различают снижение уровня кислорода в альвеолах из-за блокирования дыхательных путей и спада парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе. Поэтому на большой высоте они сокращаются в любом случае. Однако одни сосуды более чувствительны к перепадам уровня кислорода, чем другие, поэтому сосудистый спазм происходит неравномерно. В результате усиливается кровоток в свободных капиллярах, приводя к повышению кровяного давления в легких. Из капилляров выделяется жидкость, которая затем скапливается в альвеолах или между ними. Примерно то же самое происходит, когда отверстия в душевой лейке забиваются известковым налетом – напор воды в свободных отверстиях неизменно возрастает. Поскольку через гиперчувствительные (а значит, сократившиеся) капилляры жидкость не проходит, отек происходит неравномерно – как точно подметил один эксперт, «отекшее легкое похоже на мешок с пушечными ядрами».

Жидкость в альвеолах препятствует газообмену. Дыхание становится затрудненным, в нижних сегментах легких слышатся хрипы – это, судя по всему, переливается во время дыхания жидкость. Если отек вовремя не устранить, больной просто «утонет» в жидкости, скапливающейся в легких. Отек легких грозит прежде всего тем, кто, стремительно поднявшись на высоту 3000 м, сразу же подвергает организм большим физическим нагрузкам. Если подниматься постепенно и выждать некоторое время в покое, вероятность отека практически исключена.

Для альпинистов и тех, кто постоянно живет и работает на большой высоте, дееспособность – крайне важный фактор. И разумеется, чем больше человек трудится (чем быстрее поднимается), тем больше ему необходимо кислорода. У равнинных жителей работоспособность с высотой стремительно падает: на отметке 7000 м она составляет едва ли 40 % от показателей на уровне моря. Без кислорода темп восхождения существенно замедляется: в 1952 г. у Раймонда Ламберта и Тенцинга Норгея ушло пять с половиной часов на прохождение 200 м по Южному седлу Эвереста, а на вершине горы Райнхольд Месснер с Петером Хабелером через каждые несколько шагов падали в снег от изнеможения, поэтому последние 100 м они преодолевали больше часа.

«Через каждые несколько шагов мы обессиленно повисаем на ледорубах, судорожно разевая рот, отвоевывая необходимый для мышц воздух. ‹…› На высоте 8800 м мы уже не можем держаться на ногах во время передышек. Мы падаем на колени, цепляясь за ледорубы. ‹…› Через каждые десять-пятнадцать шагов валимся в снег отдохнуть, затем ползем дальше».

Похожие затруднения не прошедший акклиматизацию человек испытывает и на более низких высотах, тогда как постоянные обитатели этих высот снижением работоспособности не страдают. Прибывая в Ла-Пас самолетом, путешественники ощущают мгновенный упадок сил из-за разреженного воздуха, тогда как местные, к изумлению (и зависти) гостей, бегают в тех же условиях марафоны.

Вдох-выдох

Попадая на большую высоту, вы прежде всего замечаете, как учащается дыхание{5}. Это резкая и непосредственная реакция организма на уменьшение парциального давления кислорода в воздухе, обеспечивающая приток большего количества кислорода к тканям. Вызывается она хеморецепторами (каротидными тельцами), находящимися в сонных артериях, которые, чувствуя понижение уровня кислорода в крови, дают дыхательному центру мозга сигнал участить дыхание. Каротидные тельца расположены в стратегически важных точках, поскольку они отслеживают содержание кислорода в крови, поступающей в мозг{6}. Механизм, с помощью которого они распознают перепады уровня содержания кислорода, до сих пор является предметом научных споров.

Поначалу дыхание учащается незначительно – не более чем в 1,65 раза по сравнению с частотой на уровне моря, даже на высоте 6000 м. Это происходит потому, что гипервентиляция легких не только повышает потребление кислорода, но и вызывает больший расход CO2 на выдохе. Углекислый газ образуется в организме в весьма значительных количествах как побочный продукт обмена веществ. В растворе он дает углекислоту, и объем выдыхаемого человеком газа приравнивается к 12,5 л углекислоты в промышленной концентрации (точнее, 12,5 моля ионов водорода) в сутки. Производимый в тканях углекислый газ переносится клетками крови в легкие и оттуда выделяется в воздух. Таким образом, его концентрация в альвеолах варьируется в зависимости от частоты дыхания: при учащенном дыхании углекислого газа выбрасывается больше, тем самым уменьшается его содержание в альвеолах и крови.

Углекислый газ выступает мощным регулятором дыхания (воздействуя на еще одну группу хеморецепторов, расположенных в мозге), и если его содержание в крови падает, дыхание затрудняется. Можете проверить сами, и вы обнаружите, что способны задержать дыхание на более долгий промежуток времени, если до этого сделаете серию частых выдохов. (Только не переусердствуйте – если дышать так больше минуты, может закружиться голова.) Дело в том, что задержка дыхания регулируется не столько потребностью в кислороде, сколько возрастанием процента углекислого газа в крови. Когда он достигает критической отметки, организму требуется вдох. Гипервентиляция перед задержкой дыхания удаляет из организма избыток CO2 и позволяет отсрочить момент, когда он снова накопится до предела, побуждающего сделать вдох. Противоположное воздействие кислорода и углекислого газа на организм объясняет, почему на высотах ниже 3000 м никаких изменений в характере дыхания не происходит.

Птицы высокого полета

На вершине Эвереста человек выживет без кислорода, только если он достаточно вынослив и дал организму время адаптироваться. Однако даже в этом случае он будет передвигаться медленно и с трудом. В отличие от человека, птицы – например, горный гусь (Anser indicus), переваливают через Гималаи на той же или большей высоте во время ежегодных миграций. Более того, они могут менее чем за день подняться с уровня моря на высоту 9000 м, не оставляя времени на акклиматизацию. Даже простой домовый воробей на высоте 6000 м будет активен и бодр, тогда как человек впадет в угнетенное состояние. Чем же объясняется эта невероятная способность птиц справляться с низким содержанием кислорода?

Во-первых, легкие у птицы устроены иначе, чем у человека, поэтому способны забирать больше кислорода из вдыхаемого воздуха и отдавать больше углекислого газа. Легкие у птицы маленькие и компактные, однако они сообщаются с обширными воздушными мешками, которые заполняют пространство между внутренними органами и уходят своими ветвлениями в кости черепа и скелета. Эти воздушные мешки нужны не как дыхательные поверхности, а, скорее, как хранилище. Газообмен происходит в тончайших трубочках, соединяющих передние и задние воздушные мешки, – эти трубочки и есть легкие.

Полное прохождение воздуха через легкие птицы осуществляется за два вдоха. Сперва воздух заполняет задние воздушные мешки. За время выдоха и следующего вдоха этот воздух перегоняется в передние мешки, и в процессе оттуда извлекается кислород. На следующем выдохе воздух выталкивается из передних мешков наружу. В результате воздух постоянно циркулирует по дыхательным поверхностям, что позволяет птице извлекать больше кислорода, чем млекопитающим, у которых воздух не «течет» по дыхательным поверхностям, а загоняется в тупики альвеол, откуда кислород медленно просачивается в кровь.

Еще один фактор, позволяющий птицам летать на большой высоте, – пониженная, по сравнению с млекопитающими, чувствительность к падению концентрации CO2 в крови и сопутствующему повышению кислотности крови. Поэтому учащенное дыхание у них сохраняется даже при падении уровня CO2 в крови. Кроме того, сердце у птиц перекачивает за один удар больше крови, чем у млекопитающего сопоставимых размеров, а гемоглобин у птиц, обитающих на больших высотах, связывает кислород куда активнее, также повышая объем кислорода, извлекаемого из воздуха.

Переключение с кислородной регуляции дыхания на углекислотную не всегда протекает гладко и может приводить к «скачкам» и перепадам, как бывает в плохо отрегулированной отопительной системе. При этом человек то дышит, то не дышит, пугаясь сам и пугая тех, кто рядом. Чаще всего это происходит ночью. Объясняются такие перепады тем, что учащенное дыхание, вызванное низким содержанием кислорода в воздухе, приводит к повышенному сбрасыванию углекислого газа легкими, и дыхание останавливается. Затем в течение какого-то времени углекислый газ снова накапливается в крови, снимая блокировку, и одновременно возрастает потребность в кислороде. Задержку дыхания прерывает резкое заглатывание воздуха – иногда настолько резкое, что человек просыпается, и весь цикл идет по следующему кругу. Эти постоянные пробуждения очень затрудняют существование на высоте, поэтому у альпинистов выработался принцип: «Лезь повыше, спи пониже».

Сокращение доли кислорода в крови, вызванное учащенным дыханием, приводит к уменьшению водородного показателя крови («уменьшению кислотности крови», «увеличению pH крови» или «увеличению щелочности крови», другими словами). Происходит это потому, что углекислый газ соединяется с водой, образуя двууглекислую соль и ионы водорода, а в качестве катализатора реакции выступает фермент под названием карбоангидраза. Предполагают, что частота дыхания регулируется именно ионами водорода, получаемыми в результате этой реакции, а не собственно углекислым газом. Хеморецепторы, улавливающие изменение содержания ионов водорода, расположены в основании головного мозга, на участке под названием «продолговатый мозг».

Почему же человеческое дыхание регулируется прежде всего углекислым газом, а не кислородом? Скорее всего потому, что наш организм развивался в процессе эволюции в основном на уровне моря, и люди очень редко забирались в высокогорье. На уровне моря кислорода в легкие поступает гораздо больше, чем требуется, даже при сильно затрудненном дыхании. С другой стороны, частота дыхания очень сильно влияет на содержание углекислого газа в легких и тканях, и крайне важно, чтобы она соответствовала содержанию газа в организме. Поэтому главным регулятором дыхания выступает именно углекислый газ.

Акклиматизация

Когда человек только попадает на большую высоту, дыхание сперва учащается незначительно, однако уже через неделю или около того учащение станет более ощутимым, а через две-три недели превысит норму в пять-семь раз. Это повторное учащение дыхания – самый важный аспект адаптации к высокогорным условиям, оно определяет, как высоко человек сможет забраться. Чем чаще и глубже мы дышим, тем больше поглощаем кислорода и тем выше можем подняться.

В результате акклиматизации снимается блокировка дыхания, вызываемая снижением количества углекислого газа в крови и сопутствующим уменьшением кислотности крови. В этом случае, конечно, необходимо восстановление кислотности крови, и этим занимаются почки{7}. Несмотря на то что данная функция почек несомненно важна для долговременной акклиматизации, этого недостаточно, поскольку процесс протекает слишком медленно, и воздействие ее слишком незначительно, чтобы вызвать учащение дыхания сразу при попадании на высоту. Значит, должен происходить еще какой-то дополнительный (но пока не изученный) процесс (наблюдается как повышенная чувствительность каротидных телец к низкому содержанию кислорода, так и постепенное восстановление кислотности жидкости, окружающей центральные хеморецепторы мозга){8}. Кажется удивительным, что механизм, ответственный за столь важное явление, как повторное учащение дыхания, до сих пор окончательно не изучен. Тем не менее он дает физиологам отличный повод покорять горные вершины и заниматься его изучением вплотную.

Гемоглобин

Гемоглобин – это глобулярная молекула, состоящая из четырех субъединиц. Каждая из этих субъединиц, в свою очередь, состоит из молекул гема, связанных с полипептидной цепью. В центре гемового кольца находится атом железа, к которому присоединяется кислород. Именно гем отвечает за цвет крови. Гемоглобин, связанный с кислородом (оксигемоглобин), – ярко-алого цвета. Он же обеспечивает алую окраску артериальной крови и румянец на светлой коже представителей белой расы. Дезоксигемоглобин – темно-багрового цвета, характерного для венозной крови. Этот цвет еще называют «циан» – отсюда «цианоз» – медицинский термин, которым обозначают посинение губ и ногтей у тех, кто страдает от недостатка кислорода в крови. Коричневый цвет запекшейся крови и лежалому мясу придает метгемоглобин. Это окисленный гемоглобин (не путать с оксигемоглобином). Он возникает, когда атом железа в центре молекулы гемоглобина окисляется, переходя из закиси железа (Fe2+) в окись (Fe3+), не способную присоединять кислород. Красные кровяные тельца содержат фермент, преобразующий небольшое количество спонтанно формирующегося метгемоглобина обратно в нормальную форму гемоглобина. Ярко-вишневый цвет крови – признак отравления угарным газом, когда молекулы угарного газа замещают пространство в центре молекулы гемоглобина, отведенное под кислород. Плохо отрегулированные газовые приборы, выделяющие угарный газ, могут значительно понизить или даже блокировать способность крови переносить кислород. В таком случае единственное средство помощи – дать больному подышать чистым кислородом. Еще лучше поместить его в гипербарическую камеру, где под давлением в три атмосферы в крови растворится достаточное количество кислорода для поддержания жизнедеятельности, пока угарный газ не отпустит молекулы гемоглобина. Поскольку кислород крайне пожароопасен, сама камера заполнена воздухом, а кислород больному подается через маску.

Гемоглобин – довольно знаменитая в истории науки молекула, неоднократная получавшая титул «первой». Его в числе первых удалось кристаллизовать, точно определить молекулярный вес и выявить особую физиологическую функцию (транспортировка кислорода). Кроме того, именно у гемоглобина удалось первым среди белков определить трехмерную структуру – с помощью рентгеновского анализа кристалла гемоглобина, проведенного Максом Перуцем в 1959 г.

В гипервентиляции и надо искать ответ на вопрос, как акклиматизированному альпинисту удается выжить на вершине Эвереста без дополнительного кислорода. Как подметил Райнхольд Месснер, достигнув вершины, он «весь был одно большое судорожно дышащее легкое». При учащенном дыхании стравливается больше углекислого газа, уменьшая тем самым парциальное давление CO2 в легких и высвобождая больше места для кислорода. Установлено, что у самых опытных альпинистов по мере подъема парциальное давление углекислого газа в легких падает очень значительно – на вершине Эвереста оно составляет всего 10 торр (по сравнению с 40 торрами на уровне моря). Однако не у всех получается достаточно акклиматизироваться и обеспечить такое разительное учащение дыхания, чтобы настолько снизить уровень углекислого газа, и далеко не каждый способен выдержать сопутствующий спад кислотности крови. Этим людям никогда не добраться до вершины, поскольку при невозможности сбрасывать лишний углекислый газ в легких не высвободится достаточного пространства под кислород. Даже при успешном восхождении альпинисту требуется значительный период акклиматизации, чтобы организм приспособился к существованию при пониженном уровне углекислого газа.

Парциальное давление кислорода в легких хорошо акклиматизированного альпиниста, стоящего на вершине Эвереста, составляет около 36 торр – это практически предел для человеческого организма. Любопытное совпадение, но самая высокая на земле горная вершина является также самой высокой точкой, на которой человек способен выжить без дополнительных средств поддержания жизнедеятельности. Поскольку Эверест – это фактически максимальная отметка, которой мы способны достичь, даже незначительные колебания в атмосферном давлении, вызванные, например, сменой времен года, могут повлиять на успех бескислородного подъема.

Другой очевидный способ доставить больше кислорода к тканям – повысить транспортную способность крови. У некоторых животных кислород в крови переносится просто в растворе. Однако объем кислорода, который можно транспортировать таким способом, крайне мал, поэтому организм большинства животных (включая и человека) использует для этой цели молекулы белка. Поскольку белки эти обычно окрашены, их называют «дыхательными пигментами». У большинства млекопитающих за транспортировку кислорода отвечает гемоглобин. Он состоит из четырех одинаковых субъединиц, в центре каждой из которых находится атом железа. К нему с двух сторон цепляется по одной молекуле кислорода. Поскольку сам гемоглобин достаточно мал, чтобы просочиться через почечные фильтры в мочу, он заключен в эритроциты, которые за его счет и получают свой красный цвет. Красная моча – признак гемоглобинурии (если, конечно, вы не переели свеклы накануне).

Одним из первых признаков долговременной адаптации к высокогорным условиям служит значительное увеличение количества эритроцитов (а значит, и содержание гемоглобина). Вызывается оно эритропоэтином – гормоном, который вырабатывается в почках в ответ на низкое содержание кислорода в крови. Судя по всему, экспрессия гена эритропоэтина и последующая выработка гормона происходит из-за недостатка кислорода. Механизм этот еще не изучен полностью, однако полагают, что в самом гене (в ДНК) содержится сенсор, улавливающий содержание кислорода в клетке. Количество эритроцитов в кровеносной системе благодаря эритропоэтину увеличивается в срок от трех до пяти дней после прибытия на высоту и продолжается в течение всего времени пребывания. Объем крови, занимаемый эритроцитами (так называемый гематокрит), составляет у равнинного жителя около 40 %, но после акклиматизации он может вырасти и до 60 %.

Спортсмены часто тренируются на высоте, чтобы повысить количество эритроцитов и способность крови переносить кислород, хотя теперь некоторые вместо этого дышат воздухом с пониженным содержанием кислорода во время сна или принимают синтетический эритропоэтин (см. гл. 5). У людей с хроническими заболеваниями легких, испытывающих затруднения при дыхании (и страдающих от гипоксии), также часто наблюдается повышенное содержание эритроцитов в крови, даже на уровне моря.

Несмотря на то что увеличение количества эритроцитов повышает способность крови переносить кислород к тканям, оно одновременно повышает и вязкость крови, затрудняя работу сердца по ее перекачке. В настоящее время считается, что увеличение гематокрита приносит мало пользы (кто бы еще сообщил об этом спортсменам), и подтверждает данную точку зрения тот факт, что по количеству эритроцитов кровь лам и других высокогорных животных не отличается от крови обитателей низин. И действительно, если плотность эритроцитов слишком возрастает, последствия могут быть пагубными. Карлос Монхе еще в 1925 г. первым заметил, что у некоторых людей, проживших всю жизнь в горах, возникают симптомы, сходные с признаками острой горной болезни. Они жаловались на головную боль, головокружение, хроническую усталость, в некоторых случаях доходило до сердечной недостаточности или инсультов. Гематокрит у них достигал 80 %. Даже в нынешние времена у некоторых коренных жителей Ла-Паса (3500 м над уровнем моря) встречается цианоз (посинение губ и ногтей), а также утолщение концевых фаланг пальцев, характерное для болезни Монхе. Происходит это из-за застоя эритроцитов в капиллярах, которое приводит к замедлению скорости тока крови, а значит, и поставки кислорода к тканям. Облегчает состояние спуск с высокогорья, поэтому страдающие болезнью Монхе обречены всю жизнь существовать исключительно на уровне моря. Почему их организм вдруг теряет способность адаптироваться к высоте и почему такая болезнь чаще возникает у мужчин, чем у женщин, остается загадкой.

Самые важные факторы адаптации к большим высотам – это разительное увеличение частоты и глубины дыхания, почечная регуляция кислотности крови и снижение чувствительности к воздействию углекислого газа. Эти адаптивные механизмы обеспечивают нам возможность не только выжить, но и активно двигаться на вершине Эвереста без дополнительного кислородного оборудования.

Уроженцы равнин, перебирающиеся на высокогорье во взрослом возрасте, никогда не достигнут уровня акклиматизации тех, кто обитает там всю жизнь, даже если проживут в горах долгие годы. У коренных жителей высокогорья грудная клетка гораздо шире и бочкообразнее, соответственно больше и объем легких. Сами они при этом не особенно рослые, поэтому у них более высокие показатели отношения объема легких к размерам тела. Сердце у них тоже крупнее, чем у жителей равнин, и оно эффективнее перекачивает кровь; сеть капилляров в легких и тканях гуще, что облегчает процесс усвоения и доставки кислорода. Этими анатомическими особенностями объясняется, почему работоспособность у горцев выше, чем у низинных жителей, даже хорошо акклиматизированных. Здоровые молодые европейцы, отправляющиеся в пешие походы по Гималаям, приходят в невероятное изумление (и смущение), видя, как пожилые носильщики или молодые девушки-шерпы без особых усилий справляются с поклажей, которую они, европейцы, и поднять-то не могут, не говоря уж о том, чтобы нести на протяжении многих миль.

Эти адаптационные особенности у горцев частично врожденные, частично приобретенные, поскольку у детей низинных жителей, родившихся и выросших на высокогорье, объем легких тоже увеличивается, однако грудная клетка, как у некоторых коренных народов Анд, бочкообразной не становится.

Уроки больших высот

История высотной физиологии полна недооценки человеческих способностей. Физиологи неоднократно заявляли, что человек не способен подняться выше определенной отметки, но альпинисты постоянно эти заявления опровергали. Этот парадокс служит отличной иллюстрацией того, как в принципе развивается наука.

Началось с того, что ученые неверно определили атмосферное давление на высоте Эвереста. Первые исследователи доказали, что оно возрастает с повышением температуры (поскольку давление газа зависит от скорости, с которой молекулы бомбардируют окружающие объекты). С осовением авиации возникла необходимость выработать стандартный метод калибровки альтиметров, и для удобства в нем была принята стандартная температура на уровне моря и стандартная скорость ее падения с увеличением высоты. Таким образом, сезонные колебания температур в расчет не принимались, равно как и изменения плотности атмосферы по долготе (на экваторе плотность выше, на полюсах – ниже){9}. Поскольку в результате проведенных по этому стандартному методу расчетов давление на вершине Эвереста получалось ниже (236 торр), чем на самом деле, некоторые ученые пришли к выводу, что без дополнительного кислорода на вершине человек выжить не сможет. Самые проницательные догадывались, что атмосферное давление посчитано неправильно, однако все равно не представляли, каким оно должно быть на самом деле. И только в 1981 г., когда состоялась Американская медицинская исследовательская экспедиция на Эверест, доктор Крис Пиццо измерил атмосферное давление на вершине, и оно составило 253 торра. История эта показывает, как важно с предельной точностью выверять каждую переменную при расчетах и как опасно основываться на расчетных данных, а не на измерениях. Надо, впрочем, отметить, что, будь Эверест расположен на каком-нибудь из полюсов, атмосферное давление там действительно оказалось бы слишком низким и человек не смог бы выжить на вершине без дополнительного кислорода.

Другая ошибка вкралась в расчеты содержания кислорода в легких на вершине Эвереста. Одной из первых попытку комплексного изучения долговременной адаптации к высоте предприняла в 1911 г. Мейбл Пьюрфой Фицджеральд во время экспедиции Оксфордского университета на пик Пайка в Колорадо, под руководством знаменитого физиолога Джона Скотта Холдейна. Фицджеральд изучала физиологию в Оксфорде. В то время женщинам уже разрешали сдавать экзамены (недавняя уступка), но их фамилии в списки групп не вносились и диплом им не вручали. Мейбл, однако, удалось закончить курс с отличием. Она осталась работать в Оксфорде, на факультете физиологии, и провела ряд исследований в области дыхания. В 1911 г. вместе с Холдейном, Гордоном Дугласом (еще одним знаменитым физиологом) и другими исследователями Мейбл отправилась на пик Пайка – одну из самых высоких вершин в Соединенных Штатах (4302 м). Целью экспедиции было изучить влияние высокогорных условий на организм человека (т. е. организм участников). Экспедиция не была спортивной – фуникулер на паровой тяге доставил ученых прямо на вершину, увенчанную небольшой избушкой, известной как «Вершинный дом». Там мужчины расположились с относительным комфортом, однако Мейбл пришлось размещаться отдельно – возможно, из-за трудностей с организацией ночлега. Поэтому ее отправили на муле на нижний уступ, чтобы она изучала там содержание гемоглобина в крови и углекислого газа в выдыхаемом воздухе у местных горняков.

Усилия ее увенчались успехом. Фицджеральд подтвердила более ранние наблюдения, что содержание гемоглобина в крови, а значит и количество эритроцитов, у акклиматизировавшегося человека повышается. Кроме того, ее данные демонстрировали на удивление прямую зависимость между высотой и парциальным давлением углекислого газа в воздухе, выдыхаемом из альвеол. Экстраполировав эту зависимость на высоту 8848 м (высоту Эвереста), вычислили, что парциальное давление альвеолярного углекислого газа должно составлять около 15 торр{10}. При таком уровне углекислого газа парциальное давление кислорода в легких составляет около 20 торр, далеко за пределами выживания для человека. Поэтому долгие годы на этих вычислениях основывалась ошибочная уверенность, что без дополнительного кислорода достичь вершины Эвереста не удастся. Теперь, оглядываясь назад, нетрудно понять, откуда взялась эта ошибка. Дело в том, что выше 5500 м зависимость между высотой и парциальным давлением углекислого газа в альвеолах уже не линейная, поскольку там начинается значительное учащение дыхания. Соответственно, парциальное давление кислорода в альвеолах на вершине Эвереста гораздо выше, чем предполагалось (35 торр, а не 20), и при нем вполне можно существовать, как продемонстрировали многочисленные альпинисты. Этот пример показывает, как рискованно экстраполировать выводы за пределы исследованной области (результаты исследований Мейбл ограничивались отметкой 4270 м), поскольку нет гарантии, что отмеченные закономерности сохранятся.

Где-то в 1920 г. Мейбл исчезла с научного горизонта. Много лет спустя выяснилось, что она живет в Оксфорде, недалеко от факультета физиологии, а в 1972 г., на столетний юбилей, Оксфорд наконец вручил ей заслуженный диплом.{11}

Взгляд свысока

Пониженное содержание кислорода – это основной неблагоприятный фактор для человека, забравшегося на вершину горы, однако помимо него имеются и другие – холод, обезвоживание, солнечные ожоги. Солнечное излучение на большой высоте необычайно интенсивно, поскольку, во-первых, легче проникает через разреженный воздух, а во-вторых, солнечные лучи отражаются от снега и льда, так что можно сильно обгореть. На высоте также уменьшается влажность, поскольку с понижением температуры и атмосферного давления снижается содержание водяного пара в воздухе. Обезвоживание, усугубленное учащенным дыханием, представляет серьезную опасность, поэтому на высоте важно много пить, чтобы возмещать влагу, испаряющуюся из легких в процессе дыхания. Обеспечить это нелегко, поскольку придется тащить на себе либо воду, либо горючее, чтобы растапливать снег. Однако самую главную опасность представляет холод. Температура понижается примерно на 1° С через каждые 100 м подъема, поскольку с расширением воздух теряет тепловую энергию. К температурному спаду добавляются резкие ветры, повышающие «ветро-холодовый индекс». Некоторые альпинисты лишались из-за обморожения фаланг пальцев рук и ног. Например, во время экспедиции 1988 г. на печально знаменитую стену Каншунг Эвереста Стив Венаблз потерял три с половиной пальца на ногах, а Эду Вебстеру пришлось ампутировать три пальца ног и крайние фаланги восьми пальцев рук. Остальные участники экспедиции погибли. Почему так случилось и как справляется организм с предельно низкими температурами, рассказывается в главе 4.

В омут с головой

Когда я прибыла в Пуэрто-Рико, у меня был нулевой опыт подводного плавания, что уж говорить о погружении на морское дно. Уезжала я другим человеком. Плавание с аквалангом среди коралловых рифов приворожило меня на всю жизнь.

Приехала я тогда в исследовательский институт в Сан-Хуане, столице Пуэрто-Рико. В этом институте, разместившемся в старинном каменном форте, который лепится к городской стене на высоком приморском утесе, изучается работа нервных клеток, возможные связи между нервной и иммунной системой, а также множество редких и прекрасных созданий, обитающих на острове и в окружающих морских водах. Кроме научных лабораторий у института имеется общежитие для гостей издалека, вроде меня. И хотя большую часть времени я проводила в здании института, два раза мне удалось побывать на коралловых рифах, обрамляющих остров.

В первую поездку, экипировав меня аквалангом, друзья пошлепали со мной по мелководью, окаймляющему коралловый атолл, пока я привыкала к аппарату. Заглядевшись на рыбешек, снующих над песчаным дном, я опомнилась, только когда начала задыхаться, а мой товарищ, вместо того чтобы помочь, наоборот, пытался заставить меня окунуться с головой. Я запротестовала – в баллоне кончился газ. «Ничего страшного, – ответил мой товарищ. – Поплаваем с трубкой».

Так я попала в подводный рай.

Поводя головой туда-сюда в такт движениям плавного подводного балета, я видела, как струятся по течению мои волосы. Вокруг роились мириады рыбок, переливающихся, будто самоцветы, всеми цветами радуги. Маленькие и юркие, в сине-желтую полоску, такие плоские, что анфас становятся совершенно невидимыми. Еще какие-то, синхронно, всем косяком, петляющие между расщелинами рифа. Рыбы в черных и фиолетовых пятнах; с глазами на хвостовом плавнике, с реющим, будто вуаль, спинным плавником; разодетые в серебряное с голубым или закутанные в аляповатые лоскутные одеяла. Вот проплыла вальяжно стая больших угрюмых серо-коричневых груперов. Коралловая рыбка с розовыми и оливковыми пятнами ринулась в укрытие. Я держала в руке маленький пакетик с крошками сыра, стоило слегка его приоткрыть, и на запах тут же слетались голодные попрошайки. Кто бы мог подумать, что рыб интересует сыр… Что-то коснулось моей ноги, и, опустив взгляд, я увидела небольшую рыбку с надутыми, будто силиконовыми, губами, покусывающую мою лодыжку. Очарованная этим невероятным подводным царством, я постоянно забывала, что надо время от времени всплывать на поверхность, чтобы глотнуть воздуха.

Через три дня рассвет выдался серым и облачным – по-моему, не самая благоприятная обстановка для первого урока погружения с аквалангом. По дороге мои спутники в двадцать пятый раз повторяли инструкции: «Держись поближе к нам… Чуть что, сразу всплывай… На подъеме обязательно выдыхай, не забудь… Не переохлаждайся…» Я прилежно мотала на ус. В доке начал моросить дождь. Прыгая по волнам, мы направили катер к рифу и зачалились с подветренной стороны небольшого лесистого островка. Катер покачивался на волнах, над головой собирались грозовые тучи. Я перегнулась через борт, пытаясь разглядеть риф, но вода была мутной после вчерашнего шторма, поднявшего тучи песка со дна. Я осторожно погрузилась в песочную взвесь, перевалила за спину тяжелый газовый баллон и застегнула грузовой пояс. Думала, что погружусь сразу, но оказалась на удивление плавучей.

– Ничего страшного, – сказали мне. – Хватайся за якорную цепь и по ней перемещайся ко дну, мы пойдем сразу за тобой.

Я послушно последовала совету, но как ни старалась, перебирая руками, двигаться вдоль цепи, меня упорно выталкивало на поверхность, будто поплавок. И воздух из баллонов почему-то никак не поступал.

– Что такое? Боишься? – спросил один из товарищей, заметив мои кульбиты.

– Да, – ответила я тихо и осознала, что на самом деле я просто в ужасе. Многочисленные напоминания обязательно выдыхать во время срочного всплытия, чтобы легкие не разорвались, не прошли даром.

– Ладно, – сказал он. – Давай в лодку. Страх под водой ни к чему.

– Но…

– Нет уж, прости. Давай в лодку.

Я обреченно перевалилась через борт и проехалась на брюхе, как выброшенный на берег тюлень. Остальные, покивав друг другу, по очереди кувырнулись спиной в воду и, небрежно махнув рукой, исчезли в глубине. Я, в слезах, уселась в рубке. Дождь с шипением хлестал по волнам. Я чувствовала себя лишней – причем по собственной вине, ведь мне предоставили возможность, а я струсила и не смогла ею воспользоваться.

Из состояния уныния меня вывел оклик. Черная мокрая фигура высунулась из воды и, вынув загубник, спросила:

– Ну что, попробуешь еще? У меня осталось воздуха на час. Сплаваем к рифу?

В этот раз дело пошло на лад. Я легко погрузилась и не испытывала трудностей с дыханием. Теперь-то я понимаю, что в прошлый раз, наполнив легкие воздухом, я от страха забыла выдохнуть, отсюда и плавучесть, и невозможность вдохнуть из баллона – не потому что в нем кончился воздух, а потому что в легких не было места.

Я нырнула, и перед моими глазами раскинулся риф. Для человека с зоологической подготовкой вроде меня это неизгладимое впечатление. За любым, даже самым крохотным пятачком рифа можно было бы наблюдать часами (и воздуха в моем акваланге вполне хватило бы). Вот многощетинковые черви-полихеты, неустанно сжимаясь и распрямляясь, раскрывают перистые, похожие на цветы, жабры, чтобы, прогоняя через них воду, отлавливать свою пищу – мельчайшие микроорганизмы. Между ними сидит, почти неразличимый, крохотный краб, и только блестящие глаза выдают его. Вот актинии лениво шевелят струящимися по течению щупальцами, готовыми мгновенно сомкнуться вокруг коснувшейся их жертвы. Вот рыбы-попугаи, сверкающие оранжево-белой чешуей под защитным слизистым коконом. И конечно, сам риф – мириады полипов, похожих на цветы, но на самом деле принадлежащих к животному миру, связанных между собой протоплазменными шоссе, протянутыми в толще защитного панциря, образуемого колонией. В клетках коралловых полипов содержится одноклеточная сине-зеленая фотосинтетическая водоросль, которая поглощает из атмосферы углекислый газ и тем самым обеспечивает питательные вещества своему хозяину, обрекая его при этом на обитание в верхнем слое морских вод. Этот пожизненный симбиоз растения и животного играет важную роль в углеродном круговороте нашей планеты, поскольку коралловые полипы усваивают углекислый газ, превращая его в карбонат кальция – известняк, из которого и формируется риф.

А вот колонии оболочников, раскрашенных в желто-лиловый. В молодости они вполне подвижны и обладают развитой нервной системой, но в середине жизненного пути перестают двигаться, прикрепляются к камню и больше с него не сходят. Нервная система у них за ненадобностью атрофируется. Вот оно, наглядное предостережение для всех, кто ведет сидячий образ жизни…

2. Жизнь под гнетом

Отправляющиеся на кораблях в море, производящие дела на больших водах, видят дела Господа и чудеса Его в пучине.

Псалом 106

Из космоса Земля выглядит переливающимся бирюзовым шаром, висящим посреди кромешной темноты. Видя ее такой, мы как нельзя лучше понимаем, что наш мир – это мир воды. Обитаемая суша составляет очень незначительную часть, едва ли четверть поверхности планеты, и в основном сосредоточена с одной стороны. Так что даже человеку, никогда не бывавшему на взморье, не уйти из-под власти океанов, ведь именно там формируется погода и рождаются бури. Океанские течения (особенно знаменитое Эль-Ниньо) влияют на весь мир, неся в одни области засуху и голод, а в другие – затяжные ливни. Моей родной Англии мягкий климат и долгие месяцы теплой погоды обеспечивает Гольфстрим, несущий тепло ее берегам. Однако, несмотря на огромные размеры (260 млн кв. км) и несомненную важность в нашей жизни, океаны по-прежнему остаются малоизученными. Мы плещемся на мелководье континентального шельфа и даже сегодня, ступив на поверхность Луны, не можем полноценно исследовать океанские глубины.

Самое глубокое место на Земле – Марианская впадина в Тихом океане, глубина которой составляет 11 034 м. Эверест скроется в ней по самую макушку, и еще останется 2000 м. Для человека она практически недосягаема. Даже средние морские глубины, около 4000 м, недоступны для нас без подводных аппаратов. И тем не менее глубина не перестает нас манить – возможно, именно своей недоступностью. В культуре любого народа живут предания о мифических подводных чудовищах. Глубоко под водой находится дворец Посейдона и русалочье царство, там дремлет Кракен{12}, там, спасаясь от господнего гнева, нашел убежище Левифан (чудовищный морской змей из финикийской мифологии). Однако действительность, как это часто бывает, причудливее любого вымысла. В 1938 г. изумленному научному сообществу был представлен живой целакант, прежде считавшийся вымершим. Где-то в океанских водах обитает гигантский кальмар, щупальцы которого достигают 18 м, – живьем его никто не видел, но мертвые туши время от времени попадаются в сетях, а клювы не раз обнаруживались в желудках китов. Но самые удивительные из этих созданий – бактерии, описанные в главе 7, живущие у «черных курильщиков» на срединно-океанических хребтах при температуре свыше 100° C и давлении свыше 1000 атмосфер.

И хотя люди постоянно под водой не живут, некоторые, например водолазы на нефтяных платформах в Северном море, могут проводить на глубине значительную часть жизни. Тысячи людей занимаются в свободное время подводным плаванием – с аквалангом, с трубкой и без всякого снаряжения. С какими проблемами им приходится сталкиваться и где предел физически доступной человеку глубины? В этой главе мы расскажем о том, как с развитием возможностей погружения под воду углублялись наши знания о физиологии человека, а также в очередной раз зададимся вопросом, почему некоторые представители животного мира и в подводном плавании преуспели гораздо больше нас.

Физика давления

Помимо нехватки воздуха основная трудность, которую приходится преодолевать ныряльщику, – это увеличение давления. Чем глубже человек погружается, тем выше давление, поскольку возрастает вес давящего сверху водяного столба. При одной и той же высоте столба вода примерно в 775 раз тяжелее воздуха, поэтому разница в давлении воды заметно ощутимее, чем в давлении воздуха: если атмосферное давление на вершине Эвереста (8848 м) уменьшается по сравнению с уровнем моря на две трети, то при погружении на ту же глубину (8848 м) оно в 885 раз возрастет. Давление на дне жидкостного столба определяется высотой столба, плотностью жидкости и силой тяжести. В морской воде давление возрастает примерно на одну атмосферу через каждые 10 м спуска. Ныряльщики обычно измеряют его в единицах атмосферного давления – барах. Так, на глубине 30 м давление составляет 4 бара, складываясь из давления на поверхности (1 бар) и подводного давления (3 бара).

Объем газа изменяется в зависимости от давления. Роберт Бойль (1627–1691) описал этот феномен в своем знаменитом законе, который он сформулировал в оксфордской лаборатории, расположенной неподалеку от той, где работаю я. Он доказал, что (при заданной температуре) произведение давления и объема всегда постоянно, то есть объем, помноженный на давление, дает константу. Таким образом, на глубине 30 м, где давление в четыре раза превышает атмосферное, объем газа сократится до четверти объема на поверхности. Как мы увидим позже, подобное сокращение объема газа на глубине и расширение при подъеме на поверхность, где давление вновь снижается, имеет огромное значение для ныряльщиков.

Первые ныряльщики

Нырять под воду за пропитанием, в поисках спасения или в военных целях люди начали еще в древности. Одно из первых погружений описано в «Илиаде», где греческий воин Патрокл в саркастическом ключе сравнивает возничего колесницы Гектора, который от удара камнем кубарем катится на землю, с ныряльщиком за моллюсками. Другие древнегреческие источники упоминают ныряльщиков за губками, которые пользовались для ускорения спуска и подъема свинцовыми грузами и веревками. Украшения с перламутром свидетельствуют, что в Месопотамии еще в 4500 г. до н. э. добывали со дна перламутровые раковины, а в Японии и Корее профессия ныряльщиц за жемчугом, морскими водорослями и раковинами существует уже около 2000 лет, судя по упоминанию в хронике «Гиси-Вадзин-Ден», написанной, предположительно, около 250 г. до н. э. Кроме того, известно, что греки обучали ныряльщиков для военно-морских действий еще в 400–333 гг. до н. э. Самым знаменитым из них был Сциллий, который, согласно Геродоту, служил персам, поднимая сокровища с затонувших кораблей, но затем переметнулся к грекам и помог им в сражении с персидским флотом, снабдив необходимыми сведениями о противнике и перерезав под водой якорные канаты вражеских кораблей.

Водолазный колокол и герметичный водолазный сосуд – тоже достаточно древние изобретения. Примитивные водолазные колокола были изобретены в XVI в., но лишь после появления ручного насоса, сконструированного Германом Отто фон Герике в 1654 г., стало возможно пополнять запасы воздуха внутри колокола и использовать колокол в практике. Принцип действия такого колокола легко проиллюстрировать на примере пустой стеклянной банки. Переверните ее и погрузите в емкость с водой – вы увидите, что находящийся внутри воздух не дает проникнуть воде внутрь. Однако тут есть подвох. Во-первых, если равновесие банки нарушить, воздух выйдет из-под края, и на его место просочится вода (попробуйте наклонить банку). И во-вторых, объем воздуха под колоколом будет, согласно закону Бойля, сокращаться с увеличением давления: на глубине 10 м от изначального объема останется лишь половина. Поэтому в колокол необходимо подкачивать дополнительный воздух с поверхности.

Водолазные костюмы разрабатывались для морских поисковых работ. В числе первопроходцев было два брата, Джон и Чарльз Дины, организовавшие примерно в 1832 г. собственное «подводное инженерное» дело в районе английского Портсмута. Получилось это очень неожиданно. Спасая лошадей из горящей конюшни, они придумали использовать в качестве дыхательного аппарата шлем от рыцарских доспехов, куда через шланг подкачивался воздух с помощью ручного насоса. Случайное изобретение оказалось настолько эффективным, что было запатентовано для борьбы с пожарами. Вскоре братья поняли, что его можно использовать и для погружения под воду, и к 1828 г. создали усовершенствованный аппарат, состоящий из открытого тяжелого шлема, куда воздух закачивался через кожаный шланг насосом, стоящим на палубе судна. Шлем, при условии что водолаз держит голову прямо, действовал как переносной водолазный колокол, доступ воды в который снизу преграждался накачиваемым сверху воздухом.

Это приспособление с успехом использовалось в течение многих лет для погружений на глубину до 10 м сроком до 30 минут. Однако у него имелся серьезный недостаток: стоило водолазу споткнуться или упасть, в шлем просачивалась вода, и человек мог захлебнуться. Создание герметичного водолазного комплекта, где шлем накрепко соединялся с водонепроницаемым костюмом, решило эту проблему, одновременно создав другую. Теперь закачиваемый с поверхности воздух заполнял не только шлем, но и костюм. Если водолаз погружался слишком быстро или неожиданно, его помощник мог не успеть сравнять давление воздуха с давлением окружающей водолаза воды, и объем воздуха в костюме падал (напомним, что давление, помноженное на объем, есть константа). Голове водолаза в медном шлеме ничего не грозило, а вот костюм угрожающе сжимался, иногда сдавливая грудную клетку так сильно, что повреждались легкие. Водолаз чувствовал себя так, будто его целиком пытаются втиснуть в шлем. В самом худшем случае, если из-за сильного давления отказывал клапан между шлангом и костюмом, «всю кровь и плоть засасывало в шланг, а в костюме оставались лишь кости и ошметки».

Количество воздуха в костюме влияло на плавучесть водолаза и могло плавно регулироваться в меньшую (чтобы облегчить спуск) или большую (чтобы облегчить подъем) сторону. Регулировалось оно самим водолазом, который подкручивал специальный односторонний клапан на боку шлема, определяя, с какой скоростью будет выпускаться воздух, накачиваемый в постоянном ритме через шланг. Опасен был не только недостаток воздуха в костюме, приводящий к «сдавливанию», но и избыток. Если штанины костюма раздувались, что нередко происходило, когда водолаз ползал по дну, его тут же переворачивало вниз головой. Тогда избыток воздуха оказывалось трудно стравить, и водолаз беспомощно всплывал на поверхность. Опытные водолазы и их помощники умели справляться с этими неприятностями и избегать их. К тому же водолазов все чаще задействовали не только для военных и поисковых нужд, но и на строительстве.

Изобретение паровоза в середине XIX в. ознаменовало начало великой железнодорожной эпохи. Железнодорожные пути, протянувшиеся через всю страну из конца в конец, кардинально изменили пейзаж; существующие города разрослись до немыслимых прежде размеров, возникали и строились новые. Пассажиров и грузы стало вдруг возможно перевозить гораздо быстрее и в больших количествах. Для людей того времени это внезапное увеличение скорости сообщения было чем-то сродни росту популярности Интернета в наши дни. Бум, начавшийся в Британии, распространился затем на всю Северную Европу, и к 1850 г. разветвленная железнодорожная сеть уже связала между собой крупные города Франции, Германии, Бельгии и Британии. Целеустремленные инженеры прокладывали тоннели в горах и под речными руслами, перекидывали мосты через реки и устья. И вот тогда-то, при строительстве мостов и тоннелей, рабочие столкнулись с болезнью, которую прозвали «водолазной» или «кессонной».

Кессоны, изобретенные примерно в 1840 г. французским инженером Триже, использовались для строительства фундаментов под опоры мостов. Кессон представляет собой открытую снизу стальную трубу с двойной водонепроницаемой обшивкой, и в конечном итоге эта труба становится частью мостовой опоры. Через внутреннюю часть трубы осуществляется доступ рабочих и вывоз грунта, она заполняется сжатым воздухом, чтобы препятствовать проникновению воды, а в пространство между внутренней и внешней стенками постепенно, по мере того, как кессон уходит в речное дно, заливается сверху цемент. Для более простых работ в речных руслах и гаванях по-прежнему использовались водолазные колокола. Их опускали на дно вместе с сидящими внутри рабочими, и сжатый воздух обеспечивал возможность трудиться в сухости. Если необходимо было свободно перемещаться под водой, задействовали автономных водолазов. Кроме того, сжатый воздух закачивали в тоннели во время строительства, чтобы вода не просачивалась внутрь сквозь пористую породу. Таким образом, очень многие из работающих на строительстве мостов и тоннелей трудились при сжатом воздухе, иногда по восемь часов в день.

Практически с самого начала у тоннельных и кессонных рабочих после возвращения в условия обычного атмосферного давления стали появляться недомогания. Чаще всего рабочие жаловались на кожный зуд. Реже появлялись сильные боли в суставах и мышцах, не дающие распрямиться (поэтому рабочие прозвали эту болезнь «корчами»). Боли эти никогда не возникали при работе под давлением, только при возвращении в нормальные условия (французские врачи Поль и Вателль в первом описании кессонной болезни назвали это явление on ne paie qu'en sortant – расплата на выходе). Риск и симптомы усиливались с увеличением давления и времени пребывания, поэтому водолазы, неизбежно подвергавшиеся воздействию высокого давления, страдали чаще, чем кессонные рабочие. В наиболее серьезных случаях при подъеме на поверхность человек испытывал головокружение, затем наступал паралич, потеря сознания и смерть – и все это в считаные минуты.

Пузырьки в крови

Причину кессонной болезни выявил в 1878 г. французский ученый Поль Бер. Он доказал, что «корчи» наступают, когда водолаз или кессонный рабочий, дышащий сжатым воздухом, слишком быстро поднимается на поверхность, и тогда газы, растворенные в крови и тканях, высвобождаются в форме пузырьков, перекрывая кровеносные сосуды. Вдыхаемый под давлением газ растворяется в жидкостях организма в большем объеме: например, на каждые 10 м спуска поглощается дополнительный литр азота (как мы увидим ниже, процесс этот не быстрый). Пока газ присутствует в жидкостях и тканях в растворенном состоянии, избыток его не создает проблем. Трудность возникает из-за недостаточной скорости вывода растворенного газа во время декомпрессии. Если ныряльщик поднимается на поверхность медленно, избыток газа, растворенный в крови, выбрасывается легкими при выдохе и не представляет опасности, но если подъем происходит быстро, легкие просто не успевают вывести газ наружу, поэтому ткани и кровь оказываются перенасыщенными и в какой-то момент газ вырывается из раствора в виде пузырьков{13}. Этот феномен знаком любому, кто открывал бутылку газированной воды (или шампанского): как только исчезает давление, цепочки пузырьков устремляются наружу. Если крышку сорвать резко (быстрая декомпрессия), эффект будет более впечатляющим, чем при плавном откручивании крышки и медленном выпуске газа. Однако если в газированной воде и шампанском растворен углекислый газ, то у ныряльщиков, дышащих сжатым воздухом, пузырьки в крови образует прежде всего азот, поскольку содержание углекислого газа крайне мало, а кислород быстро потребляется тканями.

Почему кашалоты не страдают кессонной болезнью

Многие морские млекопитающие способны погружаться на недоступную человеку глубину. Мертвого кашалота однажды обнаружили на глубине 1134 м, где он зацепился нижней челюстью за трансатлантический кабель. Морские слоны – еще более искусные ныряльщики, рекордная достигнутая ими отметка – 1570 м, на этой глубине давление в 150 раз превышает давление на поверхности. Это далеко за пределами человеческих возможностей. Кроме того, морские слоны могут нырять многократно, не испытывая при этом никаких пагубных последствий. На самом деле морского слона правильнее было бы назвать «всплывальщиком», а не ныряльщиком, поскольку 90 % времени он проводит под водой. Один из слонов за 40 дней наблюдения провел на поверхности не более шести минут. Как же удается кашалотам и морским слонам избежать кессонной болезни?

Все дело в том, что морские млекопитающие выработали способ сокращать количество азота, растворенного в тканях организма. В отличие от человека, морские слоны и кашалоты выдыхают перед погружением. Таким образом они ограничивают запас воздуха, который берут с собой, поэтому где-то на глубине 50 м альвеолы уже полностью сжимаются и никакие дополнительные газы в кровоток не проникают. Давление на глубине заставляет полностью сжаться и сами легкие кашалота, вытесняя весь воздух в верхние дыхательные пути, укрепленные круглыми хрящевыми дисками и менее поддающиеся сжатию. Приток крови к легким тоже значительно сокращается. Таким образом, во время погружения газ практически не поступает из легких в кровь, а остаточное количество азота растворяется в жидкостях организма, поэтому при всплытии образование пузырьков в крови млекопитающему не грозит.

Образование пузырьков в крови чревато серьезными последствиями. Сформировавшись, они продолжают расти за счет новых порций газа. В итоге они разрастаются до таких размеров, что закупоривают тончайшие кровеносные сосуды и препятствуют поступлению крови к тканям, вызывая нехватку кислорода и питательных веществ. В результате клетки умирают. Кроме того, воздушные пузырьки могут активизировать работу клеток крови, реагирующих на приток воздуха, например, тромбоцитов, которые участвуют в образовании тромбов. И наконец, образование пузырьков внутри тканей может привести к деформации или разрыву клеток ткани и нарушить их функции.

У ныряльщиков сложилась богатая терминология, описывающая симптомы появления пузырьков в разных тканях. «Удушье» – перебои с дыханием, когда крупные пузыри застревают в капиллярах легких, сокращая необходимую для газообмена поверхность и вызывая ощущения, сходные с асфиксией. «Шатание» возникает из-за пузырьков в вестибулярном аппарате, отвечающем за равновесие. Пузырьки в коленных и плечевых суставах (наиболее уязвимых для кессонной болезни местах) приводят к «корчам». Находясь в спинном мозге, они приводят либо к затеканию конечностей, либо к параличу, а в самых серьезных случаях могут спровоцировать дистрофию нервных волокон. Появление их в головном мозге ведет к расстройствам речи и зрения, иногда неустранимым.

Известна одна курьезная история (возможно, вымышленная) о том, как при рытье одного из первых тоннелей под Темзой руководство решило отметить проход до серединной отметки званым обедом непосредственно в тоннеле. Поскольку строительство еще не было завершено, в тоннель подавался сжатый воздух, и обедать приглашенным пришлось «под давлением». К их большому разочарованию, шампанское при открытии не выстрелило и не «играло», поскольку давление в бутылке оказалось таким же, как в тоннеле. И все же шампанское выпили. «Заиграло» выпитое шампанское уже потом, когда руководители с гостями вышли на поверхность…

Подниматься нужно медленно

Вскоре кессонные рабочие сами обнаружили, что повышенное, по сравнению с их рабочими условиями, атмосферное давление снимает неприятные симптомы. Это натолкнуло сэра Эрнеста Мойра на идею рекомпрессионной камеры для лечения кессонной болезни. Впервые подобную камеру применили около 1890 г. на строительстве Блэкуоллского тоннеля под Темзой и Ист-Риверского тоннеля в Нью-Йорке, где она отлично себя зарекомендовала. Однако пострадавшему рабочему приходилось провести в камере не один час, чтобы вылечиться. Ясно было, что усилия надо направить, в первую очередь, на профилактику и предотвращение болезни. Благодаря трудам Поля Бера решение оказалось очевидным: водолаз или кессонный рабочий должен подниматься (или проходить декомпрессию) достаточно медленно, чтобы легкие успели вывести растворенный в крови газ. Оставалось самое сложное – определить безопасную скорость подъема. К 1906 г. проблема приобрела такую остроту, что руководство Британского флота обратилось за помощью к профессору Джону Скотту Холдейну из Оксфордского университета, физиологу, уже известному своими исследованиями в области дыхания (см. гл. 1).

Совместно с лейтенантом Г. Дамантом и профессором А. Бойкоттом Холдейн провел в лондонском Институте Листера ряд экспериментов с большой стальной камерой, в которой можно было легко регулировать давление. В ходе экспериментов над козами выяснилось, что при резкой декомпрессии с 6 до примерно 2,6 атмосферы с животным ничего страшного не происходит. Однако если давление уменьшали на такую же величину, но с 4,4 до 1 атмосферы (т. е. до уровня моря), дело принимало иной оборот. Лишь 20 % животных удавалось в таком случае избежать кессонной болезни, принимавшей иногда самые тяжелые формы, вплоть до летального исхода. После ряда проб и ошибок исследователи убедились, что можно быстро сократить абсолютную разницу в давлении до половины, но потом нужно уменьшать перепад как можно медленнее. Таким образом была выявлена максимальная глубина погружения, не требующая декомпрессии, – 10 м (давление в 2 атмосферы). Как издавна принято у физиологов, исследователи затем провели испытание и на самих себе, к счастью, без последствий. Последние стадии эксперимента велись в море у острова Бьют, у западных берегов Шотландии, с корабля ВМФ «Спэнкер». Холдейн взял к морю всю семью и позволил своему 13-летнему сыну Джеку, который впоследствии тоже загорелся изучением дыхательных процессов, погрузиться на глубину 12 м{14}.

Холдейн сознавал, что скорость растворения азота в разных тканях различна. Жировые клетки, например, обладают большей накопительной емкостью, тогда как в клетках мозга азота откладывается меньше (это, в свою очередь, означает, что женщинам и полным людям требуется больше времени на декомпрессию, чем среднестатистическому мужчине). Кроме того, скорость накопления азота зависит от скорости поступления крови к тканям, поэтому в тканях с более низким кровоснабжением азот накапливается медленнее. Таким образом, для полного насыщения организма азотом требуется более пяти часов. При декомпрессии растворенный в жидкостях и тканях азот должен выводиться с кровотоком. Безопасная скорость его удаления зависит от накопительной емкости и скорости кровоснабжения различных тканей, то есть, проще говоря, чем дольше газ накапливается, тем дольше он выводится. Отсюда следует, что оптимальный для ныряльщика расклад – быстрое погружение, ограниченное время на глубине, затем медленный, поэтапный подъем на поверхность.

Быстрое погружение, рекомендованное Холдейном и его коллегами, противоречило принятой практике, однако было вполне оправданно с точки зрения физиологии: чем меньше времени человек проведет на глубине, тем меньше газа успеет раствориться в тканях. Во время первого, быстрого этапа подъема ныряльщик должен преодолеть половину глубины – это, как показали эксперименты, совершенно безопасно. Затем подъем должен проходить плавно, с остановками на определенное время на определенной глубине, чтобы обеспечить постепенность декомпрессии. Смысл этой поэтапности в том, что газ всегда увеличивается в объеме одинаково, независимо от того, падает давление с восьми атмосфер до четырех или с двух до единицы (напомним, что произведение давления на объем – это постоянная величина, поэтому при уменьшении давления в два раза объем в два раза возрастет). Исследования предоставили водолазам преимущество быстрого и беспрепятственного подъема до половины глубины, позволив тем самым отводить больше времени на декомпрессию во время дальнейшего подъема. Как отмечал сам Холдейн, «по традиционной методике подъем проводится ‹…› неоправданно медленно на начальном этапе и опасно ускоряется под конец».

К 1908 г. Холдейн с коллегами предоставили военно-морскому флоту подробные декомпрессионные таблицы, расписывающие, сколько водолаз должен пробыть на определенной глубине во время поэтапного подъема в зависимости от глубины и продолжительности погружения. Благодаря этим таблицам количество случаев кессонной болезни резко снизилось, они наблюдались только тогда, когда водолаз по каким-то причинам пренебрегал рекомендациями и поднимался быстрее, чем предписывалось. Не все сразу осознали важность исследований Холдейна. Как он сам говорил десятью годами позже: «Очень жаль, что в некоторых странах не удается ввести поэтапную декомпрессию из-за косных правил, предусматривающих по старинке либо постепенный подъем, либо медленный в начале и ускоряющийся по мере приближения к поверхности и атмосферному давлению». К счастью, результаты его исследований говорили сами за себя, и теперь метод Холдейна применяется повсеместно. Тем не менее трагедии все-таки имеют место – как правило, в случае пренебрежения рекомендациями. В числе самых громких несчастных случаев – гибель Криса и Крисси Раусов, достаточно опытных ныряльщиков, погибших от кессонной болезни в 1992 г. во время обследования затонувшей немецкой подлодки.

Интересно сравнить, сколько времени уходило на декомпрессию у кессонных и тоннельных рабочих раньше и сколько времени отводит на декомпрессию Холдейн с коллегами. Кессонные рабочие, подвергавшиеся воздействию давления, в три раза превышающего атмосферное (т. е. 3 бара), поднимались на поверхность в течение десяти минут, а то и меньше. Холдейн же рекомендовал после трех часов работы отводить на декомпрессию не менее полутора часов. Неудивительно, что столько кессонных рабочих страдали от «корчей».

Кроме того, ныряльщикам не рекомендуется некоторое время после погружения подниматься в воздух, поскольку давление в самолете меньше, чем на уровне моря (см. гл. 1), и дальнейший его спад также может вызвать образование пузырьков в крови. После однократного погружения ныряльщик должен воздерживаться от полетов в течение 12 часов, а после многократных погружений или погружений, требующих поэтапной декомпрессии, – еще дольше. Любители морского отдыха, не знакомые с проблемами декомпрессии, могут заработать кессонную болезнь, если, поплавав утром с аквалангом, днем отправятся на самолете домой. Даже военные пилоты, летающие на негерметизированных истребителях, рискуют пасть жертвами кессонной болезни при слишком стремительном наборе высоты с уровня моря.

Подводное плавание и кессонная болезнь

Ныряльщики без специального оборудования, которые сразу погружаются на большую глубину, не страдают от кессонной болезни, поскольку на глубине задерживаются недолго и в жидкостях организма не успевает раствориться опасное для подъема количество азота. Совсем другое дело – многократные глубокие погружения, как выяснил на собственном опыте военный врач П. Паулеу, служивший в датских ВМС. В начале 1960-х он совершил в резервуаре для тренировок по эвакуации с подлодки (глубина – 20 м) около 60 двухминутных погружений с интервалами в одну-две минуты. Где-то через полчаса после финального погружения он ощутил резкую боль в левом бедре. Сперва он решил не обращать на нее внимания, но еще два часа спустя начались сильные боли в груди, туман в глазах, перебои с дыханием и отнялась правая рука. В состоянии болевого шока его обнаружил коллега, который тут же поместил его в компрессионную камеру, понизив в ней давление до шести атмосфер. Симптомы быстро прошли. Последующая декомпрессия заняла свыше 19 часов, но, к счастью, Паулеу выздоровел полностью и впоследствии описал все, что с ним произошло.

Ныряльщики за жемчугом на островах Туамоту в Тихом океане тоже нередко впадают в состояние, похожее на то, что перенес доктор Паулеу. На их языке оно называется «таравана» и переводится как «безумное падение», а симптомы варьируются от нарушений зрения до потери сознания. Иногда у ныряльщиков наступает паралич или даже смерть (ведь у них, в отличие от доктора Паулеу, нет декомпрессионной камеры). Как отметил один из гостей архипелага: «На берегу любого острова самая крупная группа построек, скорее всего, окажется кладбищем погибших ныряльщиков». Таравана – заболевание распространенное, и его очень боятся. Только за один день симптомы проявились у 47 ныряльщиков из 235, причем у некоторых в очень острой форме, поскольку шесть человек были парализованы и двое скончались. К счастью, до таких крайних проявлений доходит не каждый день, однако уровень заболеваемости все равно очень высок.

И хотя долгие годы этиология тараваны оставалась загадкой, работы Паулеу и его последователей позволяют предположить, что она является разновидностью декомпрессионной болезни. Ныряльщики с Туамоту не щадят себя, совершая двухминутные погружения на глубину до 40 м (давление – 5 бар). В час они совершают от 6 до 14 нырков с мизерным интервалом в 4–8 мин. За это время азот, растворяющийся в тканях во время погружения, не успевает вывестись из организма и накапливается с каждым новым нырком, поэтому вызывает декомпрессионную болезнь при подъеме (таравана никогда не наблюдалась на глубине, только на поверхности). Ее следует опасаться прежде всего тем, кто совершает многократные погружения через короткие промежутки времени. Надо отметить, что на соседнем острове Мангарева, где о тараване даже не слышали, традиция велит ныряльщику проводить на поверхности не меньше десяти минут между погружениями.

На входе в воду

Декомпрессионная болезнь – не единственная трудность, с которой сталкивается ныряльщик. Даже простое погружение тела в воду по шею уже вызывает физиологические изменения. Когда вы стоите на берегу моря, кровь под действием земного тяготения стремится к ногам. Если же вы погрузитесь в воду по шею, внешнее давление воды заставит около половины литра крови устремиться вверх, к грудной клетке, наполняя крупные вены и правое предсердие, а также повышая объем кровотока. Растягивание стенки предсердия служит сигналом для двух гормонов, влияющих на поглощение воды почками и производство мочи. Именно поэтому нам после погружения в воду нередко хочется в туалет.

Ама – японские ныряльщицы

Самые знаменитые в мире ныряльщицы – японские ама, собирающие с морского дна урожаи морепродуктов (моллюсков, морских слизней, осьминогов, морских звезд и водоросли). В Японии, в отличие от западной кухни, все это идет в пищу. Кроме того, ама собирают раковины-жемчужницы под названием «акойя-гаи», использующиеся для выращивания искусственного жемчуга. Профессия ныряльщиков ама существует более 2000 лет. Это традиционно женское занятие увековечено на гравюрах художников школы укиё-э, изображающих прекрасных обнаженных по пояс девушек, ныряющих за ценнейшими раковинами моллюсков аваби – «морского ушка». Гравюры, впрочем, несколько приукрашают действительность, поскольку ама трудятся до 50-летнего возраста. Да и работа у них не сахар. Вот как описывает ее Сэй-Сёнагон, придворная дама японской императрицы Садако: «Море страшит даже благополучных. Какой же ужас должны испытывать несчастные ныряльщицы, которым приходится погружаться в пучину ради куска хлеба. О том, что произойдет, если оборвется шнур, обвязывающий ныряльщицу за талию, лучше даже не думать. Пока женщины под водой, мужчины посиживают себе в своих лодках и распевают песни, чтобы не скучать, наблюдая за плавающим на поверхности багровым шнуром. Удивительное зрелище – полнейшее равнодушие мужчин к грозящей женщинам опасности. Перед подъемом на поверхность ныряльщица дергает за шнур, и мужчины со вполне понятной мне поспешностью вытягивают ее из воды. И вот ныряльщица уже цепляется за борт лодки, судорожно хватая ртом воздух. Даже сторонний наблюдатель не удержится от слез при виде этой картины, и вряд ли найдется человек, мечтающий о такой работе».

Девушки наблюдают за ныряльщицами на Эносиме. С триптиха, написанного великим художником укиё-э Утамаро около 1789 г.

Описание Сэй-Сёнагон актуально по сей день, хотя воды с тех пор утекло немало.

Когда-то в Японии насчитывались тысячи ама (перепись 1921 г., например, зафиксировала 13 000), но в последние годы их число резко пошло на убыль. К 1963 г. оно упало до 6000, а сейчас их едва ли больше тысячи. Большинство современных ама уже в возрасте, поскольку мало кого из молодежи привлекает такой изнурительный труд. Кроме того, многие виды моллюсков сейчас выращивают искусственно. Судя по всему, профессия ама скоро отомрет, сохранившись печальным эхом лишь в названиях деревень вроде Амамати.

Так сложилось, что среди ама существуют две разновидности – катидо и фунадо. Катидо – это молодые девушки, ученицы, ныряющие без помощников на глубину 5–7 м и проводящие на дне около 15 сек. Хотя катидо может сделать около 60 нырков в час, кессонная болезнь ей не грозит – благодаря небольшой глубине погружений. Самые опытные и умелые ныряльщицы – фунадо, которые погружаются на гораздо большую глубину – в среднем около 20 м. Как видно из описания Сэй-Сёнагон, у каждой фунадо имеется помощник в лодке. Проведя серию частых вдохов, чтобы заполнить легкие воздухом, фунадо ныряет вертикально на дно с тяжелым грузом в руках, крепко сжимая ноги для лучшей обтекаемости. На дне она выпускает груз и начинает собирать свою добычу в маленькую плетеную корзинку. Перед всплытием она дергает за шнур, прикрепленный к грузу, и помощник вытаскивает ныряльщицу за веревку, обвязанную вокруг талии. Каждое погружение длится около минуты, и половина этого времени проводится на глубине. Между нырками фунадо также около минуты отдыхает в воде, у борта лодки. За утро опытная ныряльщица совершает примерно 50 погружений, потом еще столько же днем, однако, как и катидо, после серии погружений ей необходим отдых.

Кессонная болезнь среди ама не распространена, однако от ушных заболеваний они страдают гораздо чаще представителей «сухопутных» профессий. Согласно исследованию 1965 г., 60 % фунадо в возрасте после пятидесяти теряют слух. Среди прочих частых недугов – звон в ушах и разрыв барабанной перепонки.

Физиологически женщины лучше подходят на роль ныряльщиц – они дольше могут задерживать дыхание, меньше мерзнут в воде, однако маловероятно, что только по этим причинам все ама исключительно женского пола.

Даже просто окунув лицо в воду, мы тем самым вызываем физиологическую реакцию организма – сердцебиение замедляется. Этот феномен известен как рефлекс ныряльщика, и хотя у человека не слишком развит, для морских млекопитающих, например тюленей, крайне важен, как мы увидим ниже. Вы можете убедиться в существовании этого рефлекса сами, погрузив лицо в тазик с холодной водой и попросив кого-нибудь из друзей подсчитать при этом ваш пульс и сравнить с обычным. Однако эксперимент этот работает не всегда, поскольку нервозность (или волнение) вызывают выброс адреналина, учащающего сердцебиение.

Когда мы выныриваем, тело лишается водной поддержки, и кровь снова перераспределяется от грудной клетки к ногам. Это необходимо учитывать. История знает немало случаев, когда у утопающих, спасенных с помощью вертолета, развивался коллапс после подъема из воды: на плаву человек держится вполне активно, а после подъема в вертолет у него вдруг случается остановка сердца. Физиология пришла на помощь и здесь, доказав, что при погружении в воду происходит отток крови от ног и они охлаждаются сильнее, чем верхняя часть тела. Еще недавно людей из воды спасали в вертикальном положении, продевая спасательный пояс под мышки. В результате при выдергивании из воды кровь моментально приливала к ногам, где она тут же охлаждалась и, возвращаясь к сердцу, вызывала его остановку. Избежать этого помогает подъем в горизонтальном положении, с помощью второго пояса, которым обхватываются ноги. В этом случае перераспределения крови не происходит. Важно также подержать человека в положении лежа, пока конечности не прогреются равномерно. После того как Британская служба спасения на водах приняла этот метод на вооружение, количество случаев остановки сердца после спасения из воды резко сократилось.

Разрывы органов

Человеческий организм состоит в основном из воды, которая не способна к сжатию. Поэтому давление в нашем теле равно давлению окружающей среды, и человек не сплющивается в лепешку на глубине. Совершенно иначе обстоит дело с газами, находящимися в полостях организма (в легких, ушах, различных пазухах), – под большим давлением они в силу своей сжимаемости уменьшаются в объеме. Сжатие воздуха в полостях тела проявляется множеством последствий, в основном крайне неприятных.

Объем воздуха в легких ныряльщика по мере погружения уменьшается под возрастающим давлением внешней среды. Существовала гипотеза, что именно давление ставит предел глубины, на которую может опуститься ныряльщик, поскольку на отметке около 100 м оно просто расплющит грудную клетку – как расплющиваются на большой глубине пустые (запаянные) консервные банки или подводные лодки. Альтернативная гипотеза утверждала, что ребра останутся неповрежденными, а вот легкие сожмутся, разрывая тонкую плевру, соединяющую их с грудной клеткой. Пренебрегая рекомендациями физиологов, многие ныряльщики погружались и глубже – и ничего подобного не испытали. Получается, что по крайней мере в этом отношении человек куда ближе к дельфинам и китам, чем считалось ранее.

История пестрит рассказами об узниках, которые сбегали из-под стражи по реке или озеру – скрывшись под водой и дыша через тростинку. Если подумать, им сильно повезло, что их не обнаружили, поскольку погружались они на очень незначительную глубину. Физически невозможно дышать атмосферным воздухом, опускаясь на глубину более метра. Большинству людей даже на глубине в полметра это дается с трудом. Происходит это потому, что давление воды на грудную клетку извне затрудняет вдох. Кроме того, воздух в дыхательной трубке тоже участвует в обмене, и хотя его количество можно сократить, уменьшив диаметр трубки, в этом случае возрастет сопротивление, как вы сами можете легко убедиться, подышав в бассейне через соломинку и через плавательную трубку. Такие трубки обычно не погружают в воду, они располагаются над поверхностью и нужны для того, чтобы человек мог плыть, опустив лицо в воду.

Отсюда следует, что на глубине более полуметра воздух к ныряльщику должен подаваться под давлением, идентичным давлению окружающей воды. Но даже в этом случае ныряльщику придется труднее, чем на суше, поскольку плотность газа (масса на единицу объема) также повышается с глубиной, затрудняя дыхательный процесс. Один из способов решения проблемы – заменить азот в дыхательной смеси менее плотным инертным газом, например, гелием.

Легкие – не единственная заполненная воздухом полость в организме. Очень многие при нырянии сталкиваются с таким явлением, как боль в ушах или «заложенные» уши. Происходит это потому, что воздух, содержащийся в среднем ухе, не сообщается с наружным воздухом. Сжимаясь при погружении, этот воздух давит на барабанную перепонку, и она выгибается. Чтобы предотвратить ее разрыв, давление во внутреннем ухе надо привести в соответствие с давлением во внешнем – другими словами, с давлением окружающей воды. Достигается это за счет поступления воздуха в евстахиеву трубу – канал, соединяющий среднее ухо с глоткой. В обычном состоянии евстахиева труба закрыта, и для ее открытия требуется некое специальное действие. Самый распространенный прием – зажать нос и попытаться выдохнуть через него, как при сморкании, или зевнуть. В среднее ухо проникает поток воздуха, и уши «раскупориваются». Однако при насморке и кашле сделать это сложнее, ведь евстахиева труба может быть забита. Именно поэтому не рекомендуется нырять при простуде, и именно поэтому некоторым неприятно летать на самолете, поскольку на пассажирских рейсах давление в салоне уменьшают до соответствующего высоте в 2000 м. Если сжатие произойдет слишком быстро и человек не успеет уравнять давление в среднем ухе с внешним, последствия могут быть печальными. Так, во время сеанса рекомпрессии для ныряльщика, страдавшего от острой кессонной болезни, давление в камере увеличили за три с половиной минуты до шести атмосфер, что привело к разрыву обеих барабанных перепонок у наблюдавшего за ним врача.

Крайне неприятным сюрпризом для ныряльщика может стать воздушный пузырек, застрявший в зубной пломбе или в кариозном зубе, поскольку при сжатии воздуха на глубине в пломбе или зубе может произойти имплозия (взрыв, направленный внутрь). На большой высоте есть вероятность прямо противоположного: при низком давлении зуб может разорвать. Во избежание подобного эксцесса Джуди Леден при подготовке к своему рекордному полету на дельтаплане заменила все пломбы.

Расширение газов при уменьшении давления тоже чревато неприятностями. У глубоководных рыб, извлекаемых на поверхность, выворачиваются внутренности из-за расширения газа, наполняющего плавательный пузырь. В результате внутренности выталкиваются изо рта рыбы. Неопытный аквалангист тоже может испытать затруднения при подъеме. На глубине 10 м давление в два раза выше, чем на поверхности, поэтому вдыхаемый на этой глубине воздух при подъеме на поверхность также расширится в два раза, а значит, подъем с полными легкими грозит их разрывом. При разрыве альвеол газ проникает в плевральную полость, окружающую легкие, или попадает в систему кровообращения, где, стремясь вверх, может закупорить кровеносные пути, ведущие к мозгу. В этом случае возможен летальный исход. Легкие могут вместить очень ограниченный объем расширившегося воздуха, поэтому разрыв может произойти даже при погружении на двухметровую глубину. Однако подобные «баротравмы» случаются редко, поскольку, если при подъеме аквалангист дышит в нормальном режиме, объем воздуха в легких постепенно уравновешивается. Но если вдруг понадобится резко всплыть, важно помнить о необходимости непрерывно выдыхать при подъеме.

Задержка дыхания

Погружение в воду и дыхание под водой – вот две основные трудности для ныряльщика. Текущий рекорд свободного (без специальных средств) погружения на задержке дыхания составляет 72 м (236 футов) – он был установлен в 1992 г. итальянцем Умберто Пелицари. Еще больших глубин удавалось достигать ныряльщикам «без ограничений», которые для погружения используют специальные грузы, а на поверхность поднимаются с помощью аппарата, накачиваемого сжатым воздухом. С этими приспособлениями Пелицари опустился в 1991 г. на 118 м, а затем его рекорд побил кубинец Франсиско Феррерас, достигший ошеломительной глубины в 133 м.

Человеческое тело обладает природной плавучестью, поскольку его плотность близка к плотности воды. Чтобы нырнуть, нужно либо приложить усилие, либо использовать груз. Между глубиной и плавучестью имеется прямая зависимость, обусловленная наличием в легких воздуха: чем глубже погружается задержавший дыхание ныряльщик, тем выше его плотность, поскольку воздух в легких сжимается и плавучесть падает. Чем глубже, тем он погружается быстрее. И наоборот, чем выше всплывает ныряльщик, тем больше расширяется воздух в легких, тело становится легче и легче идет подъем. Таким образом, главное – преодолеть первые метры, дальше становится проще, а на глубине около семи метров ныряльщика уже тянет на дно. По той же причине человеку тяжело всплывать с глубины, и большинство ныряльщиков – например, японские собиратели моллюсков – нуждаются в помощниках, которые вытягивают их на веревке.

Самое серьезное препятствие для ныряльщиков – это, разумеется, отсутствие воздуха. Большинство людей способны задержать дыхание лишь на одну-две минуты, хотя с помощью тренировок можно несколько увеличить этот срок. Мировой рекорд – 6 мин. 41 сек. – был установлен Алехандро Равело в 1993 г. в положении лежа на дне плавательного бассейна. Перед тем как нырнуть, идя на подобный рекорд, необходимо сделать серию частых выдохов. Как мы уже видели в главе 1, основным стимулом дыхания служит углекислый газ, поэтому частые выдохи, сбрасывающие излишки углекислого газа, увеличивают срок накопления того количества CO2, которое вызовет следующий вдох. Однако подобные частые выдохи перед погружением очень опасны, поскольку ныряльщик, не подозревая, что уровень кислорода в крови опустился ниже уровня, необходимого для нормальной мозговой деятельности, может просто потерять сознание и утонуть. Несчастные случаи во время таких экспериментов нередки и по сей день, особенно среди детей, соревнующихся, кто дольше сможет просидеть под водой.

Плавучесть

У животных имеется множество замечательных приспособлений, позволяющих им удерживать вертикальное положение в воде. Большинство, чтобы не тратить лишнюю энергию, решает задачу уравниванием плотности своего тела с плотностью воды. За это отвечает плавательный пузырь, серебристый заполненный воздухом мешочек, который мы находим обычно в брюхе выпотрошенной рыбы. Этот орган позволяет рыбе регулировать плавучесть в зависимости от глубины обитания. Нейтральная плавучесть весьма выгодна, поскольку в этом случае рыбе не нужно тратить энергию на поддержание горизонтального положения в воде, однако у нее есть свой недостаток. Заплывая ниже своей обычной глубины, рыба, как ныряльщик с полными легкими воздуха, вынуждена прилагать усилия, чтобы не утонуть, поскольку воздух в плавательном пузыре сжимается под давлением и плавучесть падает. И наоборот, если рыба поднимается выше привычной глубины, воздух расширяется и добавляет плавучести, поэтому рыбе приходится устремляться ниже, чтобы ее не вынесло на поверхность. Хотя рыба может регулировать естественную плавучесть, добавляя или сокращая количество воздуха в пузыре, происходит это медленно, поэтому рыбы обычно прикованы к одному слою океанской толщи – как авиалайнеры, распределяющиеся по эшелонам. У многих рыб пузырь замкнутый, никак не сообщающийся с внешним пространством, поэтому, если рыбу быстро извлечь из воды, пузырь, распираемый стремительно расширяющимся воздухом, может разорваться или вытолкнуться через рот. Некоторые рыбы (акулы, например) не имеют плавательного пузыря, поэтому, чтобы не утонуть, вынуждены находиться в постоянном движении. Однако у гигантской акулы, которая меньше времени проводит в беспорядочном рыскании, имеется большая маслянистая печень, помогающая ей достичь нейтральной плавучести.

Плавательный пузырь почти целиком заполнен кислородом, поглощению которого препятствуют слои кристаллов гуанина на стенках. Помимо прочего, эти кристаллические слои защищают клетки стенок пузыря от токсического воздействия кислорода на глубине. Гуанин сам по себе весьма интересная молекула – именно он придает блеск рыбьей чешуе, он обнаруживается в птичьем помете (это основная составляющая гуано) и, самое главное, является одним из четырех азотистых оснований, образующих ДНК.

Еще одно удивительное подводное существо – жемчужный наутилус, родственник древних аммонитов и современных осьминогов с кальмарами. Его называют также «камерным» наутилусом, поскольку его раковина разделена на несколько отсеков-камер. По мере взросления моллюск приращивает к раковине новые камеры – по одной в три-четыре месяца. Каждая камера отделяется от соседней перегородкой под названием «септа». Эти перегородки образуют каркас, укрепляющий раковину и предотвращающий ее сплющивание под давлением воды. Сам моллюск обитает в последней камере, а остальные заполняются газом под атмосферным давлением и обеспечивают плавучесть. Формируясь, камера накачивается соляным раствором, но затем соли постепенно выводятся, в процессе осмоса забирая с собой и воду, а на ее место проникает газ. Поскольку газ этот содержится в твердостенной раковине, наутилус не подвержен влиянию перепадов давления и может свободно плавать на разной глубине, ограниченной лишь давлением, которое может выдержать сама раковина. Днем он отсиживается на глубине около 400 м, а на ночь всплывает на кормежку на мелководье – около 150 м. Наутилусов вылавливали и на 600 м, однако, как показывают эксперименты, на глубине 750 м раковина уже трескается под давлением воды. Эта глубина и является для наутилуса предельной.

В отличие от людей, которые не могут задерживать дыхание надолго, морские млекопитающие, утки и черепахи показывают более впечатляющие результаты. Рекорд – более чем в 20 раз превышающий человеческий, – принадлежит морскому слону, совершившему непрерывный двухчасовой заплыв под водой. Однако большинство погружений длится куда меньше. Невероятная способность морских слонов объясняется вовсе не тем, что его легкие вмещают больше кислорода (как мы уже знаем, слоны, наоборот, выдыхают перед погружением, чтобы избежать кессонной болезни). У китов и тюленей больше относительный объем крови, которая, в свою очередь, обладает более высокой, чем у человека, способностью переносить кислород, поэтому количество кислорода в крови этих морских млекопитающих гораздо выше. Кроме того, кислород запасается в мышцах, связываясь с миоглобином – молекулой белка, сходной по структуре с гемоглобином, пигментом крови, выполняющим функцию переноса кислорода. В мышцах кашалота содержится в десять раз больше миоглобина на килограмм веса, чем у человека (именно миоглобин придает мясу кашалотов насыщенный темно-красный цвет). И наконец, мышцы морских млекопитающих содержат большое количество креатинфосфата, служащего источником энергии (см. гл. 5). Благодаря этим особенностям у тюленей Уэдделла и китов образуется запас кислорода на 20 минут – несколько больше, чем длится обычный их заплыв.

Иногда тюлени Уэдделла могут совершать длительные подводные заплывы, продолжительностью до одного часа. Происходит это за счет того, что, израсходовав весь кислород, накопленный миоглобином, мышца переключается на анаэробный метаболизм, при котором кислород не используется (см. гл. 5). Однако при анаэробном метаболизме образуется молочная кислота, которая должна затем выводиться из тканей в процессе, требующем участия кислорода. Поэтому, чем дольше тюлень остается под водой, тем больше образуется молочной кислоты и тем больше кислорода ему потребуется на поверхности, чтобы от нее избавиться. Вот почему после долгого заплыва тюлень Уэдделла выдерживает на поверхности более длительную, чем обычно, паузу до следующего погружения.

У морского слона все гораздо загадочнее. Как и тюленю Уэдделла, запасов кислорода ему хватает примерно на 20 минут. И тем не менее он способен продержаться под водой свыше часа и, всплыв, почти сразу же погрузиться снова. Судя по всему, молочная кислота у него не образуется и избавляться от нее ему не нужно, так что запаса кислорода ему хватает на более долгий срок. Никто пока не знает, как ему это удается, но согласно одной из гипотез, во время долгих заплывов у морского слона резко падает скорость метаболизма. У многих морских млекопитающих, в том числе и морских слонов, при нырке сразу же снижается частота сердцебиения – включается «рефлекс ныряльщика». Сокращаются кровеносные сосуды, питающие кожу и внутренности, и происходит отток крови к мозгу и сердцу. В менее насыщаемых кровью тканях скорость метаболизма падает, сокращая их потребность в кислороде. Таким образом, перераспределение крови способствует растягиванию ограниченного запаса кислорода. Но пока это всего лишь предположение, и мы не можем однозначно сказать, как морскому слону удаются такие долгие заплывы.

Кроме морского слона существуют и другие загадочные создания. Например, утконосы, которые тоже любят подводный отдых и могут довольно долго лежать на дне ручья, устроившись между корнями какого-нибудь дерева. Зеленая черепаха Chelonia mydas зимует на дне Калифорнийского залива, где проводит в спячке несколько месяцев, зарывшись в ил и морскую траву. И хотя скорость метаболизма во время спячки существенно снижается, все равно неизвестно, как черепаха запасает необходимое количество кислорода. К сожалению, выяснить это будет затруднительно, поскольку места спячки черепах, известные прежде лишь местным индейцам сери и тщательно оберегавшиеся, были открыты мексиканскими рыбаками с современными рыболовными снастями, и поголовье черепах резко сократилось.

Плавание с аквалангом

В середине прошлого века в подводном плавании произошла революция – появился акваланг, автономный аппарат для дыхания под водой. Главный шаг был сделан в 1943 г., когда двое французов, Жак Кусто и Эмиль Ганьян, разработали клапан для подачи воздуха по требованию. Как следует из названия, клапан по мере надобности подает ныряльщику воздух, находящийся под тем же давлением, что и окружающая вода. Остальное снаряжение состоит из одного или более баллонов сжатого воздуха, крепящихся на спину, маски и ласт. Заметим, что такое полезнейшее для пловца изобретение, как ласты, появилось, как ни странно, лишь в 1935 г., и то сперва в достаточно грубой форме деревянно-металлических лопаток.

Поначалу акваланг применяли для обнаружения и обезвреживания вражеских мин после Второй мировой войны, но уже в 1960-х он был представлен широкой публике в серии замечательных документальных фильмов, снятых Кусто и супругами Лотте и Гансом Хасс. В кадрах с коралловыми рифами, дельфинами, акулами и прочими необычными морскими созданиями открывалась многообразная и сложная жизнь океанских глубин. Зрители завороженно наблюдали за этим фантастическим миром, где человек свободно парил между стаями разноцветных рыбок, где морские звери не кидались прочь в испуге, где морское дно было усеяно сокровищами – только руку протяни, и где мало кому довелось побывать прежде. Публика загорелась желанием увидеть эти чудеса своими глазами, и производство аквалангов начало стремительно набирать обороты. Число дайверов-любителей неуклонно росло. Однако, как мы уже успели убедиться, в подводном мире, при всем его великолепии, есть свои опасности, поэтому будущим аквалангистам настоятельно рекомендуется, прежде чем опускаться под воду, пройти хороший курс обучения.

Нижняя безопасная граница для погружений на сжатом воздухе (будь то с аквалангом или с закачиванием воздуха с поверхности) составляет около 30 м. Определяют ее содержащиеся в дыхательной смеси газы, поскольку под давлением и азот, и кислород становятся токсичными.

Экстаз глубины

Под давлением в несколько атмосфер азот вызывает интоксикацию организма, которую Жак Кусто назвал «экстазом глубины». Симптомы проявляются не сразу и напоминают алкогольное опьянение – эйфория, повышенное возбуждение, отрыв от реальности, потеря координации, иррациональное поведение. Чувство эйфории иллюзорно и опасно, поскольку по мере погружения ныряльщик будет проникаться все большей ложной уверенностью в собственных силах, одновременно теряя дееспособность. В легкой форме азотная интоксикация (так называемый азотный наркоз) возникает на глубине 50 м. На большей глубине симптомы усиливаются, пока в итоге, на глубине около 90 м, не наступает потеря сознания. При частых погружениях организм постепенно привыкает к воздействию азота (происходит адаптация), и ныряльщик может практически беспрепятственно погружаться на 50-метровую глубину. И тем не менее именно азотный наркоз стал причиной гибели многих ныряльщиков, отважившихся погрузиться глубже, и именно из-за него рекомендуемая глубина погружений на сжатом воздухе – 30 м.

В 1941 г. исследователь Дж. Холдейн – сын Дж. С. Холдейна – изучал воздействие азотного наркоза в условиях компрессионной камеры. Испытуемые (среди которых были он сам и его будущая жена) проходили арифметический тест и тест на моторику (перекладывание пинцетом подшипников из одной банки в другую). При дыхании воздухом, сжатым до 10 атмосфер (соответствует глубине в 90 м), у всех наступала заторможенность. Один из испытуемых, при обычном атмосферном давлении уважаемый и ответственный ученый, решил сжульничать в испытании на моторику, а другой впадал попеременно то в депрессию, то в эйфорию, то требуя немедленно его декомпрессировать, потому что ему «хреново», то с хохотом пытаясь «помочь» коллеге в тесте на моторику. Правильно решить примеры не удалось никому – как лаконично отметил Холдейн, «результаты получились менее утешительными, чем хотелось бы». Дополнительная трудность состояла в том, что человек, проводивший тесты, также подвергался воздействию азотного наркоза и часто забывал вести заметки или останавливать секундомер. Но исследование наглядно продемонстрировало, что под азотным наркозом ныряльщик не вполне отвечает за свои действия и может подвергнуть риску свою и чужую жизнь. Так, например, известны случаи, когда находящиеся под наркозом ныряльщики предлагали свой загубник проплывающей мимо рыбе.

Избавление от азотного наркоза происходит почти сразу же после всплытия. В экспериментах Холдейна симптомы исчезали мгновенно при уменьшении давления с 10 до 5 атмосфер. Типичной реакцией испытуемых было: «Боже мой, ну я и накуролесил».

Чем же объясняется наркотическое действие азота под давлением? На этот вопрос пока однозначного ответа нет. Судя по схожести симптомов, механизм воздействия должен быть близок к действию алкоголя, но толку от этого мало, поскольку про механизм воздействия алкоголя мы тоже почти ничего не знаем. Согласно последним исследованиям, алкоголь взаимодействует с определенным классом белков в клеточных мембранах, известных как ионные каналы, которые регулируют возбудимость нервных клеток. Возможно, именно так действует и азот.

Хорошенького понемножку

Кислород – токсичное вещество, и под давлением токсичность его только возрастает{15}. Большинство людей может спокойно дышать чистым кислородом под давлением в одну атмосферу до 12 часов, без всяких пагубных последствий, но уже через сутки начинается раздражение легких, вызванное прогрессирующим разрушением клеток, выстилающих стенки альвеол. Первым признаком недомогания становится кашель, но в особо серьезных случаях может последовать нарушение дыхания, скопление жидкости в легких и даже капиллярное кровотечение, в результате которого легкие наполняются кровью. При давлении в две атмосферы воздействие распространяется и на нервную систему, поэтому человек испытывает головокружение и тошноту, случается также паралич конечностей. Через несколько часов (а при физической усталости и раньше) начинаются конвульсии, сходные с эпилептическим припадком. Иногда они бывают настолько сильными, что приводят к переломам костей. Чем выше давление, тем быстрее возникают припадки. А поскольку любая конвульсия под водой грозит смертельным исходом, допускать их нельзя, поэтому на тему конвульсий также проводились обширные эксперименты тем же Дж. Холдейном во время Второй мировой. Вот что он отмечает: «Конвульсии чрезвычайно сильны. Вызванное ими в моем собственном случае повреждение спины даже спустя год отзывается болями. Конвульсии продолжаются около двух минут, затем наступает бессилие и вялость. Я пробуждаюсь в состоянии крайнего ужаса, побуждающего к бесплодным попыткам выбраться из стальной камеры».

Холдейн с коллегами установили, что под давлением в семь атмосфер дышать чистым кислородом можно не более пяти минут, после чего начинаются судороги. К собственному восторгу, Холдейн обнаружил также, что под таким давлением кислород перестает быть газом без вкуса и запаха, каковым является при атмосферном давлении. Он обретает довольно специфический вкус – кисло-сладкий, «как выдохшееся имбирное пиво» или «разбавленные чернила с щепоткой сахара». Он любил приводить это наблюдение, доказывая, что не стоит слепо верить учебникам – ведь там кислород неизменно фигурирует как газ без вкуса.

Во время Второй мировой войны британский флот использовал (и до сих пор использует) аппараты с замкнутым циклом дыхания, заполненные чистым кислородом. Состоят они из дыхательного мешка (так называемого противолегкого), надевающегося на грудь, и кислородного баллона. Противолегкое – это большой гибкий резиновый мешок, который при дыхании расширяется и сжимается. Между ртом ныряльщика и противолегким располагается сепаратор углекислого газа (заполненный натровой известью – смесью едкого натра и окиси кальция), удаляющий выдыхаемый ныряльщиком углекислый газ. В противолегкое подается кислород на замену потребленному ныряльщиком. Поскольку схема замкнутая, газ не выделяется в воду и не образует воздушных пузырьков. Это очень важно в тех случаях, когда ныряльщик не должен выдавать своего присутствия, а также в операциях по обезвреживанию мин вручную, поскольку от пузырьков мина может сдетонировать. Кроме того, при такой схеме воздушный баллон делается в пять раз меньше стандартного аквалангистского (поскольку воздух содержит лишь 20 % кислорода), а значит ныряльщик получает большую маневренность{16} или, при обычном размере баллона, больший запас воздуха. По результатам экспериментов Холдейна предельной глубиной для погружений на чистом кислороде были определены восемь метров (1,8 бар). Но даже в этом случае продержаться можно всего лишь несколько часов. Степень подверженности кислородной интоксикации у разных людей разная, поэтому британский флот проводит для новобранцев-ныряльщиков специальную проверку: дают подышать чистым кислородом под давлением в две атмосферы и смотрят, не начнется ли приступ. Не прошедших испытание переводят на другую специальность.

На глубине более восьми метров чистый кислород использовать нельзя, поэтому противолегкое заполняют дыхательной смесью. На глубине до 25 м пропорция обычно выглядит так: 60 % кислорода, 40 % воздуха, далее процент кислорода сокращают по мере увеличения глубины, доводя до 33 % на 50 м. Недостаток такой смеси состоит в том, что в противолегком накапливается азот, создавая необходимость периодически продувать систему. И хотя при этом образуются пузыри, все же они возникают не так часто, поэтому аппараты с замкнутым циклом дыхания по-прежнему предпочитают при тайных операциях – например, когда нужно прикрепить бомбу к борту вражеского судна. Время на декомпрессию при таком способе дыхания тоже существенно ниже, поскольку в дыхательной смеси содержится меньше азота.

Токсичность необходимо учитывать и в тех случаях, когда на глубине человек дышит смесью с более низким содержанием кислорода, например, воздухом. По мере погружения давление вдыхаемого воздуха возрастает параллельно с увеличением давления воды. На глубине 90 м, например, давление равно 10 атмосферам. Поскольку кислород составляет одну пятую воздуха, его парциальное давление будет равно 2 атмосферам. Некоторое время это можно выдержать, но для долгих погружений – нежелательно, поэтому содержание кислорода в дыхательной смеси нужно уменьшать. Морским животным, таким как киты и тюлени, ни кислородное отравление, ни азотный наркоз неведомы, поскольку они не дышат сжатым воздухом – во время погружения воздух не покидает их легкие.

Подвиги на грани потери сознания

Кроме всего прочего, необходимо учитывать воздействие сжатого углекислого газа, которое пусть и не так ощутимо и катастрофично, как воздействие азота и кислорода, однако тоже чревато серьезными последствиями. Как мы уже знаем из главы 1, углекислый газ регулирует дыхательную деятельность. Однако повышенная доза углекислого газа не только способствует учащению дыхания, но вызывает также головную боль, дезориентацию и потерю сознания.

Как выяснилось в начале XX в., именно отравление углекислым газом мешало многим подводникам британского флота работать на глубине. Подводнику постоянно подавался воздух с поверхности, который затем выходил через дренажный клапан на боку шлема. Углекислый газ – это побочный продукт метаболизма, выбрасываемый с выдыхаемым воздухом. Таким образом, при дыхании внутри водолазного костюма накапливался углекислый газ, начиная постепенно повышать содержание CO2 во вдыхаемом воздухе. Объем излишка зависел от скорости прохождения воздуха через водолазный костюм. От физической деятельности, повышавшей скорость метаболизма, концентрация углекислого газа увеличивалась еще больше. Поскольку двухпроцентное содержание CO2 при нормальном атмосферном давлении практически не отражается на самочувствии подводника, скорость подачи воздуха высчитывалась так, чтобы не превышать эту границу. Однако в то время еще не знали, что воздействие углекислого газа под давлением усиливается и что на глубине 60 м, где давление составляет 5 атмосфер, 2-процентное содержание CO2 приравнивается по воздействию к 10-процентному содержанию CO2 на поверхности. В результате при чрезмерной физической нагрузке у подводников начиналась одышка, нередко они теряли сознание. Однако стоило определить причину, и проблему удалось устранить – повышением скорости закачивания воздуха пропорционально внешнему давлению воды.

Отравление углекислым газом может возникнуть и при использовании описанного выше аппарата с замкнутой схемой дыхания, если заполненный натровой известью сепаратор, удаляющий CO2, выйдет из строя. Это одна из причин, по которой военные подводники во время Второй мировой иногда теряли сознание и тонули даже на небольшой глубине.

Очередной толчок исследованиям воздействия углекислого газа на глубине дала трагедия, происшедшая за три месяца до начала Второй мировой войны. В июне 1939 г., во время морских испытаний на ливерпульском рейде затонула британская подлодка «Фетида», унеся с собой 99 жизней. Выжили только четверо. И снова призвали на помощь Дж. Холдейна – на этот раз от имени профсоюзов, к которым принадлежали многие члены экипажа, – расследовать причины смерти. Он подобрал себе четырех добровольных помощников{17} и сымитировал условия спасательного шлюза в маленькой стальной камере. Уже через час у всех участников эксперимента начались сильные головные боли, а у некоторых рвота – из-за повышенного содержания углекислого газа.

Углекислый газ составляет около трех процентов выдыхаемого воздуха, поэтому в замкнутом пространстве, где человек вынужден вдыхать отработанный воздух, уровень углекислого газа повышается. На поврежденной подлодке передозировка углекислого газа может возникнуть раньше, чем станет ясно, что пора покидать судно – в случае с «Фетидой» содержание CO2 повысилось примерно до 6 % (норма для атмосферы – 0,04 %). Но дело не только в этом. Парциальное давление углекислого газа в воздухе поднимается еще выше при использовании спасательных шлюзов. На подлодке аварийно-спасательные люки открываются наружу, чтобы внешнее давление воды герметично прижимало их в закрытом состоянии к борту. Чтобы их открыть, нужно уравнять давление внутри подлодки с наружным давлением, заполнив спасательный отсек морской водой. Как только перепад давления устранится, можно будет открыть люки и экипаж, надев дыхательные аппараты, поднимется на поверхность. Поскольку воздух в спасательном шлюзе сжат под напором поступающей воды, парциальное давление углекислого газа будет постепенно расти.

Холдейн вместе с доктором Мартином Кейсом проводил всесторонние эксперименты, исследуя воздействие повышенного содержания углекислого газа под возросшим давлением. Под давлением в одну атмосферу увеличение процента CO2 с 0,04 до 6 практически не ощущалось, но под давлением в десять атмосфер наблюдалось ощутимое ухудшение результатов в тестах на моторику, все испытуемые демонстрировали потерю координации, и через пять минут большинство теряло сознание. Под водой дезориентация или обморок могут привести к летальному исходу. Из экспериментов Холдейна можно предположить, что после внезапной декомпрессии спасательного шлюза «Фетиды» повышенная концентрация углекислого газа в оставшемся воздухе ослабила способность подводников принимать адекватные решения и помешала им правильно надеть и отрегулировать дыхательные аппараты.

Как уже, должно быть, очевидно, Дж. Холдейн был человеком достаточно эксцентричным и не раз подвергал собственный организм (и организмы коллег) проверкам на прочность. Помимо этого он отличался дотошностью, поэтому последовательно изучал воздействие CO2 при низких температурах, характерных для глубины. Он описывал, как однажды «погрузился на тридцать пять минут в тающий лед, дыша воздухом с 6,5-процентным содержанием углекислого газа, а в заключительной стадии эксперимента еще и под давлением в 10 атмосфер. Я потерял сознание. У одного из наших испытуемых произошел разрыв легкого, но сейчас он поправляется; шестеро человек по одному и более раз теряли сознание, у одного случились судороги».

Остается только гадать, как отреагировал бы на такое Комитет по вопросам здравоохранения и безопасности в наши дни. Однако лишь благодаря мужеству Холдейна и его коллег мы обладаем научным материалом по воздействию газов на человеческий организм под давлением. Эти данные помогли (и помогают) спасти не одну жизнь.

Где предел?

Сжатым воздухом нельзя пользоваться на глубине ниже 30 м – из-за опасности азотного наркоза. Азот необходимо заменять, а объем кислорода по мере погружения нужно постоянно регулировать так, чтобы давление не превышало 0,5 бар. Для восстановления баланса вдыхаемого газа используется гелий, и на глубинах, превышающих 30 м, ныряльщики обычно дышат кислородно-гелиевой смесью (так называемый «гелиокс» или КГС). Как инертный газ гелий имеет ряд преимуществ перед азотом. Во-первых, он обладает меньшим наркотическим эффектом. Во-вторых, им легче дышать, поскольку он разреженнее и менее вязкий – его молекулярная масса составляет всего четыре единицы (молекулярная масса азота, для сравнения, – 28 единиц). Гелий труднее растворяется в воде, что сокращает объем растворенного в крови газа и время на декомпрессию. Однако у гелия есть и недостатки, среди которых – высокая теплопроводность, ведущая к тому, что с выдыхаемым воздухом теряется много тепла, поэтому ныряльщику требуется дополнительное утепление, чтобы не замерзнуть. Кроме того, из-за низкой плотности повышается тембр голоса, человек начинает разговаривать как персонаж мультфильма. Происходит это потому, что звук в гелии распространяется быстрее, а значит, повышается резонансная частота дыхательных путей.

На глубине более 200 м (21 бар) у людей и сухопутных животных развивается нервный синдром высокого давления (НСВД). Это нервное расстройство, известное в просторечии как «трясучка», поскольку вызывает дрожь. Помимо нее наблюдаются также головокружение, тошнота и кратковременные периоды отключения внимания – так называемый микросон. Причины НСВД еще недостаточно изучены, однако предположительно он может возникать из-за прямого воздействия давления на нервную систему, поскольку изолированные нервные клетки демонстрируют сходную гипервозбудимость при создании аналогичного давления в лабораторных условиях. Примечательно, что действие давления и действие анестезии взаимообусловлены. Головастики, например, замирают под воздействием слабого алкоголя (2,5 %) или высокого давления (20–30 бар), однако при одновременном воздействии того и другого благополучно продолжают плавать. Мыши под общим наркозом при увеличении давления просыпаются. НСВД же, напротив, под общей анестезией слабеет. Непосредственно на человеке такой эксперимент никогда не проводился, однако в результате экспериментов на животных выяснилось, что НСВД можно частично побороть добавлением небольшого количества азота к кислородно-гелиевой смеси. Такая смесь называется «тримикс» или КАГС.

НСВД ставит предел глубины, на которую может погрузиться ныряльщик в естественной среде. На гелиоксе предел этот составляет 200–250 м, однако на специальных дыхательных смесях, например, тримиксе, как показывают экспериментальные погружения, человек может выдержать глубину до 450 м в открытом море (и 600 м – в компрессионной камере). Однако подобные глубины все равно остаются уделом испытателей, обычному человеку туда путь заказан. Морские млекопитающие, напротив, активно осваивают области, лежащие ниже 200 м: кашалоты ныряют до 1100 м, а морские слоны достигали и полутора километров глубины. Многие другие представители фауны – рыбы, бактерии, многощетинковые черви – выдерживают и большие глубины, обитая вокруг «черных курильщиков» на срединно-океанических хребтах. Почему же у них не возникает НСВД? Исследования глубоководных видов показывают, что у этих животных гораздо выше порог чувствительности к НСВД. Более того, высокое давление необходимо им для нормального функционирования организма, поскольку в их случае именно декомпрессия может вызвать состояние, сходное с НСВД. Поэтому их можно назвать «облигатными барофилами». В настоящее время ученые бьются над загадкой, как под таким экстремальным давлением функционируют клетки организма.

Жизнь на глубине

Как мы уже видели, в жидкостях тела под давлением глубины растворяется больше газа. На чрезвычайно больших глубинах декомпрессия даже после короткого нырка может требовать долгих часов, поэтому возвращаться сразу на поверхность нецелесообразно. В таких случаях подводники и живут, и работают на глубине, возвращаясь после смены в жилую капсулу, где поддерживается давление, равное давлению окружающей воды. Такая практика называется «методом длительного пребывания» или «насыщенным погружением», поскольку ткани организма успевают полностью насытиться азотом. В последнее время эта практика обрела относительную популярность, и многим подводникам приходится по несколько недель проводить на глубине, не поднимаясь на поверхность. Вахта длиной в месяц – обычное дело для водолазов на нефтяных платформах в Северном море, занимающихся укладкой и ремонтом трубопроводов на океанском дне.

Подводники-вахтовики обычно дышат гелиоксом, причем точный состав смеси определяется глубиной «проживания». Один из главных недостатков гелиокса – изменение тембра голоса, но с этим помогает справиться специальный электронный прибор – расшифровщик, делающий исковерканную под воздействием гелия речь понятной. Из-за высокой теплопроводности гелия и, как следствие, повышения теплоотдачи организма в жилых помещениях приходится поддерживать температуру около 30° С. В остальном жизнь на глубине вполне сносная. Из очевидных трудностей можно назвать еще скуку долгих периодов декомпрессии: после насыщенного погружения на 100 м на декомпрессию уходит четыре дня, и десять – после подъема с 300-метровой глубины. В это время подводнику остается только ждать. Даже когда давление наконец уравнивается с атмосферным, профессиональным подводникам приходится еще несколько часов провести вблизи декомпрессионной камеры – на случай возникновения кессонной болезни. В одном проценте погружений те или иные симптомы кессонной болезни все-таки возникают – даже при соблюдении расчетного графика подъема на поверхность, и тогда требуется лечение в рекомпрессионной камере.

Проблемы вызывают также случаи, требующие скорой медицинской помощи в глубоководном жилище подводников, поскольку на доставку туда врача уйдут долгие часы. Поэтому всех вахтовиков учат основам гипербарической медицины, а в больших командах подводников нескольких человек обучают и более сложным процедурам – местной анестезии или установке капельницы. Однако в самых серьезных случаях пострадавшего подводника приходится эвакуировать. Самый быстрый и безболезненный способ эвакуации – в гипербарической транспортной капсуле, где поддерживается давление обитаемого слоя глубины. Такие капсулы используются, например, в шотландском Национальном гипербарическом центре в Абердине для подводников, работающих на нефтяных месторождениях Северного моря. В одноместной капсуле пострадавшего (заболевшего или раненого) подводника поднимают из жилых глубоководных помещений на поверхность. Там его переносят на вертолет, в более просторную двухместную капсулу, где с ним работает врач. По прибытии на сушу подводника все под тем же давлением перевозят в большую медицинскую барокамеру для дальнейшего лечения. Все суда, обеспечивающие подводные работы в Северном море, оборудованы гипербарическими спасательными шлюпками на несколько человек – на случай если придется по каким-то причинам эвакуировать людей из жилой капсулы.

Отсроченная опасность

Об отдаленных последствиях работы под давлением стало известно еще сто лет назад, когда они начали проявляться у кессонных рабочих. Жалобы на парализующую боль в бедренном и плечевом суставах поступали от них иногда спустя довольно долгое время после прекращения работ на глубине, и рентгеновские снимки демонстрировали разрушение сустава. Первый аналогичный случай у ныряльщика был зафиксирован лишь 30 лет спустя, однако с тех пор поток жалоб неуклонно рос.

Коварство глубин

Давление – не единственное препятствие для ныряльщика на глубине. К давлению добавляются сильный холод и состояние невесомости. Кроме того, в воде иначе работают органы зрения, слуха и ориентация в пространстве.

Почти все ныряльщики надевают очки или маску для плавания, поскольку без них зрачок не может сфокусироваться и все кажется расплывчатым. Происходит это потому, что, попадая из одной среды в другую (в данном случае – из воздуха или воды в глаз), луч света преломляется. Благодаря этому свойству световые лучи фокусируются на слое светочувствительных клеток, называемых сетчаткой, расположенной внутри глаза. Степень преломления на поверхности глаза в воде гораздо меньше, чем в воздухе, поэтому и не удается сфокусировать изображение на сетчатке. Проблема преодолевается созданием вокруг глаза воздушного пространства с помощью очков или маски. Однако из-за преломления лучей на стеклянно-водной границе маски окружающие предметы покажутся под водой процентов на тридцать больше и ближе, чем в воздушной среде. Вспомните об этом, когда будете слушать очередные страшные сказки про гигантских акул.

Вода поглощает свет, поэтому его яркость уменьшается по мере погружения, и уже на 600 м в океане царит кромешная тьма. Поскольку красный свет поглощается легче синего, вода служит заодно и цветовым фильтром. По мере погружения пропадают сначала красные и желтые цвета, затем зеленые, пока не остается одна синева. Поэтическое описание этой игры красок составил Уильям Биб. Опустившись в своей батисфере на 15 м, он наблюдал вокруг «сияющую сине-зеленую дымку», которая постепенно сменилась «холодными зелеными сумерками», превратившись на 100 м в кристальный голубой. На глубине 200 м все вокруг стало «загадочным прозрачно-синим, какого просто не существует наверху, и наши зрительные нервы запутались окончательно». Сияние голубого усиливал прожектор, «желтее которого я в жизни не видел». Постепенно этот ослепительный синий цвет густел, становясь темно-чернильным, однако впечатление у Биба все равно осталось незабываемое. По свидетельствам остальных исследователей, синий сменяется густо-фиолетовым, который, в свою очередь, уходит в кромешную бархатную темноту, чернее самой ночи.

Интересный факт: описание Биба, скорее всего, прочел Томас Манн и включил в свой роман «Доктор Фаустус». Его герой, Адриан, утверждает, что вместе с американским ученым Кейперкейзли установил новый мировой рекорд глубины. По его рассказу, они с профессором «в шаровидной батисфере внутренним диаметром всего в 1,2 м, оборудованной примерно так же, как стратостат, погрузились с помощью лебедки сопровождающего судна в необычайно глубокий в этих местах океан. ‹…› Сначала их окружала кристально-прозрачная, пронизанная солнечным светом вода». «Однако свет сверху проникал всего на какие-нибудь пятьдесят семь метров» и ниже «сквозь кварцевые оконца водолазам видна была теперь трудноописуемая черная синева. ‹…› Затем кругом воцарилась абсолютная чернота, темень межзвездного пространства, куда во веки веков не проникал и слабейший солнечный луч»[3].

Цвет предмета определяется длиной отраженной им световой волны. Например, красная роза видится нам красной, поскольку отражает красный свет и поглощает все остальные волны. На глубине 20 м в Средиземном море эта же самая роза показалась бы черной за неимением красного света, который она могла бы отражать. На большей глубине яркость падает настолько, что светочувствительные клетки сетчатки глаза (колбочки) выключаются. Все становится серым. Вместо колбочек в темноте (например, в сумерках и на океанской глубине) включается другой набор клеток сетчатки, называемых палочками.

Они не различают цвета, но настолько чувствительны к свету, что выходят из строя под яркими солнечными лучами, и им требуется 20–30 мин. на восстановление, когда свет тускнеет. Все, кому доводилось посидеть в полутемной комнате, наблюдая, как загадочные тени превращаются в знакомые и привычные предметы обстановки, знают это. За то время, которое большинство ныряльщиков проводит под водой, глаза не успевают привыкнуть к темноте. Однако этой беде может помочь съемный красный фильтр, который крепится к внешнему стеклу маски и надевается перед погружением (а на глубине снимается), поскольку палочки совершенно не чувствительны к красному свету.

Еще одно чудо подводного мира, как мы знаем из фильмов или по собственному опыту, – это полная тишина. Под водой гораздо труднее слышать, чем в воздухе, ведь в более плотной среде звук затухает гораздо быстрее. Кроме того, поскольку в воде скорость звуковой волны больше, она попадает в оба уха почти одновременно, поэтому непонятно, откуда доносится звук.

Из-за холода человек не может долго находиться в океане без специальных утепляющих средств (о побережье тропических морей речь не идет). Холодная вода активно забирает тепло человеческого тела, поэтому ныряльщику необходима дополнительная термоизоляция. Защита бывает разной. Гидрокостюмы «мокрого» типа удерживают тонкий слой воды между телом и латексной оболочкой костюма, а «сухие» препятствуют проникновению воды и обычно надеваются на несколько слоев термобелья. На глубине более 50 м потеря тепла увеличивается из-за необходимости дышать смесью с гелием. Поскольку гелий обладает высокой теплопроводностью, организм отдает очень много тепла во время дыхания. Поэтому глубоководных водолазов необходимо обеспечивать собственной системой «отопления», прокачивая в костюм горячую воду, а в некоторых случаях даже подогревая дыхательную смесь.

Ныряльщик в воде практически ничего не весит. Освобождение от оков гравитации – еще одно чудо подводного плавания, однако и здесь не обходится без трудностей. В частности, под водой трудно использовать инструменты, работающие на крутящем моменте, поскольку при попытке отвернуть гаечным ключом гайку начинает разворачиваться все ваше тело, а гайка даже не шелохнется. Кроме того, трудно удержаться на одном месте под напором течения. На большой глубине повышенная плотность воды требует удвоения усилий при движении и ограничивает объем возможных работ.

На суше мы ориентируемся в пространстве визуально и благодаря силе тяжести. У невесомого ныряльщика в условиях плохой видимости эти возможности исчезают, что ведет иногда к дезориентации и панике. Трудно не запаниковать, когда не можешь сразу определить, где верх, где низ. К счастью, ориентиры все же имеются: струя пузырьков всегда стремится вверх, а отстегнутый пояс с грузом падает вниз.

К середине 1960-х собранные данные позволили сделать однозначные выводы. По итогам исследования с участием 131 немецкого подводника за десятилетний период у 72 рентгеноскопия выявила некроз костей, и лишь 22 из них полностью избежали проявлений болезни. Точно так же у 20 % кессонных рабочих, участвовавших в строительстве тоннелей под рекой Клайд, обнаружились патологические изменения костной ткани. Разрушения наблюдались чаще всего на концах длинных костей ног и рук и, предположительно, возникали из-за крошечных пузырьков воздуха в костной ткани, которые, закупоривая тончайшие капилляры, питающие клетки кости, приводили к их отмиранию. Одна из причин, по которой именно кости страдают из-за таких микропузырьков, состоит в том, что пузырек сдавливает и сжимает живые клетки кости. У некоторых людей поражение затрагивает и суставную поверхность кости, приводя к острым артритам бедер и плеч.

Как и следовало ожидать, частота возникновения и острота костных болезней напрямую связана с глубиной погружений – те, кто никогда не опускался ниже 30 м, обычно целы и невредимы, однако среди тех, кто побывал на глубине 200 м и ниже, примерно у 20 % отмечены симптомы некроза. В наши дни профессиональные подводники регулярно проходят остеосцинтиграфию (сканирование костей скелета), чтобы вовремя прекратить погружения и предотвратить угрозу заболевания.

Второй бич подводников – долговременная потеря слуха. Отчего она возникает, пока не очень ясно. Одна из гипотез – работа под водой создает большую нагрузку на слуховой аппарат, поскольку во время компрессии и декомпрессии в камере постоянно свищет воздух, в водолазных шлемах непрерывно циркулирует газ, и подводные инструменты производят не меньше шума, чем их сухопутные собратья. Однако шумовое воздействие – это лишь одно из возможных объяснений. Второе – травма, возникающая при уравнивании ушного давления или из-за мелких пузырьков, образующихся при декомпрессии. У японских ныряльщиц за моллюсками к ухудшению слуха почти наверняка приводит именно это.

Физиологи проводили множество исследований с целью выяснить, вызывает ли подводная работа повреждения головного мозга. Пока все сходятся в том, что у подводников, перенесших острую кессонную болезнь, могут возникать продолжительные неврологические нарушения, однако вопрос о том, могут ли возникать бессимптомные нарушения у ныряльщиков, которые никогда не сталкивались с кессонной болезнью, остается открытым. Согласно ряду работ, у таких подводников отмечен возрастающий тремор, снижение чувствительности ступней и ладоней и прочие признаки неврологического расстройства, однако другие исследования подобной картины не выявляют. Учитывая рост популярности туристического дайвинга, исследования, несомненно, нужно продолжать.

В 1997 г. в British Medical Journal появилась тревожная статья. С помощью магнитно-резонансной визуализации в мозге некоторых аквалангистов выявили крошечные очаги повреждений. Эти очаги представляют собой участки отмерших нервных клеток и, предположительно, возникли вследствие блокировки воздушными пузырьками кровеносных сосудов. Однако «дыры в мозге» обнаружились не у всех аквалангистов. При дальнейшем исследовании выяснилось, что поражение наблюдалось лишь у тех, у кого имеется небольшое отверстие между правым и левым предсердием. Как ни странно, такое отверстие имеется у четверти населения Земли. Возникает оно потому, что во время развития эмбриона правое и левое предсердия соединяются так называемым овальным окном. При рождении оно обычно закрывается, однако у некоторых не полностью. Во время декомпрессии у таких людей в кровообращении формируются крошечные пузырьки, слишком маленькие, чтобы вызвать кессонную болезнь. Они попадают в мозговое кровообращение (у некоторых застревают в капиллярах легких, где особого вреда не причиняют). И хотя очевидных неврологических расстройств в этом исследовании выявлено не было, людям с открытым овальным окном, возможно, лучше воздержаться от погружений с аквалангом.

В бездну

Натренированные и физически крепкие ныряльщики могут опускаться, дыша гелиоксом, на глубину до 200 м. Использование более редких смесей позволяет увеличить этот предел до 400 м, при условии что водолаз облачится в шлем из стеклопластика и обогреваемый костюм. Ниже этой отметки человеку приходится «брать» привычную среду обитания с собой, и здесь человека выручают батискафы. Команда живет при нормальном атмосферном давлении, не испытывая необходимости в продолжительной декомпрессии, а судно может быстро погружаться и всплывать. Однако стенки батискафа должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать внешнее давление, а для сбора проб и образцов необходимы гибкие и послушные механические захваты или манипуляторы.

Первая в мире субмарина была построена приблизительно в 1620 г. Корнелиусом ван Дреббелем, хотя проекты подводных аппаратов рождались и раньше – у Леонардо да Винчи в том числе. Дреббель намного опередил свое время. После него в области подводного судостроения подвижек почти не наблюдалось до середины XIX в., когда в войне между Севером и Югом начали использовать субмарины на паровой тяге, прозванные «дэвидами». Однако до исследования океанских глубин было еще далеко. Первым подводным аппаратом, способным выдерживать огромное давление океанской толщи, стала батисфера – полый шар с очень толстыми стенками, который на тросах опускали с палубы судна. В таком стальном шаре диаметром всего 1,4 м Уильям Биб и Отис Бартон совершили 15 августа 1934 г. свое рекордное погружение на 923 м у Бермудских островов. Однако батисфера могла только опускаться и подниматься на тросах, позволяя лишь краем глаза взглянуть на манящее подводное царство.

Переворот в глубоководных исследованиях совершил швейцарский ученый Огюст Пикар, изобретя в 1940-х годах батискаф – полностью маневренное и независимое от судна-носителя устройство. Название его состоит из греческого «батис» – глубокий и «скафос» – корабль. Он был устроен как воздушный шар, только наоборот. Верхний поплавок (заполненный 60 000 галлонами бензина) обеспечивал всплытие, а для погружения добавлялся балласт. После сбрасывания балласта батискаф устремлялся наверх. Под поплавком подвешивалась шарообразная толстостенная стальная кабина, где и помещался экипаж. 23 января 1960 г. Жак Пикар, сын Огюста, вместе с Доном Уолшем, лейтенантом американского флота, опустились на батискафе «Триест» на дно Марианской впадины. Глубина ее составляет 10 914 м (более шести миль), и давление в этой глубочайшей расселине нашей планеты тоже внушительное – 1100 бар. Рекорд Пикара и Уолша пока не удалось повторить никому, кроме японского автоматического зонда «Каико», который коснулся дна в 1995 г.

Погружение на «Триесте» продемонстрировало, что на морское дно можно путешествовать без опаски. На волне этого успеха появилось новое поколение батискафов, в которых громоздкий поплавок с бензином заменили герметичным корпусом, обеспечивающим начальную плавучесть. Теперь собственные батискафы имеются у Японии, Франции, России и США. Пожалуй, самый знаменитый из них – подводный аппарат «Элвин», спущенный на воду Вудсхоллским океанографическим институтом в 1964 г. и применявшийся для обнаружения водородной бомбы, случайно попавшей в Средиземное море у берегов Испании; для поисков гидротермальных источников на срединных океанических хребтах и обследования останков «Титаника». Последним на сегодняшний день словом техники среди подводных аппаратов является сконструированный Грэмом Хоксом «Дип Флайт» – быстроходное, исключительно маневренное устройство, напоминающее крылатую торпеду, которое и в самом деле словно летит сквозь толщу воды. Однако пока «Дип Флайт» опробован лишь на относительно небольших глубинах.

Первая в мире подводная лодка

Первую в мире действующую субмарину построил в 1620 г. голландский алхимик Корнелиус ван Дреббель (1572–1634), проживавший в то время в Лондоне. Лодок по его чертежам было построено три, причем третья была самой большой и сложной. Она прошла под водой по Темзе от Вестминстера до Гринвича, и за ее плаванием наблюдал сам король Яков I. Внешне подлодка напоминала разросшийся грецкий орех и для водостойкости была обтянута промасленной кожей. Судя по сделанным чуть позже рисункам, в движение она приводилась шестью парами весел. Однако при этом непонятно, как удавалось предотвратить проникновение воды внутрь через весельные отверстия. Не менее интересная загадка – как гребцам (и пассажирам) удавалось дышать, ведь субмарина могла пробыть под водой полтора часа, что вполне достаточно для ощутимого падения уровня кислорода и насыщения воздуха углекислым газом.

Из свидетельств современников о «спертом воздухе» ясно, что его состояние в субмарине действительно оставляло желать лучшего. Неясно, как Дреббель боролся с этой трудностью. В одном из описаний говорится, что из субмарины вела на поверхность воздушная трубка. Однако ученый Роберт Бойль, после разговора с зятем Дреббеля, писал (40 лет спустя, в 1660 г.), что Дреббель, «откупорив сосуд с этим химическим раствором, моментально возвращал спертому воздуху необходимую пропорцию жизненных частиц, которая на некоторый срок делала воздух вновь пригодным для дыхания». Что это был за «раствор», остается неясным, поскольку официально выделять кислород из воздуха научились лишь 150 лет спустя. Однако не исключено, что разгадку следует искать в 1610 г., когда Дреббель ездил в Прагу, где тогда работал польский алхимик Сендивогий, питавший особую страсть к калиевой селитре (нитрату калия). Он описывал ее как «тайную пищу жизни», утверждая, что «дух селитры», рождающийся при ее сжигании, спасает людей от смерти. Вполне справедливое утверждение, поскольку при нагревании нитрат калия выделяет кислород. Возможно, с помощью этого «духа селитры» в запечатанных сосудах либо собственноручно сжигаемой селитры Дреббель и проводил очистку воздуха в субмарине. Однако трудный вопрос, как удавалось удержать уровень углекислого газа ниже того предела, за которым должна начаться потеря сознания у гребцов, остается без ответа. Возможно, все дело в непродолжительности путешествия.

Пуще неволи

Профессиональные подводники в наше время нарасхват – техобслуживание трубопроводов, ремонт буровых вышек, осмотр и ремонт судовых корпусов, подъем затонувших судов и даже участие в криминалистических экспертизах. Еще больше людей занимаются подводным плаванием ради удовольствия. Предел глубины погружения зависит от газа, которым дышит человек под водой, но если кислородное отравление и азотный наркоз можно предотвратить благодаря использованию сложных смесей, погрузиться глубже человеку мешает нервный синдром высокого давления. Кроме того, ныряльщику приходится бороться с холодом, а риск кессонной болезни вынуждает уменьшать скорость подъема на поверхность. Из этого следует, что подводники могут беспрепятственно работать на континентальном шельфе, но глубже, на абиссальные равнины, путь им заказан. Для глубоководных исследований используются стойкие к воздействию давления батискафы или автоматические зонды. В настоящее время люди еще не пришли к однозначному выводу, какой из аппаратов предпочтительнее, и, судя по всему, развиваться будут оба направления. Ведь радость не только в том, чтобы добраться до несметных подводных богатств – уникальной, почти не изученной экосистемы, гигантских залежей нефти и полезных ископаемых, бактериальных ферментов и природных средств, которые могут совершить переворот в биотехнологиях и медицине, но и в том, чтобы увидеть это все своими глазами.

С легким паром!

Несколько лет назад японский коллега познакомил меня с восточным вариантом «крещения огнем». Он отвез меня в Ибусуки – небольшой городок на юге Японии, знаменитый своими онсенами (горячими купальнями). Городок расположен на берегу моря, откуда открывается великолепный вид на действующий вулкан с чарующим названием Сакурадзима, то есть Вишневая гора. Облаченная в хлопковое кимоно, я вышла на черный песок широкого пляжа – и передо мной предстало удивительное зрелище. Из песка ровными рядами, словно кочаны капусты или футбольные мячи, торчали человеческие головы. Будто какой-нибудь древний самурай, озверев, перебил кучу народа, а потом разбросал плоды своих трудов на берегу, чтобы их смыло волнами. Загадка разъяснилась, когда меня подозвал жестом пожилой японец с лопатой в руке и принялся рыть мне «могилу». Я улеглась в узкую неглубокую яму, и он осторожно засыпал меня сверху песком, оставив снаружи одну голову. Эта песочная ванна ничем не напоминала сырой и холодный песок, в который мы закапывались в детстве на английском взморье. Через пляж фильтруется подогретая соседним вулканом вода, поэтому песок здесь горячий. Тепло обволакивало меня, просачиваясь сквозь тонкую хлопчатобумажную ткань и снимая напряжение в таких мышцах, о существовании которых я даже не подозревала. Убаюканная мягким плеском волны, я погрузилась в сон. Разбудили меня японские друзья, которые показывали на возвышающийся над пляжем большой циферблат, напоминающий гигантский леденец на палочке. Мы грелись в песке уже пятнадцать минут, время истекло.

Следующие десять минут мы провели в соседних домиках, смывая каждую песчинку, тщательно намыливаясь и орудуя щетками, до скрипа и блеска очищая волосы, кожу и ногти. Только теперь, отмытые добела, мы могли войти в онсен, общую горячую купальню.

«Там горячо», – предупредили друзья. Меня это не испугало. Я всегда наливаю себе ванну погорячее, чай пью – кипяток, и известна среди знакомых своими «асбестовыми» пальцами. Я отважно шагнула в купальню – и тут же, ошпаренная, выскочила обратно. Градусов сорок пять, не меньше. Думая, что ожоги как минимум первой степени я себе заработала, я с изумлением уставилась на хрупких японок, лежащих в купальне. Как они выдерживают этот кипяток? Купальщицы улыбались и кивали мне ободряюще, о чем-то мелодично щебеча между собой. Я не понимала, как они умудряются не свариться заживо. Перед глазами проплывали каннибальские котлы и средневековые процессы над ведьмами. Осторожно я вползла в воду и вытянула руки вдоль бортика, чтобы обеспечить как можно большую поверхность охлаждения. Я оглянулась вокруг. Купальня напоминала гигантскую оранжерею, полную тропических растений, между которыми виднелись разнообразные ванны. Мне вспомнилось пространство между мирами из «Хроник Нарнии», где каждая купель вела в какой-нибудь мир. Здесь же купели заполнялись водой разных температур и минерального состава. Когда через пять минут я вылезла из ванны, кожа у меня была вишнево-красная, как у вареного рака. Организм перенаправил всю кровь к поверхности в отчаянном стремлении охладиться – впрочем, безуспешно, поскольку я не только не могла избавиться от собственного тепла, но и стремительно поглощала тепло окружающей воды. Обливаясь потом, я села на край купели. Однако чувствовала я себя превосходно. Все недомогания и тревоги улетучились вместе с паром. С тех пор в любом уголке Японии я первым делом тестировала местный онсен.

Одно из самых незабываемых впечатлений мне подарило зимнее купание в онсене, расположенном высоко в «японских Альпах». Было это на горе Дзао, вдохновившей поэта Басё на самые знаменитые его хокку во время паломничества на вершину. Снег плотно укутывал деревья, делая их похожими на оплывшие свечи. Серые силуэты горных хребтов, наслаиваясь друг на друга, уходили за горизонт, прикрытый легкой вуалью облаков. Знакомый по японским гравюрам безмятежный пейзаж в черно-белых и приглушенно серых тонах, полный той самой эфемерной восточной красоты, которая, как мне казалось раньше, существует лишь в воображении художника. На склоне теснились маленькие бревенчатые домики, утопающие в глубоком снегу. Между ними прямо по улицам бежали горячие ручьи, окутывая неискушенного прохожего клубами сернистого пара.

Онсен оказался старинной каменной купелью, частично прикрытой деревянной верандой, но большей частью распахнутой всем стихиям. Из обрамленной японским садом купели открывался великолепный вид на окрестные горы. Через бассейн непрерывно текла горячая вода из природного источника. До купели мы дошли по морозу раздетые, так что в этот раз я только обрадовалась обжигающему жару. Куда меньше меня порадовал поднимающийся от воды пар, источающий стойкую удушливую серную вонь. Разомлев в воде, я попросила своего спутника перевести маленькое объявление на стене. Вопреки моим предположениям (я думала, это будет «Не курить!») оно настоятельно рекомендовало тщательно помыться после посещения онсена, чтобы кислотная вода не испортила одежду. Я, все еще млея, лениво поинтересовалась, что же в таком случае станется с нашей кожей. Однако на самом деле угрозу для здоровья несет вовсе не сера, а жар. В малых дозах он полезен, но если вовремя не остановиться, исход может быть трагическим.

3. Жизнь в пекле

Сила моя иссохла, как черепок; язык мой прилипнул к гортани моей, и Ты свел меня к персти смертной.

Псалом 22

В один прекрасный день (дело было в конце XVIII в.) секретарь Лондонского королевского общества мистер Благден отважился зайти в помещение, нагретое до 105° С, прихватив с собой несколько яиц, сырой бифштекс и собаку. Четверть часа спустя яйца испеклись в скорлупе, а бифштекс прожарился, но Благден с собакой вышли невредимыми (собаку, правда, пришлось держать в корзине, чтобы не обжечь подошвы лап). Эта способность выдерживать температуру, превышающую отметку кипения воды, тем более поражает, если учесть, что изменение свойств белка и необратимые повреждения клеток начинаются уже при температуре выше 41° С, что температура тела, превышающая 43° С, является для человека смертельной и что ситуация нахождения в течение нескольких минут при температуре выше 50° С приводит к гибели всех клеток. Однако, как наглядно продемонстрировал мистер Благден, человеческий организм способен почти четверть часа продержаться при температуре в 105° С. В этой главе мы попытаемся выяснить, как такое возможно.

Наша жизнь зависит от расположенного в 150 млн км от Земли ядерного реактора, который дарит нашей планете свет и тепло. Температура на поверхности Солнца составляет 5500° С. На Земле она существенно ниже, однако и здесь может достигать смертельных для человека значений. Самая высокая температура воздуха на Земле в тени, 58 ° С, была зафиксирована в сентябре 1992 г. в ливийском городе Эль-Азизия. Выше 45° С регулярно прогревается воздух в летние месяцы в Центральной Австралии, странах Персидского залива и Судане, а предметы, расположенные на солнце, раскаляются еще больше, поэтому до металлических поверхностей невозможно дотронуться, и песок обжигает ноги. Воздействие солнечного тепла ощущается даже в холодных регионах. Снежные шапки Эвереста солнце прогревает до 30° С, полярники могут пострадать одновременно от солнечного ожога и обморожения, и даже в ледяном космическом пространстве предметы, попадающие под солнечные лучи, быстро накаляются.

Самые высокие температуры на Земле зафиксированы в пустынях. Согласно определению, пустыня – это территория, где в год выпадает менее 200 мм осадков, однако для многих пустынь даже этого много, а в некоторых дождя может не быть годами. Отсутствие облаков означает интенсивное солнечное облучение, в результате которого земля и воздух быстро прогреваются днем и не менее быстро остывают ночью. Запасы воды скудны, поэтому земля большую часть года иссушена, а в раскаленном мареве возникают миражи, превращающие потрескавшуюся землю в призрачный цветущий оазис. К палящему зною добавляются жгучие ветры, которые лишают тело влаги, сморщивая кожу и иссушая носоглотку. Песок и пыль царапают, как наждачная бумага, и забивают горло. Ультрафиолет вызывает солнечные ожоги, яркий свет слепит глаза. Жить в таких условиях человеку нелегко. Однако люди селились в пустынях столетиями, и каждый год тысячи туристов приезжают полюбоваться неземной красотой изрезанных ветром дюн и разноцветных скульптурных скал. Чтобы выжить в этих суровых условиях, человеку не обойтись без физиологической и поведенческой адаптации.

Температура тела

Прежде чем выяснять, как человеческому организму удается справиться с экстремальной жарой, следует пояснить, что такое температура тела и как она регулируется в нормальных условиях. Не во всех участках тела поддерживается одинаковая температура, поэтому так называемая «температура тела» – это на самом деле температура внутренняя, температура глубинных тканей грудной клетки и брюшной полости. Она обычно составляет около 37° С, отклоняясь в течение суток примерно на полградуса – выше всего вечером, ниже всего перед рассветом. У женщин на внутреннюю температуру дополнительно влияет менструальный цикл: перед овуляцией температура повышается и держится с 15-го по 25-й день 28-дневного цикла. Эти изменения позволяют женщине определить наиболее подходящие для зачатия дни, поэтому на их основе строится календарный (ритмический) метод контрацепции.

Как наглядно демонстрируют тепловизионные снимки, температура поверхности тела может сильно отличаться от внутренней. У обнаженного человека в холодной комнате температура кожи может понизиться до 20° С, и температура конечностей также будет ниже внутренней. И наоборот, после интенсивной физической нагрузки температура в потрудившихся мышцах возрастет до 41° С, хотя внутренняя температура повысится всего на один-два градуса. Участки с повышенным кровотоком тоже всегда горячие – именно поэтому у нас «горит лицо», когда мы краснеем.

Норма внутренней температуры лежит в пределах 36–38° С; ниже 35° С наступает гипотермия, выше 40° С – гипертермия, если пользоваться медицинской терминологией. При подъеме внутренней температуры выше 42° С наступает смерть от теплового удара. Поэтому, в отличие от переохлаждения, которое человек при определенных условиях может пережить (см. гл. 4), перегрев с увеличением внутренней температуры на каких-нибудь пять градусов является смертельным. Особенно чувствительна к повышениям температуры сперма, поэтому у млекопитающих тестикулы вынесены для охлаждения за пределы тела. Как ни сексуально выглядят обтягивающие брюки, они понижают мужскую фертильность, препятствуя отдаче тепла и уменьшая выработку спермы.

Чувствуя жар

Вопрос о том, как ощущает организм свою внутреннюю температуру, занимал ученых годами. Субъективно нам всем понятно, что чувство тепла или холода возникает благодаря нервным окончаниям в коже. Однако, если задуматься, мы поймем, что для выживания важна не температура поверхностных покровов, а температура мозга. Таким образом, организму логичнее ориентироваться на температуру мозга, а не кожи – подобно тому, как система отопления контролируется центральным термостатом, а не датчиками с наружных стен.

Аналогичный «термостат» в животном организме был обнаружен Э. Ааронзоном и Ю. Заксом в 1885 г. Он находится в гипоталамусе – отделе мозга, расположенном у основания черепа. И все равно долгое время после его обнаружения не утихали бурные споры о том, что важнее для температурного контроля – кожа или мозг. Окончательный ответ был получен благодаря одному ученому, который позволил вживить себе в мозг температурный датчик и проследить, чем определяется реакция его тела на холод – температурой кожи или мозга. Чтобы охладить кровь, поступающую в мозг, но при этом не дать ей добраться до кожи, испытуемый ел мороженое. Последовавшая в результате типичная реакция организма на холод поставила окончательную точку в спорах: главный регулятор температуры тела находится в мозге.

Однако мозгом чувствительность к температурному воздействию не ограничивается. Хлебнув слишком горячего кофе и от неожиданности опрокинув чашку на себя, вы наверняка подскочите от боли, убеждаясь заодно, что кожа, язык, ротовая полость и горло тоже снабжены тепловыми «датчиками». Они воспринимают не температуру окружающей среды, а, скорее, температуру кожи, в которой расположены. Именно поэтому воздух из электрической сушилки для рук кажется прохладным, пока руки еще влажные, но когда руки высыхают, становится обжигающе горячим.

Температурные рецепторы кожи делятся на две разновидности. Первые реагируют на температуру от 13 до 35° С, сигнализируя об уровне холода или тепла. Их называют холодовыми рецепторами, поскольку интенсивность сигналов, посылаемых ими к мозгу, возрастает с понижением температуры. Наибольшая их чувствительность наблюдается при 28° С – вероятно, именно при такой средней температуре развивался человеческий организм.

Вторая группа рецепторов реагирует на жару, подавая болевые сигналы. Изолировать эти рецепторы и определить последовательность их ДНК удалось лишь недавно, использовав их высокое химическое сходство с капсаицином, активным компонентом жгучего стручкового перца. Мирно спящий внутри огненно-красных стручков капсаицин пробуждается на языке, как вулкан, извергаясь жгучей лавой и разжигая во рту пожар, отлично знакомый любому, кто пробовал мексиканскую или индийскую кухню. Попытки залить его водой приводят лишь к большему распространению огня. Вслед за пожаром обычно наступает обильное потоотделение, словно приправа действительно повысила температуру тела.

История термометра

Термометр изобрел около 1610 г. Галилео Галилей, славу которому принесло другое устройство – телескоп. Галилей был профессором математики Падуанского университета и ради приработка к скудному жалованью изготавливал и продавал научные приборы. Его термометр представлял собой длинную полую стеклянную трубку, частично заполненную водой, запаянную с одного конца и погруженную другим концом в пробирку с водой (некоторые специалисты утверждают, что с вином). При повышении температуры воздух в трубке расширялся, заставляя воду опускаться. Чем выше температура, тем ниже уровень воды. При помощи шкалы с делениями, нанесенной на трубке, можно было проводить измерения. Основная трудность использования этого термометра состояла в том, что он реагировал и на изменения атмосферного давления, поэтому даже при постоянной температуре столбик часто колебался. Проблему решили запаиванием второго конца трубки.

Следующий важный шаг был сделан Даниелем Габриелем Фаренгейтом, немецким физиком и изготовителем научных приборов, работавшим в Амстердаме, который в 1724 г. догадался заменить воду (или алкоголь) в трубке термометра на ртуть. Преимущество ртути в том, что при повышении температуры она расширяется равномернее, не испаряется и лучше просматривается. Фаренгейт модифицировал температурную шкалу другого, менее известного физика Реомюра, взяв за основу три отправные точки: температуру замерзания воды (32° F), кипения воды (212° F) и температуру тела здорового мужчины (98,4° F). Шкала Фаренгейта до сих пор используется в Соединенных Штатах. Кроме того, Фаренгейт одним из первых установил, что точка кипения воды варьируется в зависимости от барометрического давления.

Кроме Фаренгейта и Реомюра термометр изобретали и другие, предлагая собственные шкалы. Бытовало мнение, что в разных частях света одни и те же отправные точки неприменимы. С неразберихой покончил в 1742 г. Андерс Цельсий, разбив шкалу на сто градусов. Он работал в старейшем шведском университете Упсалы, и в наши дни его термометр можно увидеть в университетском музее. Шкала на этом термометре нанесена им собственноручно. С помощью своего термометра Цельсий показал, что снег всегда тает при одной и той же температуре – как в суровых условиях лапландской тундры, так и в более мягком климате южной Швеции. Более того, взяв термометр Реомюра, он продемонстрировал, что в Швеции вода замерзает при той же температуре, что и в Париже, согласно измерениям Реомюра. Температуру таяния льда Цельсий обозначил ста градусами, а температуру кипения воды – нулем, однако после его смерти шкалу перевернули, и она приняла привычный нам вид.

Много лет спустя британский физик лорд Кельвин (1824–1907) изобрел температурную шкалу, которой сегодня пользуются ученые. Она начинается с абсолютного нуля, предельно холодной температуры. Абсолютный ноль обозначается как 0° K и соответствует –273° С.

Первым человеком, применившим научный подход к измерению температуры тела, был венецианец Санторио Санторио, опубликовавший в 1612 г. фундаментальный медицинский труд Ars de Statica Medicina. Он приспособил прибор Галилея, чтобы мерить температурные изменения, но не воздуха, а тела. Вот что говорится в его руководстве: «Пациент сжимает колбу или дышит над ней в капюшон, или захватывает колбу ртом, и мы видим по результатам, идет он на поправку либо нет». Санторио тоже пользовался шкалой, но она служила для сравнения температуры больного с его же показателями в здоровом состоянии, а не для сравнения с неким «нормальным» значением. Во времена Санторио еще не знали, что у всех здоровых людей температура примерно одинакова.

Капсаицин взаимодействует с тем же мембранным белком, который участвует в передаче ощущения жгучего жара, – именно поэтому острый перец воспринимается «жгучим». Кроме того, капсаициновые рецепторы активируются ресинифератоксином (который содержится в соке молочая смолоносного – Euphorbia resinifera). Именно из-за него растение жжется и вызывает раздражение кожи. Люди, регулярно потребляющие острую пищу, теряют чувствительность к капсаицину и могут с наслаждением поедать огненно-жгучее карри. Не исключено, что длительное воздействие капсаицина уменьшает число одноименных рецепторов. Другая гипотеза, более настораживающая, состоит в том, что чувствительные к боли нейроны разрушаются в буквальном смысле, поскольку высокая концентрация алкалоида вызывает гибель культивированных лабораторным путем нервных клеток. Как бы то ни было, способность капсаицина лишать чувствительности болевые нервные волокна позволяет применять его как анальгетик при артрите (он применяется наружно, в составе мази).

Содержание капсаицина варьируется в зависимости от сорта перца. В 1912 г. это натолкнуло Уилбура Сковилла на мысль о создании шкалы жгучести для стандартизации качества импортируемой в США продукции. Степень жгучести определялась тем, до какой степени можно развести водой вытяжку из перца, чтобы она перестала ощущаться на языке. По этой шкале сладкий перец не дотянул и до единицы, халапеньо удостоился 1000 единиц, жгучий хабанеро – 100 000, а чистый капсаицин – целых 10 млн.

Подобно тому как жгучий перец воздействует на тепловые рецепторы, некоторые химические вещества взаимодействуют с холодовыми рецепторами, вызывая ощущение прохлады. Одно из таких веществ – ментол, главный компонент мятного масла. Когда-то ментол считался лечебным средством, поэтому в 1930-х гг. в районе английского Митчема перечной мятой (Mentha pipertita) засеяли около 500 акров земли. Похожие плантации можно было видеть и во Франции, и в итальянском Пьемонте, и в других странах Европы. Японцы, тоже уверовавшие в целебную силу мяты, носили ментол на поясе в маленьких серебряных шкатулках. В наше время он используется по-прежнему – в сигаретах (для «холодка»), а также в жвачке и зубных пастах (для освежающего вкуса).

Сигналы от тепловых и холодовых датчиков кожи вызывают местную реакцию. Если погрузить кисть руки в холодную воду, кожа покраснеет, поскольку кровь устремится к поверхности для обогрева, хотя внутренняя температура тела при этом не изменится. При этом, что гораздо важнее, рецепторы посылают сигнал в мозг, где на основе информации, сопоставленной с данными центральных терморецепторов в гипоталамусе, будет отрегулирована общая теплопродукция и теплопотеря организма.

У некоторых животных, в отличие от человека, имеются специализированные теплочувствительные органы, способные различать инфракрасное излучение и действующие как природные тепловизионные камеры. Лучше всего такие органы изучены у змей. У ямкоголовых змей (например, у гремучих) по обеим сторонам головы имеется два теплочувствительных «глаза», называемые лицевыми ямками. Они представляют собой крошечное, размером с булавочную головку, отверстие, расширяющееся под кожей в полость диаметром в несколько миллиметров. Эти ямки определяют положение теплокровной добычи в пространстве и позволяют змее не промахиваться даже в темноте. Пока точно не известно, как именно действует этот орган (не в последнюю очередь потому, что ямкоголовые змеи крайне агрессивны и укус их смертелен). У боа-констрикторов, анаконд и питонов также имеются высокочувствительные тепловые сенсоры: сенсор боа-констриктора, например, способен почти мгновенно почувствовать такую мельчайшую частицу тепла, как одна десятимиллионная калории на квадратный сантиметр. Это примерно то же самое, что почувствовать тепло от 100-ваттной лампочки (или человека) на расстоянии 40 м. Специализированные инфракрасные сенсоры обнаружены и на брюхе жука-златки рода Melаnophila, откладывающего яйца на свежих лесных пожарищах. Взрослые жуки, привлеченные теплом, стаями устремляются к месту пожара. Чувствительность их настолько высока, что пожар они могут различить за 50 км.

Хождение по углям

Огонь – это и добрый друг, и смертельный враг. Ребенок быстро усваивает, что яркие пляшущие языки означают опасность. Страх перед «разверстой огненной пещью» во многих религиях использовался для внушения покорности верующему на этом и том свете. Испанская инквизиция придерживалась мнения, что сожжением на костре помогает нераскаявшемуся грешнику очиститься от грехов и тем самым спасти душу от вечных мук, которые тоже ассоциируются с адским огнем. Наше восхищение людьми, которые ходят босыми ногами по раскаленным углям, вызвано не только представлением о возможной боли, но и всеми этими культурными ассоциациями. Неудивительно, ведь хождение по углям изначально служило испытанием на невиновность или на искренность и духовную силу новообращенного.

Однако на самом деле в хождении по углям нет ничего сверхъестественного и особого «состояния сознания» оно не требует. Секрет – в низкой теплопроводности дерева и относительно коротком времени, в течение которого ступня касается горячих углей. Дерево очень плохо проводит тепло, древесный уголь – в четыре раза хуже. Это значит, что ступням передается лишь малая часть жара от раскаленного пепла, поэтому человек вполне может пройти до 52 м по углям температурой 800° С. Таким образом, секрет хождения по углям лежит, скорее, в области физики, а не физиологии.

От повышенного жара человека спасает защитная одежда. У военных имеются «бесстрашные» костюмы из нескольких слоев фетра. Изначально они создавались, чтобы защищать кочегаров от летящих искр, но потом были модифицированы, чтобы уберечь солдат от излучения и тепловой волны при взрывах. В «бесстрашных» рукавицах можно взять в руки даже раскаленный брусок металла. Огнеупорные синтетические материалы, например, номекс, используют гонщики и персонал буровых вышек, чтобы не погибнуть при внезапном возгорании. Из похожего материала делаются костюмы для каскадеров, участвующих в сценах с огнем. В таком костюме можно продержаться в открытом пламени несколько секунд.

Без защиты клетки разрушаются даже от умеренного жара. Если случайно коснуться горячего утюга, кожа на месте ожога побелеет, поскольку погибнут клетки. При таких легких поверхностных ожогах страдает только верхний слой эпителия. Если же контакт с источником высокой температуры не прекратится, происходит ожог более глубоких тканей. При этом разрушение может продолжаться даже после прекращения контакта с объектом, вызвавшим ожог, поскольку в тканях успевает накопиться жар. Именно поэтому поверхностные ожоги лечат погружением в холодную воду или прикладыванием льда.

Несмотря на то что при нагревании выше 50° С на протяжении нескольких минут клетки млекопитающих гибнут, непродолжительное время человек способен выдерживать и более высокую температуру, при условии что воздух будет крайне сухим, – как наглядно продемонстрировал мистер Благден. Многие испытали это на собственном опыте – температура в сауне обычно достигает 90° С. Экспериментально доказано, что сухой воздух температурой до 127° С можно выдержать до 20 минут. Кроме того, имеются сообщения о том, что в течение более короткого времени люди выдерживали и более высокие температуры. Происходит это за счет потоотделения, когда поверхность кожи охлаждается до температуры значительно ниже температуры окружающего воздуха, поэтому горячий воздух может опалить брови и волосы, но кожа останется нетронутой. Чрезвычайно опасны крайне высокие температуры – как, например, при внезапных возгораниях, поскольку раскаленный воздух выжигает тонкую оболочку легких и сметает систему охлаждения организма, приводя к серьезным ожогам. К счастью, температура воздуха на Земле редко превышает 50° С и жар, опаляющий кожу, встречается только при пожарах.

Огненные создания

Феникс – сказочная птица, получившая это имя за свое пурпурно-красное оперение[4] и жившая, согласно преданиям, дольше 500 лет. Чувствуя приближение смерти, феникс сооружал погребальный костер, благоухающий ладаном и смирной, и, обратясь к солнцу, вспыхивал ярким пламенем. Через девять дней из пепла возрождался новый феникс. В древности возрождение феникса служило сильнейшим доказательством для идеи о Возрождении Христовом. Дескать, если простой птице удается воскреснуть из мертвых, то почему не мог этого сделать Сын Божий.

Происхождение мифа о фениксе куда более таинственно. Т. Уайт предполагает, что основой для него могло послужить церемониальное сожжение рыжей цапли, совершавшееся египетскими жрецами в Гелиополисе, поскольку священный символ солнца, умиравшего ночью и возрождавшегося наутро, напоминал именно цаплю. Есть и другая версия – миф возник благодаря некоторым представителям семейства врановых, которые имеют обыкновение, подсев на край небольшого костерка, совать концы крыльев в самую холодную часть пламени. Предположительно, таким образом они избавляются от паразитов, не получая ожогов сами, поскольку кожа защищена длинными перьями.

Как ни великолепен миф о фениксе, это всего лишь миф. Зато огненная саламандра – вполне реальное создание, с блестящей влажной шкуркой, покрытой ярко-желтыми и черными пятнами. В древности эта чудесная амфибия вызывала у людей смесь ужаса и благоговения, поскольку считалась крайне ядовитой и способной вдобавок гасить огонь. Поскольку при дневном свете ее видели только после сильной грозы, она ассоциировалась с сыростью и влагой, а если учесть, что нередко она появлялась из сырых поленьев, укладываемых в костер, станет ясно, почему древние приписывали саламандре способность к пожаротушению. Вот что говорится о ней в «Книге чудовищ» – латинском бестиарии XII в: «Саламандра прозывается так, поскольку имеет власть над огнем. ‹…› Это создание единственное способно гасить пламя. Она живет в самом сердце огня, оставаясь невредимой, – не только потому, что огонь не смеет ее тронуть, но и потому, что она гасит его сама».

К такому же выводу пришел и Аристотель. Плиний предпочитал полагаться на эксперименты, поэтому проверил древнюю гипотезу, посадив саламандру в огонь. Разумеется, несчастное животное тут же сгорело дотла, однако, вопреки виденному собственными глазами, Плиний продолжил распространять миф о том, что огненная саламандра умеет тушить пламя.

В примечании к своему замечательному переводу «Книги чудовищ» Т. Уайт указывает, что у «императора Индии», у Папы Александра III и у пресвитера Иоанна имелись одеяния из шкурок саламандры. Очевидно, вслед за Кекстоном они считали, будто «саламандра дает шерсть, из которой можно ткать одежду и опояски, неподвластные огню». Когда был открыт асбест, его тоже сперва считали «шерстью саламандры».

Жук-бомбардир отличается не только своей «огнеупорностью», но и умением использовать огонь в защитных целях. При испуге он выпускает в ошеломленного обидчика едкую струю раскаленного пара, в составе которого содержится перекись водорода. Ядовитую смесь производит пара желез в брюшной полости жука, причем каждая из желез поделена на две камеры. Одна из камер заполнена водным раствором перекиси водорода и гидрохинона, в другой содержится смесь ферментов. При тревоге жук впрыскивает ферменты из одной камеры в другую, где они катализируют экзотермическую реакцию между перекисью водорода и гидрохиноном, и выделяющаяся в результате теплота нагревает раствор до кипения. Поворачивая кончик брюшка, жук способен выстреливать этой смесью с артиллерийской точностью. Яркая черно-оранжевая расцветка и громкий звук, сопровождающий каждый «выстрел», напоминают врагам, что от жука лучше держаться подальше.

Если в течение короткого промежутка времени человек способен выдерживать температуру сухого воздуха, превышающую температуру кипятка, это не значит, что подобная выносливость бесконечна. Со временем температура тела неизменно повышается. Клетки мозга крайне чувствительны к жару, их предел – 42° С, поэтому повышение температуры тела всего на несколько градусов оказывает огромное влияние на работу мозга. Таким образом, в общем и целом наша способность справляться с жаром опирается на систему терморегуляции, которая поддерживает температуру тела не выше 42° С.

Горячие новости

Теплота – побочный продукт жизни, и это наглядно демонстрирует стремительное остывание тела после смерти. Как писал в 1666 г. философ Джон Локк, «никому не становится теплее, когда останавливается дыхание». КПД биохимических реакций, дающих энергию нашим клеткам, не является стопроцентным, поэтому, как в двигателе автомобиля, при осуществлении этих реакций попутно вырабатывается тепло. В состоянии покоя в теплом климате производимого организмом тепла достаточно для поддержания необходимой температуры тела, но в холодном климате отдача тепла в окружающую среду бывает настолько значительной, что требуется дополнительный обогрев. И, напротив, при физической нагрузке тепла может вырабатываться в пять раз больше, поэтому необходима налаженная теплоотдача. Кроме того, в мире есть немало мест, где температура окружающей среды выше температуры тела, поэтому нагревание от внешних источников необходимо всеми силами уменьшать.

Когда люди еще не обладали прибором для измерения температуры тела, считалось, что в разных частях света она разная – у жителей тропиков выше, чему у обитателей холодного севера. В 1578 г. Иоганн Хаслер даже составил сравнительную таблицу гипотетических высоких и низких температур тела для разных широт. В средневековой Европе практическая медицина опиралась на классическую теорию Галена, считавшего, что тело содержит четыре типа жидкостей (от латинского humor, что значит «жидкость»): кровь, флегму, черную желчь и желтую желчь. Температура каждого человека (она же темперамент, тогда эти понятия не различали) определялась индивидуальным сочетанием этих жидкостей. Преобладание крови давало сангвинический темперамент, флегмы – флегматичный, черной желчи – меланхолический и желтой – холерический. У здорового человека все жидкости должны были находиться в равновесии. Поскольку для каждого это равновесие индивидуально, температурной нормы для человеческого тела не существует, поэтому то, что для одного человека жар, для другого – обычная температура. «Очевидно, – отмечал в 1612 г. сэр Уолтер Рэли, – что температура тела у разных людей ощутимо разнится». Похожее наблюдение сделал и сэр Фрэнсис Бэкон: «Существуют люди с самой различной температурой тела». Наследие тех древних представлений сохранилось в языке до сих пор – мы называем людей хладнокровными и «горячими», пользуемся классификацией темпераментов.

Однако на самом деле человек, как и другие млекопитающие, относится к гомеотермным, или теплокровным, и способен поддерживать одинаковую температуру тела независимо от условий окружающей среды. Это значит, что необходимо поддерживать баланс между теплопродукцией и теплоотдачей. Таким образом, жаркая среда требует уменьшения теплопродукции и увеличения теплоотдачи. Такой способ поведения, как накапливание тепла в теле с целью последующего использования путем повышения внутренней температуры, для человека неприемлем, однако им, как мы увидим ниже, успешно пользуются некоторые животные.

Охлаждение

Все живые существа, включая человека, стараются уменьшить воздействие жары, ведя себя определенным образом, в частности снижая активность и укрываясь в тени. Уменьшается потребление пищи, поскольку при метаболизме вырабатывается тепло, повышается тяга к водянистым продуктам. Мороженое, фрукты, огурцы, высокие запотевшие бокалы с лимонадом – вот самая популярная летняя еда. Поскольку мышечная активность тоже способствует выработке тепла, работать стараются утром и вечером, в относительной прохладе. Многие устраивают длинную полуденную сиесту – кроме, конечно, «бешеных псов и англичан», которых высмеивают за любовь к полуденному солнцу. Однако в песне Ноэля Кауарда[5] есть доля истины. Жители Британской Индии, например, искренне полагали, что только физическая нагрузка спасет их от тропических болезней, поэтому все, и женщины, и мужчины, днем старались позаниматься каким-нибудь спортом. Современную тягу к фитнесу они бы, вне всякого сомнения, одобрили. Однако прыжки под палящим солнцем с теннисной ракеткой или бодрый галоп на игре в поло чаще грозили солнечным ударом, а не оздоровлением.

К жаркому климату человек, помимо прочего, приспосабливает также манеру одеваться, конструкцию жилища и время пребывания на солнце. В пустыне аборигены, в отличие от туристов, часто закутываются с ног до головы в несколько слоев свободно драпирующейся одежды. Верблюды и другие пустынные обитатели щеголяют в толстой шкуре, особенно на спине. На первый взгляд это может показаться странным, но объясняется все довольно просто. Мех и одежда отлично защищают от жары, создавая изоляционный слой, не дающий жару подобраться к коже, когда температура окружающей среды превышает температуру тела. Стриженый верблюд пьет гораздо больше воды, поскольку гораздо быстрее перегревается. Сбросив одежду, вы, вместо того чтобы почувствовать желанное облегчение, еще больше нагреетесь. Поэтому правильнее всего в жарком климате носить свободную одежду – она овевает вспотевшую кожу прохладой, в то же время защищая от палящих солнечных лучей.

В животном мире существует множество интересных способов противостоять воздействию жары. Намибийская жаба, одно из немногих пустынных земноводных, пережидает дневной зной под примерно десятисантиметровым слоем песка, где температура гораздо ниже, чем на поверхности, а наружу вылезает только ночью. Медоносные пчелы придерживаются другой стратегии, поддерживая постоянную температуру в 35° С для своих растущих личинок с помощью испарительного охлаждения. Если внутри улья становится слишком жарко, они распределяют по поверхности сот капли влаги, а затем гонят крылышками воздух, обеспечивая проветривание, при котором влажный воздух улья замещается более сухим и прохладным. Другие животные переживают периоды сильной жары, впадая в так называемую эстивацию – летнюю спячку с резким замедлением обменных процессов в организме. Укрывшись в тени или в прохладной норе, они просто дожидаются, когда спадет жара.

До того, как получили широкое распространение кондиционеры, человек спасался от зноя в подземных убежищах. Моголы скрывались в прохладных «тихана» (погребах); подземная часть жилищ берберов в городке Матмата, в Сахаре, уходит на десятиметровую глубину; жители австралийского пустынного города Кубер-Педи, знаменитого своими опаловыми копями, тоже когда-то забирались под землю (некоторые живут так до сих пор). Даже в менее знойном климате местная архитектура обычно отражает потребность спрятаться от жары. Крыши домов в пакистанском Хайдарабаде когда-то украшали ветроуловители, направляющие поток прохладного воздуха во внутренние помещения. Стены традиционных японских домов представляют собой раздвижные перегородки, которые, сдвигаясь, открывают дом охлаждающим ветрам. В Дорсетшире, где я выросла, деревенские дома строились из смеси глины с соломой, и толщина стен достигала местами 60 см. В жаркие летние дни за этими стенами царила приятная прохлада.

До седьмого пота

Если уровень поглощения тепла из окружающей среды можно снизить своими действиями и поведением, то от тепла, вырабатываемого самим организмом, тоже нужно избавляться. У человека основную роль в терморегуляции выполняет кожа. Тепло, вырабатываемое мышцами и внутренними органами, переносится с помощью крови к кожным покровам, где отдача тепла в окружающую среду регулируется путем варьирования объема крови, протекающего через сеть тонких кровеносных сосудов, подходящих близко к наружному слою. При повышении температуры тела эти сосуды расширяются и кровь поступает ближе к поверхности, увеличивая теплоотдачу. Именно поэтому от жары мы краснеем. И наоборот, когда температура тела падает, поверхностные сосуды сужаются и кровь перераспределяется в более глубокие слои, чтобы сберечь тепло. На самом деле это просто усложненная версия системы охлаждения автомобильного двигателя, в котором вместо сердца водяной насос, вместо крови – охлаждающая жидкость, а функцию кожи выполняет радиатор.

Теплоотдача через кожу осуществляется в ходе четырех процессов – излучения, теплопроводности, конвекции и потоотделения. В покое при неподвижном воздухе 60 % теплоотдачи приходится на излучение, а на конвекцию и теплопроводность остается лишь по 20 % (больше, чем при ветре). Пока температура кожи не поднимается выше внутренней, излучения, конвекции и теплопроводности для охлаждения достаточно. Они позволяют поддерживать стабильную внутреннюю температуру при температуре неподвижного воздуха ниже 32° С.

Физика теплообмена

Тепло – это энергия движения молекул. Температура газа определяется средней скоростью составляющих его молекул: чем быстрее они движутся, тем горячее газ, чем медленнее – тем холоднее. В твердых телах молекулы связаны друг с другом, и ученые часто представляют их как совокупность соединенных между собой пружин: чем выше температура, тем выше амплитуда колебания пружины, чем ниже – тем меньше. При абсолютном нуле (–273° С) колебаний почти нет. Вы, возможно, удивитесь, почему «почти», ведь, по идее, при абсолютном нуле колебаний не должно быть вообще. Причина объясняется причудами квантовой физики, согласно которой невозможно точно измерить положение и скорость частицы в данный момент времени (знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга). Чем точнее вы пытаетесь определить, где в данный момент находится частица, тем неопределеннее для вас становится ее скорость (импульс) – и наоборот. Таким образом, согласно принципу Гейзенберга, незначительная вибрация молекул в твердом теле сохраняется всегда, даже при абсолютном нуле.

Тепло передается от одного объекта к другому путем теплопроводности, конвекции и излучения. Теплопроводность – это процесс, при котором тепло передается между двумя объектами, находящимися в непосредственном контакте (например, кожа и воздух). Если они обладают разными температурами, тепло будет передаваться от более теплого участка к более холодному. Проще говоря, молекулы более горячего объекта сталкиваются с молекулами более холодного, повышая их скорость и в то же время замедляя свою. Теплопроводностью называется также способность материала проводить тепло. Так, у дерева теплопроводность ниже, чем у меди, поэтому к медным кастрюлям приделывают деревянные ручки. Антиподом теплопроводности выступает изо– ляция – противостояние передаче тепла. У воздуха и перьев низкая теплопроводность (и высокая степень изоляции) – именно поэтому простеганные (чтобы задержать воздух) пуховые одеяла так хорошо греют.

Передача тепла в текучей среде (в воде и в воздухе) повышается в результате конвекции. Вот наглядный пример: представьте, что вы резко погрузились в ванну с холодной водой. Вода, соприкасающаяся с вашей кожей, будет постепенно нагреваться. Если затем нагревшуюся воду вновь заменит холодная, процесс повторится – произойдет нагревание новых слоев воды (и дальнейшее охлаждение тела). Процесс, при котором вода, соприкасающаяся с кожей, постоянно обновляется, и будет конвекцией. Обусловлен он тем, что теплые слои воды поднимаются вверх (поскольку они легче холодных). Температурная разница между слоями воды в ванне означает, что циркуляция будет идти непрерывно – теплые слои будут подниматься, а холодные опускаться, обеспечивая непрерывное обновление воды, соприкасающейся с кожей, и облегчая теплопередачу.

В отличие от теплопроводности и конвекции, объясняющихся довольно просто, излучение ставило ученых в тупик не одно столетие. Любое тело испускает электромагнитное излучение, и чем тело горячее, тем излучение выше. Излучение охватывает весь электромагнетический спектр, однако пик его зависит от поверхностной температуры тела, и когда тело нагревается, излучение смещается в сторону коротковолнового.

От длины волны зависит, будем ли мы воспринимать излучение как цветовое или как тепловое. Длинноволновое излучение для нас невидимо, мы ощущаем его только как тепло: так, например, мы чувствуем жар от огня, который давно потух. Это так называемое инфракрасное излучение. При повышении температуры объекта длина волны наиболее обширного пучка излучения переходит в видимый спектр, и объект начинает светиться. Коричневый, бурый цвет сменяется по мере увеличения температуры и уменьшения длины волны красным, оранжевым, желтым и, наконец, белым (отсюда выражения «до белого каления», «раскаленный добела»). Логично было бы предположить, что цветовая гамма будет соответствовать цветам спектра, поэтому после желтого должен идти зеленый и синий. Однако, раскалив в огне обычную железную кочергу, мы легко убеждаемся в обратном. Происходит это потому (как уже отмечалось выше), что кочерга испускает излучение, охватывающее сразу весь электромагнитный спектр, и только длина волны, при которой происходит пиковое излучение, изменяется вместе с температурой. Более того, общий объем излучения значительно повышается с подъемом температуры, поэтому объем испускаемого длинноволнового излучения тоже возрастает. Таким образом, свечение раскаленной кочерги – это комбинация различных электромагнитных волн, поэтому, как солнечный свет, оно кажется белым, и раскаленная добела кочерга будет гораздо горячее, чем тускло-красная или догорающие угли.

Температура на поверхности Солнца составляет около 5500° С. Солнце испускает видимое излучение пиковой длиной волны около 0,5 мкм – именно поэтому оно такое ослепительно яркое. Оно испускает и более длинные волны, дающие тепло, благодаря которому на Земле существует жизнь. Человеческое тело при температуре около 37° С излучает на пиковой длине волны в 10 мкм, которой очень далеко до видимого спектра. Однако в достаточно замкнутом пространстве мы вполне можем ощущать тепло другого человеческого тела – например, в постели. Нелишним будет отметить, что температура Солнца превышает температуру человека примерно в 20 раз по шкале Кельвина (5800° K в сравнении с 300° K) и что пиковая длина волны испускаемого излучения у Солнца тоже примерно в 20 раз короче, чем у человека. Из этого следует, что пиковая длина волны попросту пропорциональна температуре.

Как и свет, тепло представляет собой одновременно и волну, и поток частиц (фотонов). Чтобы понять, как происходит лучистый теплообмен – и как тепловое излучение проходит через космический вакуум от Солнца к Земле, – можно представить тепло в виде фотонов, поглощаемых или испускаемых атомами нашего тела. Атом – это Солнечная система в миниатюре. В центре его расположено ядро, вокруг которого движутся один или более электронов. Электроны расположены через дискретные промежутки от ядра – как планеты на орбитах. И вот здесь аналогия заканчивается, поскольку орбиталь, на которой оказывается электрон, зависит от его энергии, поэтому электрон может, поглощая или отдавая энергию, перескакивать с одной орбитали на другую. Эту энергию можно представить в виде фотонов или световых частиц. Поглощая фотон, электрон перемещается на внешнюю орбиталь, а переход ближе к ядру сопровождается потерей фотона.

У молекул поглощение и отдача лучистой энергии происходит не так, как у атомов, а за счет уменьшения или увеличения объема колебаний. Фотоны путешествуют сквозь вакуум со скоростью света – 300 000 км в секунду. Фотоны, излучаемые Солнцем, поглощаются молекулами нашей кожи, увеличивая их вибрацию и согревая нас. И, наоборот, с излучением фотонов, когда вибрация молекул уменьшается, тепло уходит. Пока вы читаете эти строки, ваше тело излучает фотоны в окружающую среду. Мы все ведем постоянный молчаливый «диалог», обмениваясь фотонами с другими людьми и предметами окружающей обстановки.

Однако на Земле имеется множество мест, где преобладающая температура гораздо выше температуры человеческого тела, поэтому излучение и теплопроводность только усилят перегрев. Во время первой войны в Заливе многие корабли пришли в Персидский залив по Ормузскому проливу. Стоял палящий зной в 47° С и высокая влажность. Жара под безоблачным небом и слепящим солнцем, отражающимся от воды, была невыносимой. Орудийный расчет, облаченный в огнезащитные капюшоны, перчатки и в бойцовские комбинезоны, выдерживал на верхней палубе только 10 минут. Гражданские, впрочем, страдают не меньше. Каждый год тысячи паломников устремляются в Мекку, где средняя температура составляет около 40° С. И многие не выдерживают такой жары.

Когда температура воздуха превышает температуру тела, единственным способом отдать тепло остается потоотделение. Принцип здесь тот же, что у глиняных сосудов для охлаждения вина, – превращение жидкости в пар требует большого количества тепла. При температуре тела на испарение одного миллилитра воды уходит около 2400 кал – примерно столько же требуется, чтобы нагреть такое же количество воды от точки замерзания до точки кипения{18}. Большая часть этого тепла выделяется самим телом, и поэтому потоотделение охлаждает кожу. Соответственно, охлаждается кровь, протекающая через кожные покровы, и, перемещаясь в процессе кровообращения к более теплым внутренним органам, помогает снизить температуру тела.

В нашем организме имеется около трех миллионов потовых желез, около половины которых расположены на груди и спине. Кроме того, значительное количество имеется на лбу и на ладонях. Отдельные поры довольно легко разглядеть, намазав кожу маслом для загара и посидев несколько минут под солнцем. Когда кожа нагреется, появятся крошечные капельки влаги, отмечающие устья потовых желез. Масляная пленка уменьшает испарение влаги, поэтому капельки становится легче разглядеть (а с помощью лупы еще проще).

Потоотделением управляет гормон адреналин, выбрасывающийся в кровь, когда повышается температура тела. Выброс адреналина происходит и во время стресса – именно поэтому у нас потеют от страха ладони и лоб. Старинная поговорка гласит: «Лошадь может взмокнуть, мужчина – вспотеть, а дама лишь нежно зардеться». В этом викторианском правиле есть, как ни странно, доля истины, поскольку женщины потеют вполовину меньше мужчин при одной и той же температуре. Кроме того, различия в потоотделении определяются и расовой принадлежностью: например, уроженцы Новой Гвинеи потеют меньше, чем нигерийцы или шведы.

Потоотделение может увеличить отдачу тепла почти в 20 раз, но при этом происходит значительная потеря жидкости – около 3 л в час. Однако такое интенсивное потоотделение не может длиться долго, поэтому человек, работающий весь день на жаре, теряет за это время около 10–12 л воды. В сухом воздухе пустыни пот может испаряться настолько быстро, что кожа кажется сухой, однако, если ненадолго накрыть предплечье ладонью, она быстро станет влажной. Даже если вы не ощущаете жары, испарительное охлаждение все равно будет происходить – со скоростью около 0,8 л воды в день.

Испарительное охлаждение крайне важно для спортсменов. Велосипедисты на изматывающей «Тур де Франс» могут непрерывно катить на подъем по 12 часов подряд. Однако в лабораторных условиях они, к своему удивлению и разочарованию, оказываются неспособны выдержать ту же нагрузку даже в течение часа. На дороге встречный ветер, создаваемый стремительным движением вперед, быстро сгоняет слой воздуха, соприкасающийся с кожей, значительно усиливая испарительное охлаждение, а на тренажере подобной конвекции не происходит, поэтому теплоотдача получается значительно меньше и велосипедист быстро выматывается. Однако если направить на спортсмена искусственный поток воздуха – например, от вентилятора, он сможет продержаться дольше. Внезапный спад испарительного охлаждения нередко ведет к несчастным случаям, когда велосипедист или бегун получает тепловой удар, перестав бежать или крутить педали. Не исключено, что резкое исчезновение воздушного потока, омывающего тело, настолько уменьшает отдачу тепла, что температура тела сразу же подскакивает. Возможно, именно отсюда одна из главных заповедей коневодов – лошадь после интенсивной нагрузки нужно поводить, ни в коем случае не давая стоять неподвижно.

В жаркий день, ополоснувшись в водоеме или под душем, мы выходим покрытые мелкими каплями воды, и они помогают нам охладиться, увеличивая испарительное охлаждение. К такому же способу прибегают и слоны, поливая себя и других водой. Однако некоторые представители австралийской фауны выработали более трудоемкий способ. Вместо потоотделения они тщательно вылизываются, предоставляя охлаждение тела испаряющейся слюне. Как несложно догадаться, способ этот не особенно эффективен, поэтому используется скорее от безысходности. Совсем другой подход применяет американский клювач, ежеминутно мочась себе на ноги и тем самым повышая испарительное охлаждение. Из менее экзотических животных можно вспомнить собак, которые вываливают из пасти мокрые языки для усиления теплоотдачи и учащенно дышат, чтобы охладить носовую полость и повысить испарительное охлаждение верхних дыхательных путей.

Люди могут вполне комфортно переносить температуру, превышающую температуру тела, при условии достаточной сухости воздуха. Если влажность окажется выше 75 %, пот будет струиться по коже, не испаряясь. В таких условиях испарение приводит только к обезвоживанию и охлаждающий эффект теряется. Именно поэтому нам так тяжело выносить влажную жару. Вот как описывал климат Вест-Индии и Ямайки губернатор Эллис: «Трудно назвать жизнью состояние, когда можешь лишь дышать и таскать обессилевшее тело, однако именно в таком состоянии мы пребываем обычно с середины июня до середины сентября». Австралийский поэт Лес Маррей выразился более красноречиво:

Прогорклые ночи заталкивают нас тухлыми, изъеденными солью лапами в липкую заскорузлость, где марево не отереть со лба… Плечо потеет от плеча. Чего ни коснись, все сочится и истекает – оно на тебя, ты на него, поглощая друг друга. Из бешено стучащих висков вырастают лианы бреда{19}.

Большинству людей сложно переносить температуру в 50° С при повышенной влажности, однако в сухой 90-градусной жаре человеку вполне комфортно (если, конечно, он находится там не слишком долго). Температура в бане всегда ниже, чем в сауне, хотя обе воспринимаются одинаково горячими. Отсюда следует, что потоотделение никак не влияет на теплоотдачу, если тело погружено в воду.

И это означает, что слишком долгое пребывание в глубокой ванне, где вода значительно горячее вашего тела, может быть смертельно опасно. В самых горячих японских онсенах, которые прогреваются до 46° С, даже самые стойкие не выдерживают больше трех минут. Для большинства людей предел – 43° С.

Впервые попадая в тропики, человек обычно сильно слабеет, однако некоторая акклиматизация все же происходит. Когда во время войны в Заливе солдат переправляли в Саудовскую Аравию из Северной Европы по воздуху, первые несколько дней они ходили вялые и раскисшие. Физическая нагрузка только истощала силы, что крайне нежелательно для армии. Однако где-то через неделю солдаты акклиматизировались, привыкая к жаре, и жизненные силы к ним возвращались. Акклиматизация происходит в первую очередь за счет значительного роста объемов потоотделения с одновременным обессоливанием выделяемого пота.

Держи голову в холоде

Антилопам приходится нелегко. Они живут в засушливых африканских саваннах, где почти нет тени, а единственный способ спастись от хищника – бежать быстрее, чем он. Однако при беге в огромных количествах вырабатывается тепло – иногда в 40 раз больше, чем в состоянии покоя. Следовательно, бегущая антилопа рискует получить тепловой удар.

Мозг млекопитающих, как уже отмечалось, особенно чувствителен к жару, и, когда внутренняя температура превышает допустимый предел, погибает первым. Таким образом, один из способов борьбы с чрезмерной жарой – не допускать перегрева мозга, позволяя перегреваться остальным участкам тела. Именно этим способом пользуются сернобыки и газели, выдерживающие температуру тела до 45° С. У этих животных имеется особый сосудистый теплообменник, известный как rete mirabile (дословно – «чудесная сеть»), с помощью которого охлаждается кровь, поступающая в мозг. Не доходя до мозга, сонная артерия разветвляется на сеть из сотен более мелких сосудов. Они смешиваются с такой же сетью мельчайших вен, несущих прохладную кровь обратно к сердцу от носоглотки. Теплые артерии отдают жар в прохладные вены, и температура крови, поступающей в мозг, уменьшается, поэтому, даже если температура тела антилопы поднимется на целых четыре градуса или более, температура мозга изменится едва ли на градус. Так несущаяся галопом газель сохраняет «холодную голову», распределяя излишек жара по остальному организму, пока не закончится бешеная гонка. Избыток жара уходит из тела ночью с использованием теплопроводности и конвекции, а значит, подобный способ позволяет к тому же удержать влагу, поскольку уменьшает потребность в потоотделении.

Размеры и формы

Размер тела имеет большое значение для терморегуляции. Подобно тому как большая глыба льда тает медленнее, чем расколотая на куски, поскольку отношение площади поверхности к объему получается меньше, так и крупное животное теряет тепло медленнее, чем мелкое. У крошечных созданий, например, землероек или колибри, теплоотдача происходит так стремительно, что ночью им не удается поддерживать стабильную температуру тела. Крупным животным, наоборот, при большой физической нагрузке в жарком климате грозит перегрев, поэтому погоня в африканской саванне – это всегда короткий спринтерский рывок.

Этнологи и археологи давно подметили, что пропорции человеческого тела связаны с температурой среды, в которой развивался тот или иной народ. Наше тело сформировано естественным отбором, поэтому народы, приспособленные к холодному климату, – например, инуиты Арктики, – коренастые и невысокие, с короткими конечностями и пальцами. Такое строение помогает сберечь тепло, обеспечивая низкое значение отношения площади поверхности к объему. Представители народов, развивавшихся в сухом и жарком климате, например, в саваннах Экваториальной Африки, обычно высокие и худощавые, с длинными конечностями. Такое строение наблюдается не только у современных масаи и самбуру, но и у больших человекообразных обезьян, проживавших в древности в этих же районах Восточной Африки. Согласно красочному описанию Алана Уокера и Пат Шипман, у «турканского мальчика» (самый полный из обнаруженных на сегодняшний день скелет Homo erectus) конечности еще длиннее, чем у живущих ныне африканцев. Высокий рост облегчает теплоотдачу, обеспечивая пропорциональное увеличение площади поверхности для потоотделения, а теплопроводность из глубинных тканей повышается благодаря сокращению количества подкожного жира. Таким образом, для жаркого климата предпочтительнее быть высоким и поджарым, особенно если вы охотник и за добычей вам приходится гнаться. У животных в ходе эволюции тоже выработались свои способы увеличить площадь поверхности для усиления теплоотдачи. По большей части именно этой цели служат огромные уши слона и длинные голые ноги птиц.

Поскольку в пустыне нередки периоды бескормицы, и люди, и животные приспособились, отъедаясь в урожайные времена, запасать жир «на черный день». Однако жир – хороший изолятор и, откладываясь под кожей ровным слоем, может сильно затруднить теплоотдачу. Поэтому обитатели пустыни сосредоточивают запасы жира в одном месте. Этой цели служит, например, верблюжий горб (вопреки распространенному заблуждению, это вовсе не бурдюк с водой). У южноафриканских готтентотов жир откладывается в основном в ягодицах (такое явление называется «стеатопигия»), а конечности остаются длинными и худыми для облегчения теплоотдачи. Стеатопигия встречается в избытке и у тучных европейцев, и североамериканцев, но в их случае (сытого населения нежаркой страны) адаптационной функции не несет.

Тепловой удар

В Соединенных Штатах каждый год от теплового удара гибнут около 250 человек, а в особенно неблагоприятные годы число смертей может превысить и 1500. В июле 1998 г. температура на Среднем Западе подскочила до 38° С и не спадала даже по ночам 24 дня подряд. Жара унесла 150 жизней. На следующий год во время такой же изнурительной, но чуть менее продолжительной жары, за одну ночь только в Чикаго умерли 50 человек. В таких экстремальных условиях человек может лечь в постель вполне бодрым, а проснуться серьезно больным либо не проснуться вовсе. Закрывая окна на ночь из страха перед грабителями, мы тем самым увеличиваем риск теплового удара. Самую серьезную группу риска составляют старики, поскольку они меньше потеют, поэтому в 1998 г. пожилым и малоимущим советовали искать днем спасения в кондиционированной прохладе торговых центров. Детей старались не выпускать на улицу, а уличных рабочих перевели на ночные смены.

В начале XX в. тепловой удар считался сродни солнечному. Бытовало мнение, что солнце испускает вредные «фотохимические» лучи, проникающие сквозь череп в мозг и вызывающие солнечный удар. Это убеждение породило моду на шлемы и спинные накладки для защиты от проникновения солнечных лучей. Некоторые даже ратовали за то, чтобы приделывать к шляпам от солнца тонкие металлические пластинки. Элспет Хаксли в своей «Крапчатой ящерице» (The Mottled Lizard) – воспоминаниях о жизни в Кении после Первой мировой войны, пишет, что путешественники надевали «спинные накладки из простеганной ткани со вставками красной материи, которые пристегивались пуговицами к рубахе. Солнце по-прежнему считалось сродни опасному дикому зверю, который уложит вас одним ударом, если не остерегаться его ежеминутно с девяти утра до четырех дня».

Еще более диковинную картину представляет описание приезда кузена Хилари. Кузен скрывался под многочисленными слоями защитной одежды, включавшей «огромный тропический шлем с прикрепленным к нему длинным фиолетовым шарфом, струящимся по спине. Под шарфом виднелась обширная спинная накладка из шкуры конгони, подбитая красной фланелью. Лицо скрывали большие черные очки, а над всем этим возвышался огромный полосатый зонт от солнца. Сжимая зонт, он перебежал на тенистую веранду и там принялся осторожно разоблачаться. «Гофрированная жесть с соломой, – изрек он. – Вот шаг в правильном направлении, однако между жестью и соломой необходим двойной слой битумизированного фетра. Ну вот, кажется, можно надеть шлем полегче».

Кузен заботился не только о себе. Вот как он наставляет свою кузину, мать Элспет: «Разве можно выходить на веранду без шляпы? А эта блузка – очаровательная, очень тебе идет, но ведь она совсем не защищает от фотохимических лучей! Нельзя быть такой легкомысленной, Тилли, ты же знаешь, солнце поражает спинномозговую жидкость и разрушает ганглии. Разве ты хочешь лишиться рассудка?»

Кузен Хилари был не одинок в своем страхе перед коварными фотохимическими лучами. Британским войскам в Индии предписывалось носить пробковые шлемы в течение дня, не снимая, и неисполнение наказывалось весьма сурово – две недели казарменного ареста.

Только в 1917 г. стало понятно, что тепловой удар – это нарушение терморегуляции, а вовсе не результат прямого воздействия тропического солнца. Однако распространенная к тому времени боязнь фотохимических лучей изгладилась не сразу – даже спустя десять лет, в 1927 г., к ним по-прежнему относились с опаской. Сегодня солнечный удар считают разновидностью теплового.

Распространенной причиной теплового удара в жарком климате является физическая нагрузка. В число опасных факторов входят также слабая физическая подготовка, недостаточное потребление жидкости при длительной нагрузке и резкий финишный рывок. В группу риска попадают, таким образом, бегуны-любители на марафонских дистанциях, поэтому перед организаторами соревнований нередко встает вопрос, не отменить ли гонку ввиду чересчур хорошей погоды. Однако профессиональные спортсмены тоже не избавлены от опасности. В июне 1999 г. свалился от обезвоживания и теплового удара теннисист Джим Курье, выиграв второй по продолжительности матч за всю историю Уимблдона, длившийся 4 ч 27 мин. Из сотен зрителей, пришедших посмотреть состязания, никто не пострадал, поскольку английское лето редко бывает жарким и день не был особенно теплым. Спортсмену стало плохо исключительно из-за повышения температуры тела, вызванного напряженной борьбой за победу.

Курье для восстановления понадобились только капельницы и отдых. Кинозвезде Мартину Лоренсу повезло меньше – он три дня пролежал в реанимации в коме, вызванной тепловым ударом. Пытаясь сбросить вес для будущей роли, актер занимался бегом при температуре 38° С, закутавшись в несколько слоев одежды. Летняя лос-анджелесская жара взяла свое, и Лоренс свалился на пороге своего дома с температурой тела в 42° С. Ему очень повезло, что он выжил.

Особенно велик риск теплового удара, когда отсутствует испарительное охлаждение. Жаркая и влажная среда не просто неприятна, она еще и опасна. Кроме того, испарению пота может препятствовать одежда. Современные «дышащие» материалы, используемые для защиты от воды, пропускают испарения кожи, поэтому куда более удобны в походах, чем прежние резиновые плащи и дождевики. Непроницаемая одежда в сочетании с интенсивной физической нагрузкой крайне опасна. Так, во время марш-броска по пересеченной местности умер от перегрева молодой британский солдат, одетый в гидрокостюм. Одежда препятствовала потере влаги, поэтому весь пот собирался внутри костюма, серьезно ограничивая теплоотдачу через потоотделение. Однако военный, стремясь доказать свою выносливость, упорно бежал дальше, что и привело к трагическому исходу.

При сидячем образе жизни причиной теплового удара обычно тоже становится затрудненное потоотделение. Особенно подвержены риску теплового удара страдающие кистозным фиброзом. Хотя характерные для Великобритании температуры они переносят без труда, в тропическом климате их могут ждать неприятности. Такое случается, например, когда больные фиброзом дети попадают во флоридский Диснейленд. Как ни парадоксально, именно повышенная подверженность больных фиброзом риску теплового удара помогла подобрать ключ к этому заболеванию. Во время нью-йоркской жары 1951 г. педиатр Поль ди Сант-Агнезе заметил, что многие дети, поступающие в больницу с тепловым ударом, страдают также от кистозного фиброза. Осознавая важность этого наблюдения, он сделал анализ их пота и обнаружил в нем повышенное содержание соли. Это открытие легло в основу потового анализа, который до сих пор служит одним из элементов диагностики кистозного фиброза. Теперь нам известно, что в основе заболевания лежит генная мутация мембранного белка, участвующего в транспортировке хлорид-ионов из клеток организма. Пот состоит из слабого раствора хлорида натрия (обычной поваренной соли), поэтому невозможность выделять хлорид затрудняет приток воды в потовую железу и препятствует образованию пота.

Даже у обычных людей продолжительное пребывание в жарком климате может вызвать затруднения с выработкой пота. Обычно этому предшествует воспаление потовых желез, известное как потница. Потница характеризуется образованием зудящей красной сыпи – «мелких пупырышков, покрывающих каждый сантиметр тела, так что между ними даже булавка не поместится». Потница поражает каждого третьего из оказывающихся в жарком климате, а также горняков и кочегаров. Во времена британского владычества в Индии колонисты ужасно страдали от потницы, когда наступал сезон жары. Вот что писал один из очевидцев:

«Сперва человек слегка почесывается за игрой в карты. К концу вечера он уже носится как ужаленный, раздирая себя в клочья в попытках унять зуд. Я видел пару человек, которые в буквальном смысле расчесывали кожу на груди до лохмотьев».

Хотя воспаление в конце концов проходит, потовые железы могут перестать функционировать, и тогда человек может стать жертвой теплового удара. К счастью, после возвращения в прохладный регион состояние его нормализуется.

Перегрев могут вызывать некоторые наркотики, самый печально известный из которых – «экстази»{20}, который часто принимают на рейв-дискотеках, чтобы «заторчать» либо протанцевать подольше. В сочетании с физической активностью этот препарат может вызвать потенциально смертельный скачок температуры тела. Проблема перегрева под «экстази» настолько известна и распространена, что в некоторых клубах выделяется специальная зона «охлаждения» – «чилаут».

Тепловой удар наступает, когда нарушается отработанная система терморегуляции организма и внутренняя температура повышается до 41° С и более. Развиваться он может стремительно. Первые тревожные признаки – пылающее лицо, горячая сухая кожа, головная боль, головокружение, упадок сил и повышенная раздражительность. Далее наступает спутанность сознания и потеря координации. Несмотря на повышенную температуру, потоотделение прекращается, поэтому температура может расти и дальше. После 42° С наступает смерть.

До трясучки

Примерно у одного человека из двадцати тысяч выявляется редкое генетическое заболевание под названием «злокачественная гипертермия». Под действием обычного анестезирующего средства, например, галотана, стремительно поднимается температура тела – иногда на один градус за пять минут. Происходит это потому, что анестезия вызывает спонтанное сокращение скелетных мышц, то есть, проще говоря, человек начинает дрожать, от чего повышается температура. Это заболевание – настоящий кошмар анестезиологов, поскольку, если быстро не остановить процесс, исход может быть смертельным.

Сокращение мышц вызывается повышением внутриклеточной концентрации ионов кальция, активирующих сократительный белок. В обычном состоянии кальций заперт в специальной камере мышечной клетки и высвобождается только в ответ на нервный импульс. Однако у больных злокачественной гипертермией имеется дефект в белковой поре, контролирующей выброс ионов кальция из внутриклеточного хранилища, поэтому анестетик открывает шлюзы этой поры, выпуская кальций в клетку и вызывая сокращение мышц. Физиолог Ширли Брайант первой предложила использовать препарат дантролен, блокирующий высвобождение кальция, для борьбы со злокачественной гипертермией, и сегодня этот препарат держат на случай возникновения подобной опасности во всех операционных мира.

Злокачественная гипертермия бывает не только у человека. Она наблюдается также и у свиней, но известна под другим названием – «синдром стресса», поскольку, в отличие от человеческого заболевания, может быть вызвана стрессом. Физическая нагрузка, совокупление, роды, перевозка на рынок и даже условия содержания – все может спровоцировать смертельный скачок температуры. Это необходимо учитывать и с экономической точки зрения, поскольку у погибших от такого приступа свиней мясо становится жестким и непригодным для продажи. До недавнего времени синдром стресса у свиней был широко распространен в Британии, поскольку свиней специально разводили на постное мясо – именно эта характеристика и оказалась связанной со злокачественной гипертермией. У свиней с синдромом стресса наблюдается подпороговая мышечная активность (как будто животное непрерывно проделывает изометрические упражнения), от которой развиваются мышцы и мясо не обрастает жиром.

Свиньи послужили отличным материалом для изучения человеческого заболевания. В 1991 г. был установлен ген, отвечающий за синдром стресса, и оказалось, что именно он кодирует пору, отвечающую за выброс кальция в мышце, и именно мутации в этом белке приводили к сокращению мышц свиньи под воздействием галотана. У всех свиней с синдромом стресса наблюдается одна и та же мутация в данном гене, свидетельствующая, что все они потомки одной особи, у которой когда-то, в незапамятные времена спонтанно произошла такая мутация. Сейчас этот ген у британских свиней элиминируют в процессе селекции, выявляя особей-носителей с помощью простого теста. Молодым свиньям дают понюхать трехпроцентный галотан, и у носителей гена развивается кратковременная мышечная ригидность (которая затем проходит). Таких свиней выбраковывают.

После клонирования свиного гена было уже относительно несложно добыть сходный человеческий и доказать, что именно он вызывает злокачественную гипертермию. Поэтому теперь при подозрении на это заболевание человек тоже может пройти тест.

Тепловой удар – это неотложное состояние, требующее немедленного вмешательства. Без медицинской помощи человек умирает от повреждений мозга, вызванных повышенной температурой, но даже у получивших врачебную помощь уровень смертности от теплового удара составляет свыше 30 %. Лучший способ обеспечить охлаждение пострадавшему – обмыть его теплой водой. Испарительное охлаждение снизит поверхностную температуру куда эффективнее, чем погружение в холодную ванну, которая вызывает общее сокращение сосудов и отток крови от поверхности кожи, препятствуя теплоотдаче. В самых крайних случаях можно прикладывать лед туда, где под кожей расположены крупные кровеносные сосуды, – на шее, под мышками и в паху.

Лихорадка

В норме термостат гипоталамуса у человека установлен на 37° С, однако при лихорадке он может переключиться на два-три градуса выше, и температура с той же чувствительностью будет регулироваться по новой отметке. Переключение термостата вызывают синтезируемые в мозге химические медиаторы под названием простагландины, вырабатываемые в результате реакции на бактерии или на выделяемые ими пирогенные вещества. Действие аспирина как жаропонижающего основано на блокировании синтеза простагландина.

Споры о том, несет ли лихорадка какую-либо полезную функцию при болезни, не утихают столетиями. Согласно одной из точек зрения, выдвинутой Томасом Сиденхемом в XVII в., «жар – это мощный двигатель, которым природа вооружает мир для победы над врагом». Говоря современным языком, лихорадка – это естественное оружие борьбы организма с инфекцией, действующее за счет того, что некоторые бактерии более чувствительны к повышению температуры, чем наши клетки. Альтернативная гипотеза утверждает, что жар – это просто симптоматическое проявление, свидетельствующее о серьезности инфекции, и, мало того что не обладает терапевтическими свойствами, может, наоборот, снизить способность больного бороться с заражением. Споры эти выходят за рамки академического интереса, поскольку главный обсуждаемый вопрос – следует ли сбивать температуру больного до нормальной.

Вопрос этот еще не решен окончательно, и доказательства имеются в пользу обеих версий. Однако большинство придерживается мнения, что подъем температуры на один-два градуса не опасен, и взрослым может даже помочь{21}. В пользу этой версии говорит тот факт, что коэффициент выживаемости у ящериц, страдающих от бактериальной инфекции, в теплой среде существенно повышается по сравнению с холодной. Поскольку температура тела ящерицы уравнивается с температурой окружающей среды, повышенная температура тела в таком случае повышает и сопротивляемость инфекции. И действительно, до изобретения антибиотиков пирогенную (лихорадочную) терапию успешно использовали для лечения гонореи и сифилиса. Искусственную лихорадку вызывали несколькими способами, самым страшным из которых было инфицирование малярийными плазмодиями, которых затем убивали с помощью хинина. Если человек выживал после подобной пытки, то есть сифилитическая бактерия погибала прежде своего носителя, то человек излечивался. Весьма оригинальный способ «испытания огнем», надо сказать.

Жизнь без воды

Если ключом к выживанию на холоде становится пища, то в жарком климате возможность выжить определяет вода. Способность охлаждаться за счет обильного потоотделения напрямую зависит от доступа к воде, а в пустыне основную трудность представляет не жара, а сухость. Без пищи человек может протянуть довольно долго, но без воды конец наступит очень скоро. При голодовке, например, протестующие никогда не отказываются от воды, поскольку в противном случае поражение будет настолько быстрым, что они попросту не успеют донести свои требования и повлиять на общественное мнение.

Если запасы отданной с потом влаги не пополняются за счет питья, наступает обезвоживание. Начинают вырабатываться гормоны, которые отвечают сразу и за накопление воды (путем уменьшения количества влаги, выходящей с мочой), и за рост потребления воды (путем вызывания жажды). Если потеря влаги продолжается, лицо становится осунувшимся, глаза вваливаются. Кроме того, начинается потеря веса – этим успешно пользуются боксеры и жокеи, находящиеся на границе желаемой весовой категории. Они идут в сауну и «выпаривают» лишние фунты. Для большинства людей потеря 3–4 % объема воды практически неощутима. При потере 5–8 % чувствуется слабость и головокружение, потеря свыше 10 % приводит к физическим и умственным расстройствам, сопровождающимся сильной жаждой. Потеря более 15–25 % от веса тела – смертельна.

В отличие от человека, который гибнет, утратив более 15 % от запасов воды в организме, верблюд спокойно переносит потерю до 25 % объема воды – именно поэтому он может неделю жить без еды и питья. Одна из причин такой поразительной выносливости состоит в том, что организм верблюда, несмотря на значительную потерю влаги, способен сохранять объем крови почти неизменным. Даже при утрате четверти объема воды объем крови сокращается менее чем на одну десятую. У человека же объем крови уменьшается примерно на треть, тем самым повышая вязкость крови. Сгустившаяся кровь хуже циркулирует, ее сложнее перекачивать, поэтому через кожу уходит меньше тепла и внутренняя температура организма начинает зашкаливать. Кроме того, увеличивается риск остановки сердца. Нехватка воды не только приводит к уменьшению объемов крови и внеклеточной жидкости, но и вызывает высасывание влаги из клеток, в результате чего они съеживаются, повреждая мембранные белки.

Смерть от обезвоживания мучительна, поскольку человека постоянно терзает жгучая жажда. Нам об этом известно от нескольких героев, сумевших, превозмогая муки, увековечить свои ощущения для человечества. Одним из них был Антонио Витерби, судья-адвокат времен Первой французской республики, при Реставрации приговоренный судом Бастии (на Корсике) к смерти за свои политические убеждения. Чтобы избежать позора виселицы, он пытался уйти из жизни самостоятельно, отказавшись от еды и питья. На осуществление задуманного потребовалось 17 мучительных дней и невероятная сила воли. Судя по его дневниковым записям, голод одолел его лишь через несколько суток, однако невыносимая жажда не отпускала ни на миг.

Если нехватка воды сопровождается сильной жарой, обезвоживание и смерть наступают гораздо раньше, чем в случае с Витерби, – почти половина жертв погибает в первые 36 часов. Рассказов о путешественниках, терпящих смертельную, или почти смертельную, нехватку воды в пустыне, бесчисленное множество. Вот, например, свидетельство одного опытного путешественника: «В этом иссушающем зное запасы влаги в организме должны постоянно пополняться, поскольку влага так же необходима для жизни, как воздух. Чувствуешь себя словно под выжигательной лупой. Горло пересыхает и будто сжимается. Глаза жжет, словно сидишь перед пылающим костром. Язык и губы пухнут, трескаются и чернеют».

Один из самых знаменитых и самых необычных примеров выживания в пустыне – это история мексиканца Пабло Валенсиа, заблудившегося в горах на юго-западе Аризоны летом 1905 г. Семь суток он продержался без воды при температурах от 30° С (ночью) до 35° С (днем). Нашли его раздетым догола и почерневшим от загара. Прежде мускулистые руки и ноги ссохлись и съежились, «губы пропали вовсе, будто ампутированные, оставив тонкие кромки почерневшей ткани… глаза смотрели не мигая… слышал он только самые громкие звуки и почти ослеп, отличая теперь только свет от тьмы». Кроме того, он не мог ни говорить, ни глотать – так сильно ссохлась глотка. Тем не менее Пабло повезло, поскольку он избежал бредового состояния и припадков (напоминающих эпилептические), случающихся у жертв крайнего обезвоживания и приближающих их гибель. Он сумел, превозмогая себя, доковылять до знакомых ориентиров. По сути, он свалился уже почти на подходе к лагерю. Спасатели погрузили его в водоем и по капле вливали воду и разведенное виски в иссохшие губы. Где-то через час он смог глотать, через день – говорить, на третий день вернулись зрение и слух, а через неделю он снова был бодр и здоров, набрав восемь килограммов веса.

Однако не все обладают таким железным здоровьем и выносливостью, как Пабло Валенсиа, поэтому смерть от теплового удара и обезвоживания может наступить гораздо быстрее. Лоуэлл и Диана Линдси вспоминают, как один опытный путешественник, пересекая знойным днем на мотоцикле пустыню Анса, почувствовал, что теряет сознание, и послал товарищей вперед за помощью. Оставшись один, он впал в беспамятство от обезвоживания и, вопреки изначальному намерению сидеть и дожидаться подмоги, поехал вслед за своими спутниками вдоль сухого русла с судьбоносным названием Arroya Seco del Diabilo (Сухой ручей дьявола). Четыре часа спустя его тело обнаружил объездчик. К сожалению, такие истории по-прежнему нередки не только в отдаленных уголках планеты – поломка машины на безлюдной дороге, потеря тропы в однодневном походе тоже могут обернуться трагедией, если закончится вода.

При большой физической нагрузке мы теряем больше жидкости, чем потребляем. Мы просто не способны выпить необходимое для предотвращения обезвоживания количество, поэтому слабость от нехватки влаги не обязательно сопровождается неутолимой жаждой{22}. Только отдохнув и поев, можно выпить достаточно, чтобы восполнить выпарившееся с потом. Поэтому, подвергая себя физической нагрузке в жарком климате, необходимо пить даже не чувствуя жажды. Однако если запас воды ограничен, лучше снизить нагрузку и посидеть в тени. От физической деятельности станет только жарче, поэтому передвигаться лучше ночью, в прохладе. Не пытайтесь экономить воду. Если вы чувствуете жажду, пить необходимо, поэтому одно из главных правил пустыни – «храни воду в теле, а не во фляге». Верблюды освоили этот принцип в совершенстве. Достигнув водоема, верблюд может выпить разом до 120 литров воды за десять минут. Обезвоженный человек, в отличие от верблюда, должен, несмотря на дикую жажду, пить понемногу, поскольку после длительного воздержания большой объем выпитой жидкости не вызовет ничего, кроме рвоты.

Обитателям пустыни приходится использовать по максимуму каждую выпитую каплю, и достигается это подчас самыми немыслимыми способами. Пустынные жуки собирают конденсированную влагу, выстраиваясь в ряд на гребне песчаной дюны и подставляя спину прохладному утреннему дуновению. Грудные перья у самцов рябка впитывают влагу, как губка, поэтому, вволю напившись, птицы погружают грудку в воду, насыщая перья влагой, прежде чем лететь обратно к птенцам. Это позволяет рябкам гнездиться в пустынной глуши, за многие мили от воды. Водоносные жабы из австралийского буша в благодатные времена запасают воду в мочевом пузыре и строят подземные водонепроницаемые камеры, где можно спокойно прожить несколько лет, когда наступит засуха. Аборигены в случае необходимости пользуются такими камерами как бесценным источником влаги.

У млекопитающих тоже есть способы уменьшить потерю жидкости. У кенгуровой крысы в носовых пазухах имеется специальный «теплообменник», где происходит охлаждение выдыхаемого воздуха ниже температуры тела, и в носовом проходе собирается конденсат. Таким образом снижается потеря влаги через испарение. К похожему способу прибегают некоторые птицы. Люди такой способностью не обладают, поэтому потеря влаги через дыхательные поверхности происходит непрерывно (очень много воды уходит через легкие).

При метаболизме образуются побочные продукты (например, мочевина), для удаления которых требуется вода. Сильно концентрированную мочу люди производить не способны, в отличие от некоторых живущих в пустыне животных. Многие из них за всю свою жизнь могут ни разу не выпить воды, извлекая влагу из потребляемой пищи. Сильно развитые почки этих животных производят высококонцентрированную мочу, для удаления которой из организма требуется всего четверть от объема воды, необходимой человеческим почкам для удаления того же количества мочевины. Птицы пошли еще дальше. Они выделяют мочевую кислоту, почти не требующую воды для выведения из организма. Этот жидкий или полужидкий белый помет знаком каждому, кто хоть раз приближался к колонии чаек или стае голубей.

Океан в этом отношении тоже пустыня, поскольку, как известно, морскую воду пить невозможно. Содержание соли в морской воде превышает объем, который способны вывести почки, поэтому питье соленой воды только усилит обезвоживание. Если вы окажетесь на спасательном плоту под палящим солнцем посреди океана, вам останется только поливать себя морской водой, чтобы увеличить испарительное охлаждение. Таким образом вы сбережете влагу, уменьшая образование пота. По тем же причинам, когда Джон Фэрфакс в 1969 г. в одиночку пересекал Атлантический океан на весельной лодке, он отсыпался во время дневной жары, а греб ночью под звездами, когда наступала прохлада.

Соль земли

Пот содержит значительное количество соли. Чем больше вы потеете, тем больше соли будет уходить из организма, и в жарком климате потери получаются весьма ощутимыми – до 12 г в день, то есть почти три чайные ложки. Организм справляется с этим, выделяя гормон, стимулирующий откладывание соли в почках, чтобы меньше уходило с мочой. Он же усиливает тягу к соленому, чтобы мы потребляли больше соли с пищей.

Мой дед работал мастером на заводе, выпускающем локомотивные колеса. Расплавленная сталь текла из гигантских печей в огромные открытые котлы, в которых раскаленный добела металл перевозили в другой цех и переливали в формы. В этом пекле рабочие постоянно обливались потом, теряя воду и соль. Маму всегда поражала любовь ее отца к соленым сэндвичам, для ребенка совершенно необъяснимая, но с точки зрения физиологии как раз понятная. Раз соль уходит с потом, ее запасы надо пополнять, отсюда и пищевые привычки.

Нехватка соли приводит к болезненным мышечным спазмам рук и ног, которые называют в народе «спазм кочегара», поскольку боли эти часто встречались у кочегаров машинного отделения, закидывающих уголь в корабельную топку. Однако они нередки и у представителей других профессий, вынужденных работать в «горячих» условиях, – у спортсменов, тренирующихся в жарком климате, или у шахтеров. Спазмы эти возникают только при нехватке соли в сочетании с большой физической нагрузкой. У человека, ведущего менее подвижный образ жизни, нехватка соли приводит к вялости, сонливости, головным болям и тошноте. Способ борьбы – потреблять больше соли. Это один из немногих случаев, когда врачи рекомендуют увеличить ее потребление.

Жаркая колыбель человечества

Ключ к выживанию в жарком климате – потоотделение. Запасшись водой (и солью), чтобы восполнять потери, человек может выдержать достаточно сильный сухой жар – пустыня опасна прежде всего не жарой, а недостатком воды и тени. Однако, если к жаре добавляется еще и высокая влажность, испарительное охлаждение становится невозможным и серьезно возрастает угроза теплового удара. Физиологически человек хуже приспособлен к подобным условиям, поэтому выживание во влажной жаре зависит от сочетания двух факторов: умения адаптировать свое поведение к условиям среды и использования плодов технического прогресса (например, кондиционеров). И наоборот, к сухому жару мы приспособлены довольно неплохо благодаря большому количеству потовых желез (которые делают нас почти рекордсменами по потоотделению среди млекопитающих), безволосому телу и сравнительно длинным худым конечностям. Из этого следует, что человек, скорее всего, развивался в жарком климате, где основной задачей было отдавать тепло, а не сберегать. Таким образом, ископаемые свидетельства того, что род Homo sapiens появился в жарких африканских саваннах, обретают физиологическое подтверждение.

Блюз холодной воды

Пасха выдалась холодной. После недельной прогулки под парусом вокруг Внутренних Гебрид мы, благополучно пришвартовавшись в Данстаффнейджской бухте вблизи Обана, готовились сойти на берег. Как раз вовремя, поскольку надвигалась непогода. Над нами клубились тяжелые серые облака, и волны приобретали свинцовую окраску. Ветер завывал в снастях и трепал полы одежды. Взбив море в пену, он сдувал барашки с гребней волн и окутывал нас тонким ледяным туманом. Он бил яхте в скулу, разворачивая ее и натягивая якорную цепь. Кроме того, шел отлив, и яхта дергалась, подбрасываемая то волнами, то ветром. Я топталась на носовой палубе, собирая наши вещи. Услышав какой-то непонятный звук, я подняла голову и увидела небольшую весельную лодку, плывущую к яхте у соседнего причала. На веслах сидел мужчина средних лет, который отчаянно сражался с ветром и отливом. Когда он добрался до причала, оба судна, большое и маленькое, заплясали на волнах в замысловатом танце, и гребцу никак не удавалось развернуть лодку вдоль борта яхты. Он попытался ухватиться за якорную цепь, но промахнулся. Промах оказался роковым, потому что легкая стеклопластиковая лодка тут же накренилась и плавно слила гребца за борт, будто сырой желток из яичной скорлупы. Сама лодка, черпнув воды, тут же пошла ко дну, а человека подхватило приливной волной и понесло в открытое море.

Тим, мой спутник, среагировал быстрее меня. Крикнув, чтобы я привязала к брашпилю веревку и бросила ему конец, он прыгнул в надувную шлюпку, прицепленную у нас за кормой и, изо всех сил работая веслами, погреб к удаляющейся фигуре. Плыл он, казалось, целую вечность, хотя на самом деле прошло, наверное, всего несколько минут. Однако когда он подоспел, пострадавший едва держался на воде, зуб на зуб у него не попадал, руки не слушались. Без спасательного жилета его постоянно захлестывало волнами, поэтому, обессиленного и растерявшегося, его пришлось затаскивать в лодку, будто куль картошки (к тому же насквозь промокший). Отлив тащил лодку прочь из бухты, до отказа натягивая трос, которым я пыталась управлять. Свисающий через борт в полубессознательном состоянии утопающий грозил перевернуть своим весом резиновую шлюпку, прыгающую на натянутом канате. Прошло немало минут, прежде чем Тиму удалось втянуть пострадавшего в шлюпку, – и еще больше времени понадобилось, чтобы отогреть его (и его спасителя). Однако ему повезло. В холодной воде можно погибнуть мгновенно, кроме нас у берега никого не было, и отлив шел мощный. Окажись он за пределами бухты в открытом море, шансы на спасение были бы ничтожно малы.

Уже поздно вечером, переживая заново события этого дня, я вспомнила своего дедушку Уолтера Блэкберна. Если бы в свое время он еще более чудесным образом не спасся из холодных вод, я бы так и не появилась на свет.

В начале Первой мировой, то есть в 1914 г., Уолтеру было двадцать три. Молодой идеалист, жаждавший послужить родине и не представлявший, что ждет его в окопах, он записался добровольцем в числе первых. Его приписали санитаром к Королевскому медицинскому корпусу, и там он быстро познакомился с суровыми военными буднями. Когда он ассистировал на первой своей операции в тесной брезентовой палатке изможденному военному хирургу, тот кинул ему ампутированную ногу с указанием: «Это выбросить». Молодой санитар от ужаса упал в обморок.

Через несколько месяцев военной службы Уолтер выбыл из строя после ранения в колено. Хуже того, в рану попала инфекция. В те дни, до появления антибиотиков, лечения для таких ран не существовало, поэтому остановить сепсис было нечем. В тяжелом состоянии Уолтера отправили в Англию. Корабль, который вез его через Ла-Манш, был настолько перегружен ранеными, что места внутри всем не хватало, и самых безнадежных, включая Уолтера, уложили на холодной палубе, под дождем и ветром. Несмотря на то что корабль двигался под прикрытием темноты, в него попала торпеда, и он пошел ко дну. Когда палуба накренилась, мой дед, привязанный к носилкам и находившийся в лихорадочном полубреду, плавно соскользнул в море. Однако носилки, сделанные из дерева и парусины, не утонули. Неизвестно, сколько Уолтер пробыл в холодной воде, прежде чем его спасли, но очевидно, не один час.

Выжить ему, вероятнее всего, помогли несколько факторов. Во-первых, привязанный ремнями к носилкам по рукам и ногам, он не мог двигаться, что снижало теплоотдачу, поскольку тонкий слой прилегающей к телу воды не перемешивался судорожными движениями. Во-вторых, он был крупным мужчиной с достаточным изолирующим слоем подкожного жира. И в-третьих, из-за лихорадки скорость обменных процессов и соответственно теплопродукции оказалась повышенной. Как бы то ни было, деду повезло, поскольку многие, включая вполне дееспособных, погибли в ту ночь от переохлаждения.

У мамы на память об этом суровом испытании остался необычный сувенир. Лежа в воде в полубеспамятстве, Уолтер увидел плавающий рядом голубой платок. Он уверил себя, что выживет, если удержит в руке этот кусок голубого шелка, и когда его вытащили, потрепанный голубой талисман был крепко-накрепко зажат у него в кулаке.

4. Жизнь в холоде

Вот пал туман на океан,

О, чудо! – жжет вода!

Плывут, горя, как изумруд,

Сверкая, глыбы льда.

Сэмюэл Тейлор Колридж. Сказание о Старом Мореходе[6]

Холод подстерегает нас на больших высотах, на полюсах и в океанских глубинах. Половина суши и одна десятая Мирового океана, по крайней мере какую-то часть года, покрыты снегом и льдом. Зима превращает пейзаж в царство неземной красоты, однако наш организм плохо приспособлен к холоду, и красота может оказаться губительной. Большинство живых существ, включая человека, страшатся холода и морозов, поэтому неудивительно, что Данте, создавая свой «Ад», поместил перед огненными кругами ледяные.

Самая холодная температура на Земле (–89° С) была зафиксирована 21 июля 1983 г. на советской научно-исследовательской станции «Восток», расположенной на антарктическом ледяном куполе. Однако по сравнению с другими планетами у нас, можно сказать, еще тепло – температура поверхности Плутона составляет –220° С. Сильные морозы, хоть и не такие суровые, как в Антарктиде, встречаются в Арктике, в горных районах и других местах обитания человека. Например, в Сибири столбик термометра зимой часто опускается ниже –60° С. Британии повезло больше. В Бремаре, который считается у нас самым холодным, рекордом мороза стали жалкие –27° С.

На каждые сто метров подъема в гору температура понижается на 1° С, поэтому горные вершины всегда покрыты снегом и льдом, оспаривая у полярных широт звание самых холодных мест на Земле. На вершине Эвереста к обычным –40° С добавляется пронизывающий ледяной ветер, который еще более усиливает ощущение мороза. В океанских глубинах гораздо теплее, чем на суше. В большей части океанской толщи поддерживается хоть и невысокая, но постоянная температура в 2° С, хотя на поверхности антарктических вод она может достигать и –2° С, поскольку большая концентрация растворенных солей понижает точку замерзания.

Борьба с холодом

Каждый год миллионы людей по всему миру попадают в погодные условия, грозящие обморожением. Человек может выдерживать достаточно сильный холод – если будет тепло одет, хорошо накормлен и обеспечен надежным убежищем. Поэтому в мирные времена холод обычно не несет тяжких последствий, кроме тех случаев, когда человек оказывается жертвой стихийного бедствия – например, лавины или землетрясения. Пострадать от холода могут оказавшиеся вдруг без еды и убежища полярники, альпинисты и лыжники, а также те, кто намеренно или случайно погружается в холодную воду. Однако в общем и целом в мирное время холод не особенно опасен.

Другое дело война. Мороз нередко влиял на исход военных кампаний. Из 90 000 пехотинцев, 12 000 кавалеристов и 40 знаменитых боевых слонов, которых Ганнибал в 218 г. до н. э. повел через Альпы, Северной Италии достигла едва ли половина. Остальные погибли от холода в пути. В 1812 г. Наполеон с полумиллионной армией пошел на Москву. Однако разоренные отступающими русскими войсками деревни не смогли обеспечить пищей такое количество захватчиков, и тысячи погибли от голода. «Генерал Мороз», традиционный союзник русских войск, довершил дело. Температура упала до –40 ° С, злая метель сбивала с ног, французская армия замерзала в снегах, и холод унес еще не одну тысячу жизней. Из полумиллиона вернулось менее 20 000. Как сказал один из выживших, «армия задохнулась под необъятным снежным покровом». Гитлер, которому печальный урок Наполеона не пошел впрок, тоже потерял суровой русской зимой не одну тысячу солдат. В ноябре и декабре 1941 г. 10 % немецкой армии (около 100 000 человек) получили серьезные обморожения, потребовавшие 15 000 ампутаций. Немалый урон нанес холод и в американской войне между Севером и Югом, в Первой мировой, в Корейской войне и Фолклендской кампании.

Сильно страдают от холода беженцы, лишаясь сразу и крова, и пищи. Ледяной дождь, обрушившийся на тысячи албанцев, бежавших весной 1999 г. из Косова, унес жизни многих пожилых людей и детей, вынужденных ночевать под открытым небом.

Как учат нас горькие уроки войн и полярных экспедиций, голод и гипотермия часто неотделимы друг от друга. Наше тело способно вырабатывать необходимое для обогрева количество тепла только при достаточном питании, а на холоде потребность в калориях резко возрастает. В 1991 г. сэр Ранульф Файнс и доктор Майк Страуд совершили пеший переход через Антарктиду, таща всю провизию с собой на санях. Изначально Страуд (врач и физиолог) составлял рацион из расчета 6500 кал в день. Однако в таком случае поклажа получалась неподъемной, поэтому путешественники решили снизить норму до 5500 кал и смириться с неизбежной потерей веса. Но даже в этом случае им пришлось тянуть по 220 кг каждому{23}. Переход оказался куда более напряженным, чем предполагалось, поскольку на сильном морозе сани с трудом ехали по иззубренному льду. Сани и коньки скользят на тонкой водяной пленке, образующейся из-за таяния льда под давлением груза, но мороз, в который попали Файнс и Страуд, был настолько суровым, что лед под лыжами и полозьями не таял, и сани скребли, как по песку. Продвижение затрудняли свирепый ветер и пурга. Южного полюса путешественники достигли сильно истощенными, больными и голодными, потеряв более 20 кг каждый (т. е. затраты энергии составляли около 7000 кал в день). Страуд подсчитал, что за какой-то день он потратил ошеломляющее количество энергии – 11 650 кал, установив рекорд когда-либо учтенных у человека энергозатрат. Однако большинство из нас ведет настолько малоподвижный образ жизни, что обычной нормы в 2500 кал для мужчины и 2000 для женщины хватает с избытком.

Какой холод способен выдержать человек?

Максимальный холод, который способен вынести человек, зависит от времени и степени воздействия. Это значит, что, в отличие от прочих экстремальных условий, описанных в этой книге, четкую цифру назвать нелегко. Обнаженный человек начинает замерзать, когда температура окружающей среды падает ниже 25° С. Если он не попытается как-то исправить положение (не оденется, например, или не включит обогрев), то в ход пойдут физиологические реакции. Эти реакции позволяют упитанному взрослому человеку поддерживать внутреннюю температуру при температуре окружающей среды (в условиях штиля) между 0° и +5° С даже в легкой одежде. На более сильном холоде, а также когда теплоотдача повышается из-за ветра, дождя или погружения в холодную воду, температура тела начнет падать, вызывая переохлаждение. Однако, закутавшись потеплее, можно выдержать даже суровый мороз. Тем не менее охлаждения конечностей до температуры ниже –0,5° С (при которой замерзают ткани организма) допускать нельзя.

Широко известно, что ветер усиливает ощущение холода. Коэффициент охлаждения ветром (или «ветро-холодовый индекс») ввел американский исследователь Пол Сайпл, чтобы описать увеличение теплоотдачи под воздействием ветра (ветер сдувает поверхностный слой теплого воздуха, замещая его холодным). Побывав в 1941 г. в Антарктиде, он вместе с Чарльзом Пасселом провел серию простых, но изобретательных экспериментов, сравнивая время, за которое заполненные водой банки из-под печеной фасоли замерзали при разной температуре в неподвижном воздухе и под сильным ветром. Обнаружив существенные различия в скорости замерзания, они вывели формулу, позволяющую оценить охлаждающую силу ветра в цифрах «ветро-холодового индекса».

При безветрии и морозе в –29° С для человека, одетого соответственно погоде, опасности нет. Однако стоит подняться ветру хотя бы в 4–5 м / с, и температура упадет, по ощущениям, до –44° С, при которых кожа замерзает за одну-две минуты. Если ветер усилится до 6–7 м / с, эквивалентная температура составит –66° С. Это уже по-настоящему опасно, поскольку при таком морозе в течение 30 секунд замерзают ткани. С учетом ветро-холодового индекса даже при нулевой температуре человек может отморозить конечности. Однако не стоит излишне драматизировать полученные с помощью широко распространенной ныне формулы Сайпла данные применительно к человеку – ведь в ветреную погоду мы и одеваемся теплее, и только незащищенным участкам тела грозит участь консервных банок из-под фасоли.

Не замерзнуть на морозе коже помогает активно подгоняемая к ней горячая кровь. Однако при этом слишком много тепла уходит в окружающую среду, и тело начинает охлаждаться. Поэтому приходится искать разумный компромисс между потерей тепла организмом и замерзанием периферических тканей. На руки, ноги, уши, нос (выступающие части и конечности) приходится самая высокая степень теплоотдачи из-за высокого соотношения площади поверхности к объему, поэтому при сильном морозе организм вынужденно жертвует конечностями, чтобы сохранить высокую общую температуру. Как ни печально потерять несколько отмороженных пальцев, но это может существенно повысить шансы на выживание.

Между тем на сильном морозе даже хороший кровоток не может предотвратить обморожение кожи. При –50° С, например, ничем не прикрытая кожа замерзает за минуту. Ледяной ветер, дующий в лицо, может заморозить внешнюю оболочку глаза, как иногда случается с горнолыжниками, забывающими про очки. Ресницы смерзаются, склеивая веки, а борода покрывается гирляндой из сосулек от влажного дыхания. Дыхание на сильном морозе повисает в воздухе мельчайшей ледяной дымкой, получившей поэтичное название «шепот звезд».

Если большую часть тела можно укутать одеждой, то от проникновения холодного воздуха в легкие не скрыться никак. Проходя по дыхательным путям, воздух прогревается, поэтому обморожение легким обычно не грозит. Однако если воздух оказывается одновременно морозным и сухим, слизистая дыхательных путей может разрушиться и отслоиться, как наглядно описывает Т. Сомервелл, хирург, чуть не погибший от означенного явления при подъеме на Эверест в 1936 г.: «С наступлением темноты у меня начался очередной приступ кашля, и что-то застряло в горле, так что я не мог ни вдохнуть, ни выдохнуть. Подать знак Нортону или остановить его я тоже не мог, поскольку мы уже сняли связку, и я просто опустился на снег умирать, глядя ему вслед. Раз или два я еще попытался вдохнуть, но безуспешно. Наконец я надавил на грудь обеими руками и одним мощным толчком заставил образовавшийся комок выскочить».

Обморожение легких встречалось также у лошадей и ездовых собак, однако у людей, работавших в Антарктиде, таких случаев не отмечено.

Стремительное замерзание может произойти при контакте кожи с металлом (из-за его высокой теплопроводности). Во времена Второй мировой серьезные обморожения возникали у верхних стрелков B-17 и B-24. Их самолеты летали на высоте от 7600 до 10 700 м, где температура за бортом составляет от –30 до –40° С. Для стрельбы приходилось открывать наружные люки, поэтому внутрь проникали ледяные вихри. Зачастую стрелки пренебрегали рукавицами, затруднявшими движение, и обслуживали пулеметы голыми руками. Соприкосновение с ледяным металлом в условиях разреженного воздуха, напряжения и усталости всего на протяжении одной-двух минут заканчивалось серьезными обморожениями.

На морозе кожа рук прилипает к поверхности металла, поскольку при соприкосновении с ним моментально замерзает покрывающая кожу тонкая пленка влаги. При попытке отлепить ладонь слой кожи может остаться на металле. Отец моей школьной подруги был врачом в антарктической экспедиции, и я очень хорошо помню тот день, когда мы нашли у них на чердаке его заметки. Там говорилось, что, если вдруг вы «приклеились» на морозе к металлу, необходимо помочиться на примерзший участок, теплая моча растопит ледяную пленку и можно будет без ущерба освободить руку. Понятно, что в состав экспедиции, как и всех предыдущих, входили исключительно мужчины, поскольку у женщины следование этим рекомендациям вызвало бы очевидные затруднения.

Вода поглощает тепло нашего тела еще быстрее, чем воздух, поэтому сроки выживаемости в воде гораздо ниже, чем на воздухе при той же температуре. Поскольку холодные антарктические моря замерзают лишь при –2° С (из-за высокой солености), погружение незащищенной руки в воду тоже может привести к обморожению. У рыбы, обитающей в антарктических широтах, имеется в крови вещество, которое служит естественным антифризом, препятствуя образованию кристаллов льда.

Даже умеренный холод оказывает воздействие на организм. Он ослабляет нервные импульсы, уменьшая чувствительность и нарушая моторику. Именно поэтому так нелегко застегивать пальто на морозе – замедляются нервные сигналы от мозга к пальцам. Замерзшие мышцы тоже работают медленнее, поэтому пальцы не слушаются, делаясь неуклюжими и жесткими. Моторика начинает ухудшаться при –12° С, тактильная чувствительность – при –8° С. Кроме того, низкая температура снижает чувствительность нервов, проводящих болевые сигналы, поэтому для облегчения боли при растяжении или ожоге мы прикладываем лед.

Анестезирующие свойства холода использовались французскими солдатами при отступлении из Москвы зимой 1812 г., когда лошадей превращали в «живые консервы». Убивать их на мясо по такому морозу было сложно, поскольку у людей немели руки, да и лошадиные туши просто окаменели бы на холоде. Поступали, по свидетельству старшего сержанта Второго кирасирского полка Огюста Тирьона, так:

«Мы отрезали кусок от крупа еще стоящей на ногах и передвигающейся лошади, и эти канальи не подавали ни малейших признаков боли, демонстрируя онемение и потерю чувствительности, вызванную лютым морозом. При любых других условиях подобная операция вызвала бы кровотечение и смерть, но не при –28 ° С. Место отреза тут же замерзало, не давая лошади истечь кровью. Мы видели не одну лошадь, шедшую несколько дней с обрезанным по обе стороны крупом».

У людей встречается редкое наследственное заболевание под названием «врожденная парамиотония», делающее мышцы особенно чувствительными к холоду и вызывающее паралич при низкой темперетуре. Недуг дает о себе знать неожиданно, когда человек не может оторвать руки от велосипедного руля или черенка снегоуборочной лопаты, или чувствует слабость и одеревенение после игры в футбол на улице. У других вдруг немеет язык и становится нечленораздельной речь от мороженого или холодных напитков. Врожденная парамиотония вызывается мутацией одного гена, который кодирует белок, служащий «натриевым каналом» – проводником электрических сигналов по мышечным волокнам. Эти сигналы необходимы для того, чтобы вызвать сокращение мышц, и их отсутствие приводит к временному параличу. Заболевание это не смертельное (если только не затрагивает дыхательные мышцы), но крайне неприятное.

Большинству людей знаком еще один аспект воздействия холода – он увеличивает выработку мочи. Происходит это потому, что объем производимой мочи связан с объемом циркулирующих в организме жидкостей, и любое увеличение этого объема улавливается барорецепторами и стимулирует производство мочи. Когда поверхностные кровеносные сосуды сужаются под воздействием холода, объем кровеносной системы сокращается и кровяное давление растет. Кроме того, при крайне низких температурах снижается способность почек производить концентрированную мочу. Обезвоживание, вызванное большой потерей жидкости, – проблема для тех, кто долгое время вынужден работать на холоде, например, для альпинистов.

Холод вызывает немало бытовых проблем. При –55°С не могут летать самолеты: замерзает топливо и радиаторы, и их приходится отогревать, прежде чем заводить двигатель машины; батареи не держат заряд. На большей части территории Канады машины, оставленные в ветреный день на улице, приходится подключать к источнику электричества, чтобы водитель мог после работы доехать до дома. Ограниченные возможности современного транспорта при сильном морозе наглядно продемонстрировала зима 1998 г., когда во многих сибирских деревнях, куда можно добраться только в течение короткого лета, обнаружилась нехватка продовольствия и топлива. Даже при современных технологиях путь к ним зимой оказался отрезан, и они продолжали страдать от голода и холода. На сильном морозе рвутся синтетические ткани, поэтому приходится носить мех. Металлические провода линий электропередач натягиваются и рвутся под весом сосулек, оставляя людей без электричества. Без спиртового термометра даже уличную температуру толком померить не удается, поскольку ртуть замерзает уже при –39° С. Но есть и плюсы. Например, молоко можно продавать удобными замороженными брикетами, а запасы еды хранить просто на балконе, без всяких холодильников.

Сопротивление холоду

Попробуйте снежным зимним днем выйти на улицу в шортах и футболке – от холода у вас сразу перехватит дыхание. Кожа побелеет, голые руки и ноги покроются мурашками, начнется дрожь. Так организм реагирует на холод, снижая теплоотдачу и увеличивая теплопродукцию.

Тепло передается от более теплых предметов к более холодным, поэтому любое животное, чья температура выше температуры окружающей среды (а значит, и человек), будет постоянно терять тепло. Как более подробно объяснялось в главе 3, объем теплоотдачи определяется количеством теплой крови, приливающей к поверхности кожи: чем сильнее кровоток, тем больше теплоотдача. Таким образом, для сохранения тепла необходимо сократить приток крови к коже. Однако перекрывать его без пагубных последствий можно лишь на ограниченное время, поскольку в противном случае ткани лишатся кислорода и питательных веществ.

Когда понижается температура воздуха, кровеносные сосуды сужаются, не подпуская кровь к поверхности, поэтому кожа белеет, но тепло сберегается. При этом, как ни парадоксально, когда температура падает ниже 10° С, поверхностные сосуды, наоборот, расширяются, а если она остается холодной, то расширение сосудов чередуется с сужением. Эти колебания не дают коже пострадать от сильного мороза и обеспечивают достаточный, хоть и непостоянный доступ кислорода. Именно этим явлением объясняется покраснение носа и рук на холоде, особенно заметное у тех, кто много работает в холодных местах на открытом воздухе, например у рыбаков. Вы легко можете проверить этот феномен на себе, опустив руку в холодную воду. Сперва кровеносные сосуды сожмутся под воздействием холода и кожа побелеет. Потом руке станет больно, и боль будет усиливаться. Это, скорее всего, результат скопления токсических метаболитов (продуктов обмена веществ) из-за недостаточного притока крови. Однако где-то через пять – десять минут кожа покраснеет и боль утихнет – сосуды снова расширятся.

На очень сильном холоде отдача тепла через кожу может быть чрезмерной даже при прерывистом притоке крови. При этих условиях кровеносные сосуды остаются суженными постоянно, обескровленные участки охлаждаются до температуры окружающей среды и может возникнуть обморожение.

Очевидным признаком охлаждения служит «гусиная кожа». Ее вызывает сокращение мышц, окружающих волосяные фолликулы. У человека она никакой полезной функции не несет, поскольку волосы у нас на теле слишком редкие, чтобы, «встав дыбом», как-то способствовать утеплению. Однако у других млекопитающих, как будет видно ниже, дело обстоит иначе.

Организм реагирует на холод, не только сокращая теплоотдачу, но и увеличивая теплопродукцию. Основным источником тепла у взрослого человека является мышечная активность, поскольку сокращение мышц обладает заведомо низким КПД, и в качестве побочного продукта выделяется тепло. Запасенная таким образом химическая энергия превращается в теплоту. Когда прохладным летним вечером солнце заходит за облако, мы начинаем дрожать. Дрожь – это непроизвольные сокращения, заставляющие мышцы вибрировать. Она начинается в мышцах тела и рук, но постепенно распространяется и на мышцы челюстей, вызывая стук зубов и сотрясая все тело.

Дрожь помогает увеличить теплопродукцию в пять раз, при этом за счет тряски увеличивается и конвективная теплоотдача. Полезность дрожи, таким образом, снижается, особенно у детей, у которых соотношение площади поверхности к объему выше. Повысить теплопродукцию можно также физическими упражнениями. Как известно, от прыжков, топанья ногами и хлопанья в ладоши становится теплее – понаблюдайте, например, за болельщиками на футбольном матче. Однако теплопродукция, непроизвольная или произвольная, ограничена запасами «топлива» в человеческом теле. Так, продолжительность и эффективность дрожи определяется количеством гликогена, отложенного в мышцах, – обычно предельный срок составляет несколько часов. Физическая активность также ограничивается общей физической формой, выносливостью и запасами «топлива». Таким образом, в конечном итоге теплопродукция зависит от доступа к пище.

У младенцев показатель отношения площади поверхности к объему гораздо выше, чем у взрослых, поэтому тепло они теряют еще быстрее. Они крайне чувствительны к холоду, но при этом не дрожат. Вместо этого у них есть своя, особая система теплопродукции. На плечах, в верхней части спины и вокруг почек у малышей находятся жировые подушки, составляющие около 4 % общего веса тела. Этот жир отличается от обычных жировых отложений и известен как бурый жир. Если белая жировая ткань служит изоляцией, то бурый жир функционирует, скорее, как электроодеяло. Характерный бурый цвет придают этой жировой ткани пигментированные органеллы под названием митохондрии. Митохондрия – это своего рода биохимическая топка, которая, сжигая «горючее», преобразует его в химическую энергию, поэтому их часто называют клеточными электростанциями. Митохондрии, сжигая топливо, производят тепло. Достигается это за счет специального белка, который разобщает переработку топлива и производство энергии. Кроме того, он регулирует энергетический баланс и защищает от холода взрослые особи некоторых животных – так, мыши, у которых этот белок отсутствует, куда более чувствительны к холоду, чем особи, его имеющие.

Выработка тепла в буром жире стимулируется гормоном стресса адреналином. Жировая ткань пронизана сетью тончайших кровеносных сосудов, забирающих тепло для обогрева остального организма. У человека бурый жир имеется только в младенчестве и к зрелости он практически исчезает. Остаются лишь отдельные клетки, затерянные среди белого жира. Однако у многих мелких млекопитающих, особенно зимующих – таких, как летучие мыши, суслики, ежи и сурки, – бурый жир имеется в достаточном количестве. Выработанное им тепло они используют, чтобы согреваться, проснувшись после зимней спячки.

Логично предположить, что повышение активности разобщающего белка будет способствовать сбрасыванию веса. И действительно, у худых людей базальная активность разобщающего белка выше, поэтому они сжигают калории, вырабатывая тепло, а не откладывают их в виде жира. Этим объясняется, почему один из двоих одинаково питающихся людей будет толстеть, а другой нет. Несмотря на то что у взрослых бурый жир содержится в ничтожных количествах, новейшие исследования показывают, что родственные разобщающие белки содержатся и в других тканях. Одно из доказательств состоит в том, что мутировавшие мыши с недостатком разобщающего белка в буром жире хоть и чувствительны к теплу, однако ожирением не страдают. Это значит, что имеется еще какой-то тип разобщающего белка, способствующий регуляции веса в организме.

Еще один особенный вариант биообогревателя имеется у рыбы-меча и у марлиновых (семейства океанских рыб, куда входят синий и черный марлины), радующих рыболовов-спортсменов своими акробатическими прыжками при вытаскивании из воды. Их теплопроизводящая ткань – это модифицированная глазная мышца, расположенная под мозгом и обеспечивающая мозгу и глазам относительно постоянную температуру в 28° С, тогда как температура остального тела варьируется в зависимости от температуры окружающей среды. Во время зимнего глубокого погружения в холодные воды она может опускаться и до 8° С. Через нагревательный орган пропускается большая часть крови, поступающей в мозг. Перед ним кровеносные сосуды разветвляются на сеть мелких артерий, плотно прилегающих к венам, ведущим из мозга. Таким образом, теплая кровь, покидающая мозг, отдает тепло поступающей холодной крови, облегчая работу обогревательной ткани. Теплопроизводящий орган состоит из модифицированных мышечных клеток, почти лишенных сократительных элементов и плотно набитых митохондриями. В отличие от бурого жира, производство энергии и топливный метаболизм там не разобщены. Вместо этого энергия, вырабатывающаяся в процессе метаболизма, немедленно уходит на биохимические циклы, единственная функция которых – производство тепла в качестве побочного продукта.

Как ни удивительно, растения тоже регулируют свою температуру повышением теплопродукции. В знакомом мне с детства Дорсете по окраинам дорог в изобилии цвел аронник пятнистый (Arum maculatum), на местном диалекте прозываемый «кукушечья пинта», «дамы-и-господа» и «Джек-проповедник». Последним вариантом растение обязано, скорее всего, своему лиловатому початку, в котором содержится пыльца. Вырабатывая огромное количество тепла, этот початок испускает химические вещества, издающие сильный запах, на который слетаются мухи и другие насекомые-опылители. Теплопродукция у него достаточно мощная, повышающая температуру до 45° С. Остается только удивляться, как цветок не сжигает сам себя, однако початок определенно приспособлен к таким температурам. Еще удивительнее обстоит дело с горной сольданеллой (Soldanella montana). Этот симпатичный колокольчик вырабатывает столько тепла, что растапливает прилегающий слой снега, тем самым спасаясь от обморожения.

Замерзнуть насмерть

Ежегодно горноспасателям по всему миру приходится вызволять застигнутых неожиданным бураном, погребенных под лавинами, заблудившихся, а также обездвиженных обморожением в результате неправильного подбора одежды. Большинство пострадавших в полной мере испытывают на себе воздействие холода.

Самой древней жертвой переохлаждения можно, наверное, назвать Эци – пастуха, погибшего более 5200 лет назад в долине Эцталь, расположенной высоко в Альпах между Австрией и Италией. Его мумифицировавшееся тело было найдено в 1991 г. туристами – наполовину вытаявшим изо льда на краю ледника. Одет Эци был вполне подходяще для перехода через снег – соломенный плащ от дождя, кожаные ноговицы, меховая шапка и куртка. Однако три сломанных ребра и отсутствие припасов заставляют предположить, что он покинул дом в спешке, пережил нападение по дороге, а затем был застигнут морозом.

Нормальная внутренняя температура человеческого тела (температура глубинных тканей грудной клетки и брюшной полости) составляет 36–38° С. Переохлаждение классифицируется в медицине как падение этой температуры ниже 35° С. Симптомы его меняются по мере понижения температуры.

При легком переохлаждении возникает дрожь, руки не слушаются, ухудшается моторика. Сложные действия – например, спуск на лыжах, вызывают затруднения, человек ощущает усталость, холод, становится вспыльчивым и несговорчивым. Легкое переохлаждение сложно выявить, тем более что его активно отрицает сам пострадавший. Однако оно может быть опасным. Невозможность застегнуть куртку или надеть перчатки ведет к дальнейшему переохлаждению и обморожению. Падение внутренней температуры даже на один градус замедляет реакцию и может помешать адекватной оценке обстановки – так, легкое переохлаждение нередко приводит к авариям на дороге. Особенно страдают от этого мотоциклисты, замерзающие во время длинных зимних перегонов, и рыночные торговцы, которые садятся за руль, простояв весь день на холоде.

Умеренное переохлаждение возникает, когда внутренняя температура опускается ниже 35° С. Оно характеризуется сильной дрожью, ухудшением мелкой моторики и координации, поэтому человек движется медленно, с трудом, часто спотыкается и может упасть. Страдают и умственные способности. Речь делается неразборчивой, мыслительные процессы замедляются, решения принимаются нецелесообразные. Хочется лечь в снег и заснуть, сбросить слишком тяжелый рюкзак или даже начать раздеваться, поскольку холод не чувствуется. Альпинисты могут неправильно застегнуть страховку, что тоже приводит к трагическим последствиям. Жертвы переохлаждения делаются апатичными, вялыми, погружаются в себя, не идут на контакт и невпопад отвечают на вопросы. Нередко не могут вспомнить недавних событий.

Как только внутренняя температура опускается ниже 32° С, дрожь прекращается, поскольку энергия организма к тому времени уже истощена. После этого температура снижается более стремительно, ведь мышцы уже не вырабатывают тепло. В конце концов человек уже не может идти и в полубессознательном состоянии сворачивается клубком на снегу, позабыв об остальных. Сознание теряется где-то при 30° С. Как рассказывал позже один из пострадавших: «Мне делалось все холоднее и холоднее. Лицо замерзало. Руки замерзали. Я не чувствовал своего тела, а потом стало совсем невозможно сосредоточиться и я просто впал в беспамятство».

При глубоком переохлаждении замедляется сердечный ритм, пульс становится нитевидным, дыхание – поверхностным и хаотичным, трудноуловимым. Частота дыхания снижается до одного-двух вдохов в минуту, то же самое происходит с сердцебиением. Кожа бледнеет и на ощупь делается ледяной, конечности не гнутся, зрачки расширяются и не реагируют на свет. Человек выглядит как мертвый, хотя на самом деле может быть еще жив. Такое состояние называют иногда «метаболической морозилкой», поскольку жизненные процессы замедляются, будто в глубоком анабиозе.

Сердечный ритм замедляется, потому что холод угнетает сердечную деятельность. При падении внутренней температуры ниже 28° С может возникать сердечная аритмия, самым опасным видом которой является мерцание желудочков – нерегулярные судороги сердечной мышцы, препятствующие нормальному перекачиванию крови и приводящие к смерти. Однако даже без мерцания, если внутренняя температура упадет до 20° С, сердце остановится.

В арктических водах

13 января 1982 г. рейс 90 авиакомпании Air Florida вылетел по обычному маршруту из Национального аэропорта Вашингтона. Двадцать восемь секунд спустя самолет врезался в продолжение 14-й стрит – мост через Потомак. Погибло 78 человек. Не для всех причиной смерти стали тяжелые раны – часть пассажиров умерли от переохлаждения, окунувшись в ледяную воду реки. Снег, мороз и темнота затрудняли спасательные работы, поэтому многим пришлось бултыхаться в воде достаточно долгое время. В этой трагической ситуации люди проявляли героизм, и тех, кто уступал свое место в спасательном вертолете другим, к следующему заходу уже выловить не удавалось.

Каждый год в холодной воде гибнут тысячи людей. Гибнут, вероятнее всего, именно из-за гипотермии. Тело, погруженное в воду, отдает тепло гораздо быстрее, поскольку вода служит хорошим проводником (ее теплопроводность в 25 раз выше, чем у воздуха), и погружение в воду температурой ниже 20° С приводит к потере тепла и в конце концов может оказаться причиной смерти от переохлаждения. Чем холоднее вода, тем быстрее наступает смерть. В Британии температура морской воды в июле равна в среднем 15° С, поэтому раздетый человек продержится максимум несколько часов. В январе, когда температура падает до 5° С, этот срок сократится до получаса. При погружении в воду нулевой температуры гипотермия наступит через 15 минут, а смерть – в промежутке от получаса до полутора часов. Без спасательного жилета, да еще в бурных волнах человек умирает еще быстрее, поскольку погружается на дно, как только теряет сознание. Новобранцам на британском флоте обычно показывают видео с олимпийской чемпионкой Шарон Дэвис, плывущей в ледяной воде, демонстрируя, насколько быстро холод может одолеть даже спортсменку мирового уровня (разумеется, красота олимпийской чемпионки производит на моряков не меньшее впечатление).

То, что люди на воде зачастую гибнут именно от гипотермии, а не от неумения плавать, было подмечено достаточно давно, хотя и не всегда признавалось официально. Так, например, спасенные с «Титаника» говорили, что их товарищи по несчастью, оказавшиеся в спасательных жилетах в спокойной (но ледяной) воде, погибли прежде всего от холода, хотя официальное следствие придерживалось иной точки зрения.

Научные исследования причин гибели в холодной воде были начаты британскими и немецкими ВМС во время Второй мировой войны, когда массово гибли спасающиеся с тонущих судов моряки. Самый дотошный (и самый отвратительный) эксперимент в этой области был проведен нацистами над узниками концлагеря Дахау. Данные о пределах термической стойкости человеческого организма, полученные ими в результате, до сих пор в ходу – благодаря им устанавливаются безопасные пределы в экспериментах с участием добровольцев (при испытании изолирующих костюмов). Однако этическая дилемма возникает нешуточная – допустимо ли использовать данные, полученные в результате бесчеловечного концлагерного эксперимента и намеренного доведения участников до смерти, даже если эти данные помогают уберечь других от гибели.

Существует немало невероятных историй о людях, выживших в холодной воде (иногда при совершенно немыслимых обстоятельствах, когда уже не оставалось никакой надежды). Некоторые из этих людей оказались просто уникумами, обладающими редчайшей (и очень удачной) невосприимчивостью к холоду. Но есть и другие примеры, гораздо менее сверхъестественные. В 1997 г. яхта Тони Буллимора, участника кругосветной регаты, перевернулась в отдаленной части Южного океана, погребая яхтсмена под собой. Спасатели добирались до места крушения четыре дня и, учитывая близкую к нулевой температуру воды, пострадавшего уже не чаяли увидеть живым. Однако, когда подводники австралийских ВМС начали простукивать перевернутый корпус яхты, Тони сам выплыл им навстречу. Вид у него был неважный, но благодаря водонепроницаемому изолирующему костюму, жировой прослойке и корпусу яхты, послужившему надежным убежищем, ему удалось выжить.

Еще одной несостоявшейся жертвой холодной воды стал знаменитый философ Бертран Рассел. В 1948 г. его пригласили в Норвегию с циклом лекций, организованных Британским советом. 2 октября он вылетел на гидросамолете из Осло в Тронхейм. Погода была ветреной, штормило, поэтому, когда самолет приземлялся на бурные волны, порыв ветра перевернул его набок, и вода начала хлестать внутрь. Многим пассажирам так и не удалось выбраться. Сам Рассел впоследствии рассказывал только, что вода была очень холодной. Ему повезло, что его спасли быстро, поскольку для неэкипированного должным образом человека счет в ледяных водах Северного моря идет на минуты.

От движения потеря тепла в холодной воде усиливается. За исключением тех случаев, когда до берега рукой подать (меньше пяти минут), лучше всего, потерпев катастрофу в холодной морской воде, дрейфовать неподвижно в спасательном жилете до прибытия спасателей. Барахтание или попытки плыть лишь ускорят теплоотдачу и приблизят возможную гибель. Происходит это потому, что от движения рассеивается тонкий слой нагретой телом воды, замещаясь слоем холодной и повышая конвективную теплоотдачу. Кроме того, от движения увеличивается кровоток в конечностях, которые активнее всего отдают тепло. Если у вас есть время перед тем, как покинуть судно, постарайтесь надеть на себя как можно больше теплой одежды, перчатки и обувь, поскольку дополнительная теплоизоляция позволяет предотвратить холодовую травму. Еще лучше надеть гидрокостюм или изоляционный костюм, поскольку обычная одежда от воды защищает не слишком хорошо.

Эти несложные меры предосторожности могут спасти вам жизнь. К сожалению, о них знают не все. В 1963 г. у берегов Мадейры загорелось судно «Лаконика», и его пришлось в спешном порядке покинуть. Многие пассажиры и члены экипажа, оказавшись в воде, пытались плавать, надеясь таким образом согреться, и скинули одежду, чтобы она не стесняла движения. Для многих из них эта ошибка стала роковой – от гипотермии тогда погибло 113 человек.

Отличным изолирующим слоем служит подкожный жир, поэтому толстый человек в холодной воде продержится дольше. Неудивительно, с учетом этого, что лучшие пловцы через Ла-Манш обладают весьма крепким телосложением. Обычно этот заплыв длиной 34,5 км предпринимают в августе или сентябре, когда вода считается прогретой (даже если она прогревается всего до 15–18° С). Заплыв длится от 9 до 27 часов, значительно превышая срок выживания для человека, погруженного в воду такой температуры. Успеху способствуют несколько факторов: при физической нагрузке вырабатывается большое количество тепла, у спортсменов имеется достаточный слой подкожного жира, и через определенные промежутки времени они получают еду (при этом подкрепляться приходится на ходу, чтобы не случилось судорог). И все равно многим приходится прерывать заплыв из-за усталости или переохлаждения{24}, а в августе 1999 г. один из опытных пловцов на длинные дистанции погиб при попытке пересечь Ла-Манш.

Подледные погружения – новинка экстремального спорта, способ пощекотать нервы даже для самых закаленных. Проделав с помощью динамита прорубь в замерзшем водоеме, энтузиасты погружаются в ледяную воду и плавают подо льдом. Физически крепкий человек в гидрокостюме может продержаться в воде температурой 1° С около 20 мин. (с аквалангом), прежде чем охлаждение становится угрожающим. Рекорд выносливости для погружений на задержке дыхания (без спецснаряжения) принадлежит французу Фабрису Бугану, которому удалось провести подо льдом 2 мин. 33 сек. при температуре воды 10° С.

Однако любителям подледного плавания необходимо остерегаться, поскольку холодная вода может вызвать мгновенную смерть. Сколько раз вполне крепкие молодые люди всплывали мертвыми (или уходили на дно) через минуту-другую после погружения в ледяное озеро. От такого не застрахованы даже хорошие пловцы. Почему так происходит, до конца не ясно, однако физиологических предпосылок может быть несколько. Шок и боль замедляют сердечную деятельность и способны вызвать смертельную аритмию, а рефлекторный, спровоцированный холодом, позыв сделать вдох под водой может оказаться роковым. Кроме того, холодовый шок стимулирует учащение дыхания, вымывая из крови углекислый газ и уменьшая ее кислотность, – в результате наступает тетания (мышечные судороги), мешающая координированным плавательным движениям, потеря сознания и быстрая смерть.

Холодная вода убивает несколькими способами. Смерть может наступить в считанные секунды после погружения, через несколько минут плавания или гораздо позже, когда человек замерзает и теряет сознание. Она может настигнуть и уже спасенного из воды. Когда во время Первой мировой потерпел крушение немецкий линкор «Гнейзенау», большинство спасенных, по рассказам очевидцев, умерли на борту подобравшего их корабля, несмотря на то что из воды их выловили живыми и вроде бы невредимыми. И в нынешние дни ходит много рассказов о потерпевших крушение моряках и рыбаках, потерявших сознание и умерших вскоре после спасения. Причина гибели при подобных обстоятельствах до сих пор не выяснена, однако, скорее всего, к ней приводит общее воздействие холода и изменений в гидростатическом давлении при подъеме из воды, описанных в главе 2.

Опасные перепады

Гипотермия наступает, когда теплоотдача превышает поступление тепла – то есть необязательно при зимней температуре. Пожилой голодающий и плохо согретый человек может стать легкой ее добычей, особенно получив обездвиживающие травмы. Температура тела будет стабильно падать в течение одного-двух дней, вызывая смятение, потерю координации и ступор. Голодающие больные, особенно дети, должны содержаться при некомфортно жаркой (для ухаживающих за ними) температуре, поскольку низкий уровень метаболизма делает их предрасположенными к гипотермии. Наркотики, повышающие теплоотдачу, могут привести к переохлаждению даже в относительно теплой среде.

Кроме того, гипотермия может наступить как результат совокупного воздействия физической нагрузки, недостаточного питания и алкоголя. Нагрузка истощает запасы углеводов, приводя к падению сахара в крови. Алкоголь усугубляет состояние, еще более снижая содержание сахара, поскольку для преобразования алкоголя требуется глюкоза. Гипогликемия (низкий уровень сахара) тормозит реакцию организма на холод, и поскольку приток крови к коже не сокращается, тепло уходит ужасающими темпами. В таких условиях внутренняя температура может резко упасть даже в теплую погоду – например, при температуре воздуха в 20° С организм охлаждался до 33° С в течение 80 минут. Активная многочасовая прогулка на голодный желудок и несколько глотков виски «для сугрева» могут привести к тяжелым последствиям.

Жизнь после «смерти»

У врачей есть заповедь: «Человек умер только тогда, когда он умер согретым». Истории о «чудесном воскрешении» пострадавших от холода возникают почти каждый год, поскольку человека в состоянии глубокой гипотермии сложно отличить от мертвого. В феврале 1999 г. по Швейцарским и Австрийским Альпам прокатилась серия лавин. Среди многочисленных жертв оказался четырехлетний ребенок, который пролежал под снегом целых два часа. Его состояние определили как клиническую смерть, однако спасателям удалось реанимировать его, и через пару дней он уже как ни в чем не бывало играл в свои игрушки.

Нижний предел внутренней температуры, зафиксированной у человека, выжившего после переохлаждения в результате несчастного случая, равен 13,7° С. Двадцатидевятилетняя норвежка сорвалась со скалы, катаясь на лыжах в водопадной ложбине, и застряла между камнями и толстой глыбой льда в непрерывном потоке ледяной воды. Своими силами вытащить пострадавшую ее спутники не смогли, прибывшие через час десять минут спасатели зафиксировали клиническую смерть. Однако после немедленной сердечно-легочной реанимации женщину переправили в клиническую больницу Тромсе, где опытная реанимационная команда смогла вернуть ее к жизни. Пять месяцев спустя она восстановилась почти полностью.

Удавалось спасти и маленьких детей, длительное время пробывших под холодной водой без дыхания. Холод замедляет метаболические процессы, поэтому кислорода расходуется меньше. Типичный случай такого счастливого воскрешения – пятилетний мальчик, провалившийся под лед на полузамерзшей речке. Спасатели смогли вытащить его только через 40 минут. Воздушных карманов между льдом и водой не наблюдалось, поэтому мальчик все это время находился целиком в ледяной воде. Вытащили его без пульса, без дыхания, посиневшим от холода, с внутренней температурой 24° С. Через два дня на аппарате искусственной вентиляции легких он пришел в сознание и начал говорить. Через восемь дней после происшествия его выписали из больницы. Мальчику повезло, он восстановился полностью, умственная деятельность не пострадала. Однако не всем удается выйти из подобного испытания без потерь. Детский организм страдает меньше, поскольку из-за небольших размеров замерзает быстрее, стремительно сокращая потребление кислорода, и ребенок впадает в состояние, близкое к анабиозу.

Чтобы отогреть человека, находящегося в состоянии умеренного переохлаждения, лучше всего поместить его в теплую ванну. Жертв глубокой гипотермии согревают, давая им дышать теплым воздухом, обдувая теплым воздухом и перекачивая кровь через специальный нагреватель. При отогревании серьезно обмороженных пострадавших требуется огромная осторожность, чтобы избежать сердечной аритмии. Особенно это касается реанимации тех, у кого гипотермия привела к остановке сердца.

Руки в цыпках и замерзшие ноги

В детстве мне всегда твердили не отогревать озябшие руки у школьной батареи, чтобы не было цыпок. Сегодня о них почти забыли, а в моем детстве от обветренности страдали сплошь и рядом (меня эта напасть, к счастью, миновала, несмотря на нарушение запретов). Обветренность – это покрасневшие и зудящие пятна, возникающие обычно на пальцах, щеках и ушах. Появляются они от регулярного воздействия на кожу температур ниже 15° С, что приводит к повреждению тончайших капилляров. Особенно страдают от обветренности женщины и дети. Во влажном климате, таком как британский, цыпки встречаются чаще, чем в сухом и морозном. То, что сейчас они практически ушли в прошлое, объясняется, скорее всего, повышением уровня жизни – люди стали теплее одеваться, в домах работает центральное отопление.

Синдром Рейно – это состояние, при котором пальцы рук (или ног) белеют, затем синеют, потом краснеют на холоде. Происходит это потому, что сперва сосуды сокращаются настолько сильно, что кровоток почти полностью останавливается, а потом медленно расширяются снова. Ощущения при этом весьма болезненные. Как ни странно, синдром Рейно реже встречается в странах с суровой зимой – таких как Канада или Швеция, тогда как в Британии и теплой Италии вполне распространен. Скорее всего, в холодном климате люди привыкают принимать необходимые меры. В Британии, к примеру, школьники часто играют зимой на улице, поэтому хронически мерзнут.

«Траншейная стопа» – бич Первой мировой. В 1915 г. в британской армии было зафиксировано свыше 29 000 случаев. Болезнь эта возникает от длительного пребывания в сыром холоде, которого в окопах было в избытке. Траншеи заливало дождем, и солдаты месили сырую грязь пополам с ледяной водой, а ледяной ветер превращал промокшую одежду в задубевший панцирь.

«Траншейная стопа» не изжита до сих пор. Во время Фолклендской войны 1982 г. на ее долю пришлось 14 % потерь британской армии, а в 1988 г. от нее пострадало 11 % одной воинской части морских пехотинцев США. Немало ее жертв и среди морских каякеров, которым приходится подолгу держать руки и ноги в воде. Кроме того, она возникает у альпинистов, если у них сыреют ноги от пота или от мелкого снега, забивающегося в ботинки, а также у людей, по роду занятий вынужденных много времени проводить с мокрыми ногами на холоде. «Траншейная стопа» ежегодно поражает десятки людей, приезжающих на Гластонберийский фестиваль без подходящей обуви, – ведь даже в июне погода в Англии может не баловать теплом, и фестивальная площадка превращается в болото.

«Траншейная стопа» – это местное холодовое повреждение, развивающееся в результате длительного воздействия холода и сырости. Холод – это не значит мороз, достаточно постоять 12 часов в воде при температуре 10° С. Мокрые ноги очень быстро мерзнут (примерно раз в двадцать пять быстрее сухих), поэтому кровеносные сосуды стремятся сузиться, чтобы не допустить утечки тепла. Лишенная притока крови ткань начинает отмирать, испытывая недостаток кислорода и питательных веществ при переизбытке токсических метаболитов. Особенно коварна «траншейная стопа» тем, что поражение глубинных тканей – мускулов и нервов – может произойти задолго до того, как признаки заболевания проявятся на коже. Пораженная стопа холодная на ощупь, бледно-пятнистая и кажется онемевшей. После согревания кожа делается багрово-красной, стопа распухает и очень сильно болит. По словам некоторых пострадавших, «словно электрический разряд пропускают от пальцев по ноге». Могут возникнуть волдыри, язвы и даже гангрена, в особо тяжелых случаях стопа отмирает и ее приходится ампутировать.

Профилактика «траншейной стопы» довольно проста. Самое главное – держать ноги в сухости, стараясь не нарушать кровообращения, то есть не сидеть, например, подолгу в скрюченной позе. К сожалению, как несложно догадаться, военным иногда выбирать не приходится.

Обморожение

Если кожа охлаждается до температуры около 0° С, замерзание тканей может привести к обморожению, которому подвержены чаще всего конечности и выступающие участки – это уши, нос, пальцы (и на щеках, хотя они к выступающим не относятся). В легких случаях промерзает только верхний слой кожи. Покровы становятся белыми, восковыми и теряют чувствительность. Внешне это напоминает солнечный и другие виды ожогов первой степени, а после отогревания обмороженные участки кожи делаются ярко-красными и облезают. Глубокое обморожение гораздо опаснее, поскольку кроме кожи поражаются и более глубокие ткани. После отогревания кожа становится сизой и распухшей. Где-то через день-два могут образоваться волдыри и твердая черная корка. Если повезет, под этой коркой нарастет новая кожа, которая покажется впоследствии. Однако процесс этот, как описывает Эпсли Черри-Гаррард, крайне болезненный:

«На термометре было –47° F (–8° С. – Прим. пер.), и я сдуру снял рукавицы, принявшись тянуть сани голыми руками. В результате отморозил все десять пальцев. Только вечером в палатке, во время ужина, они начали отогреваться, и через несколько часов на каждом образовалось по два-три больших волдыря, около дюйма длиной. Эти волдыри на протяжении долгих дней причиняли мне сильную боль».

Самая опасная форма обморожения – когда затрагиваются еще более глубокие ткани, такие как мышцы, кости и сухожилия. Глубокое обморожение почти неизбежно приводит к окончательному отмиранию тканей и может закончиться ампутацией. Не одному полярнику и альпинисту приходилось лишаться обмороженных пальцев на руках и ногах. Среди них, например, Бек Уэзерс, участник злополучной майской экспедиции на Эверест 1996 г., попавшей в страшный буран. Брошенный умирать в состоянии беспамятства на карнизе стены Каншунг, без правой перчатки, с ледяной коркой на лице, «в полушаге от смерти, которая уже тянет к тебе руки», Бек все же чудом сумел выстоять{25}. Пролежав 12 часов без сознания, он пришел в себя и осознал масштаб катастрофы. «Я понял, что дело дрянь и, раз подмога не спешит, нужно выбираться самому». Едва живой, он сумел приковылять в лагерь. В результате трагедии он потерял правую руку до середины локтя, все пальцы на левой руке и нос. Однако он сохранил жизнь и, как отмечают его друзья, не лишился чувства юмора.

Когда замерзает ткань, в клетках и межклеточной жидкости образуются кристаллы льда. Если процесс идет медленно, сначала лед кристаллизуется в межклеточной жидкости. При этом повышается концентрация незамерзшего раствора, и из клеток в процессе осмоса (диффузии воды из менее концентрированного раствора в более концентрированный) вытягивается вода. Клетка сжимается, внутри растет концентрация соли. Поскольку повышенный уровень соли разрушает белковую структуру, клетка умирает. Когда промерзание происходит быстро, внутри клеток кристаллизуются ледяные иглы, протыкая клеточную мембрану. При соприкосновении и трении кристаллы льда могут просто разорвать клетки – именно поэтому растирать обмороженные участки не рекомендуется.

При отогревании возникают новые травмы. Клетки, выстилающие стенки тончайших кровеносных сосудов, особенно уязвимы, поэтому при отогревании из них начинает сочиться жидкость, вызывающая опухание прилегающих тканей. Агглютинация (осаживание) оставшихся в капиллярах эритроцитов замедляет кровоток, что в свою очередь ухудшает поступление кислорода и питательных веществ к тканям «ниже по течению», вызывая их гибель. Учитывая обширные травмы, возникающие при отогревании, лучше всего глубоко обмороженные ткани не отогревать, оставить до прибытия квалифицированной медицинской помощи. Отогревание с последующей повторной заморозкой может привести к трагическим последствиям.

Эскимосы и исследователи

Небезызвестно, что одну и ту же температуру одни воспринимают как «собачий холод», другие – как приятную прохладу. По отзывам Дарвина, индейцы яга с Огненной Земли всю ледяную и снежную патагонскую зиму ходят раздетые – хотя костры разводят, и именно благодаря им эту землю прозвали огненной. Австралийские аборигены и бушмены Калахари обитают в пустынях, где температура резко падает по ночам и зимой может опуститься ниже ноля. Несмотря на холод, аборигены традиционно спят раздетыми на земле, отгораживаясь от ветра тонкой ширмой. Согласно исследованиям физиологов, температура тела у аборигенов снижается по ночам примерно до 35° С, соответственно падает и поверхностная температура кожи. Примерно такая же реакция наблюдается и у бушменов Калахари. Белые же европейцы в подобных условиях трясутся всю ночь от холода, ворочаясь и не давая себе заснуть, а внутренняя температура у них держится на отметке в 36° С. Однако даже европейцы переносят и воспринимают холод по-разному. Я, например, в гостях у сестры постоянно мерзну, ей же у меня все время жарко.

Берди (Генри Робертсон) Бауэрс, участник последней, злосчастной экспедиции Скотта (1911 г.), отличался исключительной стойкостью. В зимней вылазке на мыс Крозир за яйцами императорских пингвинов Бауэрс спокойно спал на 20-градусном морозе в меховом спальнике без пуховой подстежки, притом что его товарищ, Эпсли Черри-Гаррард, испытывал «приступы дрожи, которую никак не удавалось унять, и которые сотрясали мое тело так, что я думал, позвоночник не выдержит и сломается». В отличие от Черри-Гаррарда, Бауэрса миновало и обморожение. Скотт, по его собственным словам, никогда не видел «человека, настолько невосприимчивого к холоду».

Почему же Бауэрс оказался таким закаленным? Вот одна из версий: каждое утро, к благоговейному ужасу своих товарищей, он раздевался под негостеприимным антарктическим небом догола и обливался из ведра ледяной водой со снегом. Согласно некоторым исследованиям, периодическое воздействие холода позволяет до определенной степени к нему адаптироваться. Например, группа добровольцев, погружаясь ежедневно раздетыми в воду температурой 15° С на срок от получаса до часа в течение нескольких недель, впоследствии переносила условия Арктики легче и безболезненнее. Один из участников наполеоновских походов, лейтенант Хенкенс, писал в своих воспоминаниях об отступлении из-под Москвы в 1812 г., что «согревался, растираясь снегом, благо его было в избытке».

Весьма возможно, что и Бауэрсу выработать такую необычайную стойкость к морозу помогал ежедневный ледяной душ. Закалкой, скорее всего, объясняется и легендарная выносливость спартанцев, а также учеников британских частных школ, которых ежедневно заставляли купаться в холодной воде. Схожая физиологическая адаптация, по всей вероятности, позволяет некоторым людям часами возиться в воде, которая остальным кажется невыносимо холодной. Как упоминалось выше, рыбакам, эскимосам и американским индейцам даже на холоде удается сохранить непрерывную циркуляцию крови в конечностях. Выводы из полученных данных разнятся: кто-то считает, что регулярные ледяные ванны закаляют и способствуют адаптации к холодному климату, кто-то, напротив, полагает, что такие процедуры только отравляют жизнь и тем самым сводят на нет всю адаптацию. В целом отношение получается примерно как у одного сержанта американских ВВС, который, ратуя за то, чтобы пехота тренировалась в легком обмундировании для большей мобильности, применительно к себе подобное категорически отвергал.

На холоде просыпается аппетит, а возросшее потребление пищи повышает уровень обмена веществ и теплопродукцию. Основной обмен у эскимосов на 33 % выше, чем у европейцев, – главным образом за счет традиционно богатого белками рациона, включающего около 0,5 кг мяса в день. Этим отчасти и объясняется их выносливость по отношению к холоду. Кроме того, в условиях постоянного холода подкожного жира откладывается больше. Сезонные колебания веса отмечены и у британцев – зимой люди набирают вес, летом сбрасывают. А еще бытует мнение, что в эпоху мини-юбок у девушек в странах с умеренным климатом бедра становились полнее (правда, скептики утверждают, что мини-юбки просто подчеркнули существующие недостатки). В любом случае, подобные колебания веса слишком незначительны, чтобы влиять на термобаланс, и жители холодных стран в массе своей ничуть не толще жителей тропиков. Хотя другие различия в строении тела у разных рас все же имеются, как отмечалось в главе 3.

Польза холода

Холод не всегда вреден. Во время Фолклендского конфликта было замечено, что многие бойцы необъяснимым образом выживали при тяжелых ранениях – таких как потеря конечности, например, хотя до помещения в полевой госпиталь проходило иногда немало часов. Как выяснилось впоследствии, сильный холод значительно снижал кровопотерю (как у лошадей Тирьона) и вызывал легкую гипотермию, уменьшавшую потребность организма в кислороде, позволяя раненому выжить, несмотря на потерю крови.

Низкая температура иногда намеренно создается во время операций, чтобы снизить скорость обмена веществ и уменьшить потребность тканей в кислороде. Тогда кровоток можно прервать, не повреждая ткань. В кардиохирургии, например, можно остановить сердце на срок до часа вливанием охлажденных до 4° С растворов (в остальной организм подает теплую кровь аппарат искусственного кровообращения). Кровь охлаждают и для определенных нейрохирургических операций, останавливая местное кровообращение на 15 минут. «Хладнокровие» может также помочь младенцам, пострадавшим от удушья во время тяжелых родов, предотвратить необратимые повреждения головного мозга. Такие повреждения развиваются в основном в первые день-два после родов, и у животных именно холод помогает уберечь мозг. В настоящее время проводятся эксперименты с участием детей, в ходе которых выясняется, сможет ли наполненный водой шлем, охлаждающий голову новорожденного младенца до 3° С, снизить повреждения мозга.

О пингвинах и белых медведях

Человеческий род развивался на равнинах Африки, поэтому наша морозоустойчивость ограничена. Однако многие животные, в отличие от нас, замечательно приспособлены к холодному климату. От мороза их защищает густой мех или толстый слой подкожного жира, у них крупное тело и короткие конечности, что способствует уменьшению площади поверхности по отношению к объему, а значит и сокращению теплоотдачи, кроме того, у многих в тканях и крови присутствуют белки-антифризы. Другие виды просто сокращают активность в холодное время года, на период зимовки позволяя организму сильно остыть и снижая тем самым уровень метаболизма. Способ этот настолько эффективен, что для многих животных настоящую трудность обитания в условиях сурового климата представляет не холод, а скудная кормежка.

Мех (и перо) греет за счет того, что воздух, заключенный между шерстинками или ворсинками, обеспечивает дополнительный слой изоляции. Поднимая шерсть дыбом или ероша перья, животные и птицы увеличивают эту воздушную прослойку и еще больше сокращают утечку тепла. Воздух – очень хороший изолятор. Именно поэтому многослойная одежда греет лучше, чем один, пусть и теплый, слой. То же самое касается нательной майки в сетку – несмотря на свою ажурность, она греет за счет воздушных «карманов». (Сетчатую майку изобрели для британской антарктической экспедиции на Землю Грэма 1920–1922 гг., и в моем детстве они еще были в ходу, хотя сейчас вышли из употребления.)

При сильном ветре защитные функции меха снижаются, поскольку ветер уносит теплый воздух из воздушных пазух. Теплее было бы носить шубу мехом внутрь, как делают эскимосы, но самим животным эта возможность недоступна. Понятно, что в развитых странах мех носится исключительно как дань моде или статусу, а не из практических соображений, поскольку мехом внутрь надеваются только дубленки.

Мех и перья отлично защищают на воздухе, но совершенно бесполезны в воде, поскольку без воздушной прослойки изолирующие свойства теряются. В воде гораздо лучшим изолятором служит жир или ворвань. У тюленей, например, имеются значительные запасы подкожного жира, как и у белых медведей, которые много времени проводят в ледяной воде. Именно поэтому тучный человек в холодной воде продержится дольше худого.

Встав голыми ногами на плавучую льдину, человек немедленно получит обморожение, однако пингвины стоят так всю жизнь – и ничего. Секрет в том, что ласты пингвинов никогда не охлаждаются до температуры льда благодаря кровотоку, который поддерживает в них температуру на несколько градусов выше ноля. Когда температура воздуха падает ниже –10° С, императорские пингвины сокращают точки соприкосновения с поверхностью, опираясь только на пятки и хвост, приподнимая кончики ласт и прижимая плавники к бокам. На первый взгляд может показаться странным, что ласты пингвинов так слабо изолированы, однако на самом деле все просто: остальное тело пингвина изолировано очень хорошо, поэтому сбрасывать излишки тепла, выработанного физической нагрузкой, остается только через немногочисленные «голые» участки, в число которых входят и нижние конечности.

Рыбе затруднительно поддерживать температуру тела выше температуры окружающей воды, поскольку для дыхания ей требуется постоянно прогонять на высокой скорости большое количество крови через жабры, а при этом теряется много тепла. У тунца и акул сформировался сосудистый противоточный теплообменник, позволяющий поддерживать в мышцах температуру на 20° С выше, чем в остальном теле. Подобно описанной в главе 3 rete mirabile у антилоп, эта система представляет собой сеть из сотен переплетенных вен и артерий, но в данном случае тепло передается от нагретой крови, покидающей рабочие мышцы, к более холодной крови с поверхности тела. Нагретые мышцы позволяют тунцу развивать скорость до 18 км/ч. Схожие теплообменники имеются в ластах тюленей и дельфинов, а также в хвостовых плавниках китов, где они предотвращают утечку тепла в ледяные воды. Длинные голые ноги болотных птиц, которые весь день ходят по воде, тоже снабжены rete mirabile. Именно поэтому им, в отличие от человека, «траншейная стопа» не грозит.

Адаптироваться к постоянному холоду животным помогают и биохимические изменения на клеточном уровне, позволяющие функционировать при пониженной температуре. Если человеческие нервы и мускулы, охлаждаясь до 8° С, перестают работать, то у арктических животных они исправно действуют, даже охладившись почти до нуля. Разница эта обусловлена различием в жирах (липидах), которые содержатся в клеточных мембранах. У большинства животных жир при охлаждении делается твердым и ломким, однако жир в ногах у чаек и других обитателей холодных краев отличается совсем иной температурой плавления, чем жир из внутренней полости тела. Жир, добытый из стоп карибу, остается на холоде жидким, поэтому эскимосы используют его в качестве смазки, тогда как жир из верхней части ноги твердеет даже при комнатной температуре, и его употребляют в пищу. В наших краях костяное масло, добываемое из ног рогатого скота, используется для смазывания кожи, чтобы она не трескалась на холоде. Все эти различия в свойствах объясняются количеством насыщенного жира в клеточных мембранах. Насыщенные жиры, такие как сливочное масло, твердеют при низкой температуре, тогда как ненасыщенные жиры остаются мягкими или жидкими, подобно оливковому маслу. Поразительно, что жировой состав мембраны одной и той же нервной клетки может варьироваться на всем ее протяжении: на концах насыщенного жира будет меньше, а в толще глубинных тканей – больше. Таким образом обеспечивается одинаковая проходимость мембраны по всей длине клетки для поддержания нервной и мышечной деятельности даже на холоде.

Как и люди, животные меняют свое поведение, приспосабливаясь к холоду. Условия обитания императорских пингвинов (Aptenodytes forsteri) можно отнести к числу самых суровых на Земле. Птенцы у пингвинов вылупляются в самый разгар зимы, при температуре около –30° С, ужесточающейся ледяными ветрами, скорость которых доходит до 200 км/ч. Гнездовья располагаются не на плавучем льду, а на шельфовом, откуда до открытого моря многие километры. На этой ледяной пустоши нет пищи, поэтому в период высиживания пингвинам приходится голодать. В марте, когда ледяной пояс вокруг Антарктиды сужается, пингвины начинают долгий переход к местам гнездовья. Отложив в конце мая – в июне одно-единственное яйцо, самка отправляется в море охотиться, оставляя супруга высиживать потомство в специальной выводковой камере (брюшной складке) до ее возвращения через два месяца. Самец остается зимовать на ледяной пустоши. Все это время он не ест и выживает исключительно за счет жировых запасов. К возвращению самки он теряет около 40 % веса, однако на этом его голодовка не заканчивается: сдав пост супруге, он вынужден отправляться за едой к открытому морю, которое теперь лежит километрах в двухстах, поскольку за зиму намерз новый береговой лед. В итоге самцу приходится поститься свыше 115 дней – с того момента, как он покидает морской берег, и до возвращения к морю.

Ученые подсчитали, что тепла, вырабатываемого жировыми запасами, недостаточно чтобы поддерживать температуру тела пингвина на привычной для него отметке в 38° С в условиях ледяной антарктической зимы. Как же тогда выживают императорские пингвины? Секрет в их социальном поведении. Взрослые пингвины, а затем и вылупившиеся птенцы сбиваются в плотные стаи по нескольку тысяч особей. Прижимаясь друг к другу, они уменьшают поверхность тела, контактирующую с ледяным воздухом, и тем самым берегут тепло. Эти гигантские стаи находятся в постоянном движении, поскольку пингвины с краев постепенно пробираются к центру, вытесняя согревшихся на окраину.

Таким способом согреваются не только пингвины. Пчелы в холодную погоду тоже сбиваются вместе, что позволяет рою перезимовать при температуре, которая для одинокой пчелы оказалась бы смертельной. Когда температура падает, пчелы жмутся ближе к соседям, тем самым сокращая теплоотдачу. В центре роя температура может достигать 30° С при наружной температуре воздуха в 2° С. На периферии холоднее – около 9° С, но и эта температура позволяет пчеле поддерживать жизнедеятельность. Как и у пингвинов, в пчелином рое также происходит постоянная ротация от краев к центру. Группе людей, застигнутых морозом, тоже не повредит брать с них пример. Хотя человек издавна прибегал к этому способу – например, укладывание всей семьей в одну постель в традиционных сообществах служит той же цели (правда, без ротации от центра к краям эффективность несколько снижается).

Насекомым для полета требуются теплые мышцы – замерзшие летательные мышцы попросту не работают. Именно поэтому кенийцы из племени вакамба обирают гнезда диких пчел по ночам, когда пчелы обездвижены холодом. Поскольку в покое температура тела насекомого близка к температуре среды, перед первым утренним вылетом им приходится разогреваться. Одни для этого просто выползают на солнце, другие – например, мотыльки и пчелы, вырабатывают внутреннее тепло быстрым сокращением летательных мышц. Мотыльки бесшумно дрожат крыльями, а пчелы разогреваются, сокращая только мышцы и не двигая при этом конечностями. Тело шмелей покрыто «шубой», которая уменьшает теплоотдачу почти вдвое. Бабочки, в отличие от мотыльков, в отсутствии солнечного тепла не могут подняться в воздух, поэтому порхающими над цветами мы видим их только в теплые солнечные дни. Рано поутру они протягивают крылья к солнцу, и те, подобно солнечным батареям, аккумулируют тепло и передают его мышцам. Только после этого бабочка может взлететь. Когда солнце скрывается за облаками, температура падает на один-два градуса, и бабочкам снова приходится садиться.

Ящерицы, как и насекомые, относятся к пойкилотермным животным, поэтому обогреваются с помощью солнца. Замерзнув, они поворачиваются перпендикулярно солнечным лучам, чтобы вобрать как можно больше тепла. В пустыне, где земля теплее воздуха, они прижимаются к поверхности, чтобы согреться, а на холодных скалах зарываются в сухую траву. Когда становится слишком жарко, они уходят в тень или забиваются под землю. У крупных животных на обогрев уходит гораздо больше времени, и, скорее всего, именно поэтому крупные рептилии (крокодилы, вараны, комодские драконы и гигантские черепахи) обитают в тропиках. У некоторых ящериц на коже имеются специальные пигментные пятна, регулирующие поступление тепла из окружающей среды. На холоде черные пигментные клетки расширяются и увеличивают поглощение тепла, а на солнце сжимаются, открывая соседние клетки, отражающие инфракрасное излучение. Чтобы в заторможенном состоянии не стать добычей более стремительных хищников, у безухой ящерицы выработались удивительные меры предосторожности. Поутру ящерица высовывает голову из норы, подставляя солнцу большую кровеносную пазуху. И лишь когда нагретая кровь обеспечит нужную температуру тела, ящерица вылезает наружу целиком, готовая при необходимости «унести ноги».

Змеи, подобно человеку и насекомым, вырабатывают тепло сокращением мышц. В 1832 г. французский ученый П. Ламар-Пико предположил, что индийский тигровый питон, сворачиваясь кольцами вокруг кладки яиц, согревает их исключительно теплом собственного тела. В то время к его гипотезе отнеслись скептически, и она была отвергнута Французской академией наук как «спорная и опасная». Однако Ламар-Пико оказался прав. Исследования, проведенные в 1960-х гг., показали, что сокращением мышц питон способен поддерживать температуру тела на 5° С выше температуры окружающей среды.

Крайними способами поведенческой адаптации к холоду являются миграция и зимовка. Мелким млекопитающим в холодном климате не удается поддерживать внутреннюю температуру в 37° С, поскольку им просто не хватает пищи, чтобы обеспечить организм «топливом». Поэтому они на время отказываются от гомойотермности и впадают в спячку, дожидаясь пока потеплеет. Поскольку холодным тканям требуется меньше энергии, метаболические процессы замедляются, тем самым сберегая энергетические запасы, а температура тела постепенно опускается до температуры окружающей среды. Сердечный ритм, дыхание и биохимические реакции тоже затормаживаются. При этом зимняя спячка не пускается на самотек – это не просто отказ от обогрева организма, а переключение «термостата» на более низкую температуру. Если температура окружающей среды падает ниже 2° С, животные начинают активно вырабатывать тепло, поддерживая температуру тела между двумя и пятью градусами, чтобы не промерзнуть. В сильный мороз они могут даже проснуться. Механизмы, погружающие животное в спячку, регулируются температурой, длиной светового дня и доступностью пищи – сокращение этих параметров сигнализирует о приближении зимы. Весной животное выходит из спячки стремительно, поэтому внутренняя температура может в течение полутора часов подскочить на 30° С. Быстрому пробуждению способствуют гормоны, активирующие метаболизм в буром жире, который и согревает тело зверька.

Мелкие птицы отряда воробьиных мигрируют зимой в теплые широты или переселяются с гор в долины. Это помогает им избежать зимних холодов и бескормицы, но в то же время требует определенной физиологической адаптации. Большинству мелких птиц необходимо как следует откормиться перед перелетом, поскольку он отнимает много сил и энергии. Многим приходится делать по дороге остановки для пополнения энергетических запасов, поскольку перелет накладывает весовые ограничения и запасти весь необходимый объем сразу птицы не могут. Забавно, что люди, улетающие в теплые края на зимний отдых, наоборот, стараются перед поездкой сбросить вес.

Жизнь на полюсах

Полярные широты, как и горные вершины, опасны не только из-за холода. В летние месяцы солнце на полюсах не заходит вообще, а просто кружит по небу. В ясную погоду сильное излучение может вызвать солнечные ожоги. Отраженный от снега и льда свет слепит глаза, поэтому для спасения от так называемой снежной слепоты – ожога роговицы, при котором в глаза будто песка насыпали и больно моргать, – необходимо носить солнечные очки. Снежные бураны – когда земля и небо сливаются в одно неразделимое пространство – сильно затрудняют передвижение. Предметы не отбрасывают тени, неровности почвы невозможно различить, а снег и лед оказываются одного оттенка с зияющей рядом полыньей. Поэтому на каждом шагу можно неожиданно провалиться в трещину или врезаться в глыбу льда высотой по грудь. Добыча пищи и воды становится еще более трудоемкой, поэтому без подходящих вспомогательных средств жизнь в холоде для человека опасна, как не раз доказывали на собственном нелегком опыте полярники и альпинисты.

5. Жизнь в скоростном ряду

«А ну, давай! – кричала Королева. – Еще быстрее!»

Льюис Кэрролл. Алиса в Зазеркалье

Ветреным майским днем 1954 г. на спортивную площадку Иффли-Роуд в Оксфорде прибыл молодой бегун, собирающийся принять участие в соревнованиях между Оксфордским университетом и Ассоциацией спортсменов-любителей. Из-за шквалистых ветров, дующих уже который день, соревнования не благоприятствовали мировым рекордам по бегу. Однако Роджеру Баннистеру удалось пробежать милю меньше чем за четыре минуты. Баннистер, выпускник Оксфордского медицинского факультета и уже знаменитый бегун на милю, выступал за команду Ассоциации вместе со своими друзьями Крисом Чатауэем и Крисом Брейшером. Оба Криса сыграли немаловажную роль в его победе, задавая темп и следя, чтобы Роджер не зарвался, не растратил все силы на раннем этапе и смог выдержать темп на протяжении всей дистанции. Баннистер пересек финишную черту через 3 мин. 59,4 сек. и повалился на землю. Как он писал позже в своей автобиографии: «Я чувствовал себя сгоревшей фотовспышкой, лишившейся воли к жизни… Кровь отхлынула от мышц, ноги подкосились. Все конечности будто зажали в тугих тисках». Однако паралич был временным. Через несколько минут, когда объявили результат и раздался восторженный рев болельщиков, Баннистер с друзьями совершили круг почета по стадиону. Победа Баннистера вошла в число величайших атлетических достижений столетия, и хотя сэр Роджер стал впоследствии выдающимся неврологом, большинство помнят его именно по той исторической победе.

До того как Роджер Баннистер установил свой рекорд, считалось, что пробежать одну милю менее чем за четыре минуты невозможно. Продемонстрировав, что это не так, он расширил горизонты для других спортсменов, и через несколько месяцев был побит уже и его рекорд. На сегодняшний день многим бегунам (но пока не бегуньям) удалось не только повторить, но и превзойти его достижение.

Текущий мировой рекорд в беге на милю, составляющий 3 мин. 43,13 сек., был установлен марокканцем Хишамом эль-Герружем 7 июля 1999 г. При этом его результат всего на 1,26 сек. превосходит предыдущий рекорд, принадлежащий Нуреддину Морсели. Постоянно оспариваются и другие мировые рекорды, причем разница между результатами сокращается все больше. Последние рекорды в стометровке, установленные Морисом Грином в 1999 г. и Усэйном Болтом в 2009-м, составляют 9,79 и 9,58 с. соответственно. Двадцать одна сотая секунды за десять лет. Возможно, нынешний мировой рекорд – это и есть практически предел человеческой скорости.

В этой главе мы рассмотрим физиологические рамки скорости, выносливости и силы, а также факторы, определяющие быстроту нашего бега, дальность прыжка и предел поднимаемого веса.

Энергетические вопросы

Когда бегун ждет выстрела стартового пистолета, в его организме заблаговременно включаются различные механизмы, готовящие тело к предстоящей гонке. Повышается уровень адреналина в крови, учащая пульс и заставляя сердце сокращаться сильнее. В результате возрастает объем крови, перекачиваемой с каждым ударом. Дыхание делается глубже и может слегка участиться. Мышцы напрягаются, кровоток от других тканей перенаправляется к ножным мускулам. Все это происходит еще до того, как спортсмен пустится бежать.

Ба-бах! Гремит выстрел, бегуны срываются с места. Моментально подскакивает частота и глубина дыхания. Сердечный ритм стремительно поднимается до максимального, возрастает объем крови, выбрасываемой с каждым ударом. Гемоглобин в эритроцитах отдает мышцам больше кислорода в ответ на их возросшую потребность. Когда спринтер мчится во весь опор, его мышцы вырабатывают гигантское количество тепла и кожа краснеет, поскольку кровь приливает к поверхности, чтобы помочь телу охладиться. Через несколько секунд бега изначальные запасы энергии истощаются, в мышцах начинает накапливаться молочная кислота и спортсмен ощущает нехватку кислорода. Дальше наступает предел усталости, поскольку организм уже не может с необходимой оперативностью обеспечивать мышцы топливом и кислородом. Если бегун не останавливается, процессы идут на спад. Сердечный ритм становится неравномерным, минутный объем сердца уменьшается, падает содержание кислорода в крови и повышается температура тела. Бегун теряет координацию и близок к потере сознания.

Никто, даже самый опытный спортсмен, не сможет долго бежать на пределе возможностей. Бег на длинные дистанции требует других навыков. Для того чтобы максимально быстро преодолеть большое расстояние, темп должен быть медленнее – только тогда мышцы смогут снабжаться топливом и кислородом, не исчерпывая своих ресурсов. Марафонцам приходится искать компромисс между скоростью и выносливостью.

Ключ к этому компромиссу – в том, насколько быстро вырабатывается энергия (в виде аденозинтрифосфата), необходимая для сокращения мышц. Аденозинтрифосфат (АТФ) – это очень специфическая молекула. Это универсальный источник энергии, биохимическое топливо, которое питает клетки всех живых организмов, от бактерий до растений и животных. АТФ состоит из аденозина и трех остатков фосфорной кислоты (фосфатных групп). Остаток фосфорной кислоты – это самая важная часть молекулы, поскольку фосфатные группы присоединяются с помощью высокоэнергетических химических связей. При отщеплении фосфатной группы высвобождается содержащаяся в связях энергия, которая идет затем на сокращение мышц. Однако КПД сокращения невысок, поэтому в работе задействуется примерно половина накопленной в АТФ энергии. Остальная выделяется в виде тепла – вот почему от бега нам становится так жарко.

Несмотря на повышенную потребность в АТФ, в мышцах ее очень мало – хватит всего на одну-две секунды интенсивной нагрузки. Поэтому запасы АТФ необходимо постоянно пополнять, присоединяя фосфатную группу к молекуле аденозиндифосфата (АДФ), образующейся при отщеплении одной фосфатной группы. Непосредственным источником высокоэнергетического фосфата для восстановления АТФ служит креатинфосфат, присутствующий в мышцах в относительном избытке. Креатинфосфат также является высокоэнергетическим соединением, однако, в отличие от АТФ, не может напрямую использоваться для сокращения мышц. Вместо этого он отдает высокоэнергетический фосфат в АДФ, образуя АТФ. Креатинфосфата в мышцах хватает на шесть-восемь секунд полной нагрузки – спринтерский рывок на 50 м или теннисную подачу, пушечным ударом посылающую мяч через весь корт на скорости более 200 км/ч, но и эти запасы тут же истощаются.

Когда заканчивается креатинфосфат, запасы АТФ пополняются за счет метаболизма (расщепления) углеводов или жиров. В мышцах содержится ограниченный запас углеводов в форме гликогена (животного крахмала), составляющего обычно 1–2 % мышечной массы. Его хватает примерно на час нагрузки, после чего глюкозу и жир приходится извлекать из «кладовых» печени и жировых тканей. Для расщепления жира требуется кислород, а углеводы расщепляются либо кислородным путем (аэробным), либо бескислородным (анаэробным). При аэробном метаболизме, ввиду повышенной потребности в кислороде, энергия вырабатывается медленнее, чем при анаэробном. Это значит, что жиры в качестве непосредственного источника энергии уступают гликогену или глюкозе. Кроме того, жирам для расщепления требуется больше кислорода. Таким образом, для быстрого бега лучшим топливом являются углеводы.

Анаэробное расщепление гликогена и глюкозы выступает источником срочного пополнения запасов АТФ при интенсивной нагрузке и поэтому играет большую роль в таких видах спорта, как футбол, для которого характерны короткие рывки, истощающие запасы АТФ. Однако анаэробный метаболизм не может продолжаться бесконечно, поскольку в результате образуется молочная кислота, замедляющая работу мышц и вызывающая усталость. Процесс этот, кроме того, вызывает боль и приводит к «работе на разрыв аорты», о которой так часто говорят тренеры. В данном случае «на разрыв аорты» значит на пределе своих анаэробных возможностей. После окончания нагрузки молочная кислота должна выводиться из организма, и на это тоже требуется кислород. Британский физиолог Арчибальд Хилл назвал это дополнительное количество кислорода «кислородной задолженностью». Именно из-за нее после жаркого матча в сквош мы еще долго не можем отдышаться, даже перестав прыгать с ракеткой. Чем интенсивнее тренировка, тем больше образуется молочной кислоты и тем больше времени требуется на восстановление. То есть анаэробная нагрузка хоть и позволяет выиграть время, но ненадолго и дорогой ценой.

Несмотря на то что при анаэробном метаболизме энергия высвобождается быстро, АТФ образуется сравнительно немного – всего две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Аэробный метаболизм в этом отношении гораздо эффективнее, поскольку производит на целых 34 молекулы АТФ больше. Любая нагрузка, длящаяся дольше двух-трех минут, происходит за счет увеличивающегося аэробного метаболизма. В беге на 1000 м (2,5 мин.) аэробный метаболизм обеспечивает примерно половину энергии, в четырехминутном забеге на милю – 65 % энергии, а в марафоне – почти всю энергию. Поскольку для аэробного метаболизма требуется кислород, скорость производства АТФ ограничена скоростью поставки кислорода к тканям. Что, в свою очередь, зависит от возможностей сердца и легких.

Потребность в кислороде

В покое взрослый человек потребляет около трети литра кислорода в минуту. При интенсивной нагрузке потребность в кислороде возрастает более чем в 10 раз у неспортивных людей и до 20 раз у спортсменов. Это значит, что должна сильно возрасти скорость, с которой кислород поглощается легкими и поставляется сердцем и кровеносной системой к тканям. Как ни удивительно, фактором, ограничивающим потребление кислорода мышцами, служит не объем легких и не способность мышц извлекать кислород из крови, а скорость, с которой сердце перекачивает кровь.

Нормальный систолический объем крови составляет 5,5 л в минуту, то есть за минуту через сердце перекачивается почти вся имеющаяся в организме кровь (5 л). При интенсивной нагрузке минутный объем может возрастать в 5 раз у обычного человека, а у тренированного спортсмена мирового класса еще больше – у них максимальный систолический объем составляет 35–40 л в минуту. В результате возрастает не только приток крови к скелетным мышцам (которые двигают конечностями), но и извлечение кислорода из воздуха. Поскольку кровь быстрее проходит через легкие, за минуту она забирает больше кислорода.

Как сердце регулирует систолический объем в соответствии с потребностями работающих мышц? Один способ – увеличить частоту сердцебиения. Это достигается за счет выброса в кровь адреналина. Другой способ – увеличить объем крови, перекачиваемой сердцем. К этому тоже приводит выброс адреналина и еще один механизм, названный эффектом Франка – Старлинга в честь открывших его физиологов Отто Франка и Эрнеста Генри Старлинга. Их исследования показали, что, растягиваясь от притока венозной крови, сердечная мышца сокращается сильнее, увеличивая объем крови, выбрасываемой при каждом ударе. Когда сердечный ритм повышается, кровь циркулирует быстрее, поэтому левый желудочек заполняется венозной кровью скорее и плотнее, тем самым увеличивая силу сердечных сокращений. Однако объем крови, перекачиваемой с каждым ударом, не может увеличиваться бесконечно – он достигает предела, когда нагрузка составляет примерно треть от пиковой. Дальнейшее увеличение минутного объема кровообращения происходит исключительно за счет ускорения сердечного ритма.

В замкнутых системах, таких как кровеносная, увеличение насосной силы сердца приведет к увеличения давления, если одновременно не снизится сопротивление кровотоку. Так, например, закачивание воздуха в пустую велосипедную камеру повышает давление, если камера целая, но если она дырявая, то качать бесполезно. При нагрузке кровяное давление не повышается, поскольку значительно падает сопротивление благодаря массированному оттоку крови к мышцам. У покоящейся мышцы капилляры в основном сжаты. Под нагрузкой эти дремлющие капилляры расширяются для более интенсивного снабжения кровью и, соответственно, кислородом. Объем извлекаемого из крови кислорода также возрастает: в покое мышцы потребляют лишь около 25 % поставляемого кровью O2, но при сильной нагрузке эта доля увеличивается до 85 %.

Однако увеличения минутного объема может оказаться недостаточно для того, чтобы питать кислородом интенсивно работающую мышцу, поэтому при самых серьезных нагрузках кровь к мышцам перенаправляется от мало задействованных в данный момент органов. Почки, например, могут получать в таком случае менее четверти обычного объема крови. Приток крови к коже, наоборот, не уменьшается или даже возрастает, чтобы сбрасывать тепло, вырабатываемое мышцами. Больше крови требует и сердечная мышца – это знают по себе страдающие коронарной недостаточностью. Физическая нагрузка вызывает у них боль в груди, поскольку поврежденные коронарные артерии не могут обеспечить возросшие потребности сердечной мышцы. Неизменным остается только кровоснабжение головного мозга.

Общеизвестно, что при беге мы дышим глубже и чаще, и чем интенсивнее нагрузка, тем чаще дыхание. Резкая смена дыхания происходит в течение нескольких секунд после начала нагрузки, еще до того, как мышцам понадобится дополнительный кислород. Организм будто предугадывает скорый рост потребления и готовится заранее. Если нагрузка продолжается, дыхание учащается еще больше. Физиологи до сих пор выясняют, за счет чего происходит смена дыхательного ритма. Однако достоверно известно, что дыхание в число ограничивающих нагрузку факторов не входит. Человеку не может «не хватить дыхания». Наоборот, многие дышат даже слишком часто. Выглядит это так, будто человек судорожно хватает воздух, но проблема не в том, что легким не хватает кислорода, а в том, что сердце не успевает оттранспортировать его к тканям. Только на больших высотах дыхание может как-то влиять на объем нагрузки.

Физические упражнения не просто помогают поддерживать тело в хорошей форме, от них есть и другая польза. Например, они повышают настроение. У бегунов в кровь выбрасываются химические вещества под названием эндорфины. В их названии (эндогенные морфины) отражена способность воздействовать на те же рецепторы, на какие действуют морфины. Подобно синтетическим опиатам, они снимают боль, способствуют расслаблению и улучшают самочувствие. Если человек несколько подустал от жизни, ему настоятельно рекомендуется выйти во двор и поделать зарядку. Эндорфины помогут поднять настроение, а упражнения добавят бодрости, и вы сразу почувствуете себя молодцом.

В отличие от опиатов вроде морфина и опия, попасть в зависимость от эндорфинов, которые вырабатываются в небольшом количестве и оказывают слабое воздействие, вряд ли получится. Однако многие поклонники спорта успевают пристраститься к «тренировочной эйфории», и вынужденный отказ от тренировок из-за травмы или болезни вызывает у них беспокойство и раздражение. Опасаться этого, наверное, не стоит. В конце концов, привычка к регулярным занятиям физкультурой – всегда на пользу.

Ты то, что ты ешь

Если для болидов «Формулы-1» используется особенное высокооктановое топливо, то для мировых рекордов необходима особая диета. Спортсмены сжигают калории в избытке. У лидера гонки «Тур де Франс» уходит около 5900 ккал в день, у триатлонистов – около 4800 ккал, у футболистов – до 1500 ккал в день только на тренировках, а марафонский забег отнимает примерно 3400 ккал{26}. Примерно столько же уходит у рабочих, занимающихся интенсивным физическим трудом – например, лесорубов. Неспортивному домоседу, в отличие от них, требуется совсем немного, около 1500–2000 ккал в день (однако потребляет он зачастую гораздо больше).

Традиционно спортсменам рекомендуется белковая диета. Когда я училась в университете, одним из преимуществ попадания в команду по гребле было особое питание – бифштекс на завтрак, обед и ужин (для наращивания мышечной массы и повышения выносливости). Согласно недавнему опросу, 98 % участников университетских сборных также полагаются на белковую диету, считая, что она помогает улучшить результаты. Однако надежды эти беспочвенны, поскольку нет никакого научного подтверждения тому, что повышенное потребление белков или дорогих белковых добавок способствует спортивным достижениям.

Совсем другое дело углеводы. Многие исследования свидетельствуют, что высокоуглеводная диета повышает результаты. Для физически активного человека около 60 % кал должно поступать с углеводами, а для интенсивно тренирующегося – пожалуй, все 70 %. Основным источником топлива для аэробного и анаэробного метаболизма является гликоген – углеводы, запасаемые в мышцах и в печени. Чем интенсивнее нагрузка, тем больше гликогена потребляет организм. Запасов гликогена в мышцах хватает примерно на час тренировки, и если она длится дольше, то истощаются и запасы гликогена в печени. Тогда силы спортсмена уменьшаются, поскольку энергию приходится добывать из жиров, а они не могут поставлять АТФ с той же скоростью, что и углеводы.

Во время изнурительных упражнений происходит значительное истощение гликогеновых запасов и их необходимо сразу же восполнять, иначе спортсмен не сможет на следующий день тренироваться с той же нагрузкой. Это значит, что после хорошей тренировки лучше (как ни печально) подкрепиться картошкой с хлебом, чем копченой семгой со сливочным сыром. Вторая же трудность состоит в том, что даже при достаточном потреблении углеводов гликогеновые запасы восполняются не слишком быстро – на это уходит около суток. А значит, непродуманные напряженные тренировки могут постепенно истощить мышечные запасы гликогена подчистую. В результате наступает «застой», когда спортсмен все больше переутомляется из-за нехватки энергии и сил.

Представители дисциплин, требующих от спортсмена особой выносливости, иногда специально накачиваются углеводами, чтобы максимизировать запасы гликогена в мышцах перед соревнованиями. Путем проб и ошибок удалось установить, что сперва для этого необходимо сбросить накопленный в соответствующих мышцах гликоген с помощью интенсивной нагрузки. Для марафонца, например, это бег на 20 миль. Дальнейшее освобождение осуществляется за счет умеренных тренировок в течение нескольких дней при низкоуглеводной диете. Затем, за два – три дня до соревнований, нагрузка снижается, а диета сменяется высокоуглеводной. В результате истребления гликогеновых запасов и высокоуглеводной диеты происходит «затаривание» тренированных мышц гликогеном. Однако такой способ подходит лишь для дисциплин на выносливость, которые предполагают высокоинтенсивную нагрузку, продолжительностью более часа. В других видах спорта достаточно обычной сбалансированной диеты.

Идеальным топливным ресурсом выступает жир, поскольку при том же весе он содержит больше энергии, чем углеводы. Потенциальная энергия жировых запасов среднестатистического студента мужского пола составляет целых 95 000 ккал – более чем достаточно, чтобы пройти пешком 9500 миль (три раза от Бостона до Сан-Франциско). У женщин жировых запасов больше, поэтому их хватит еще на более дальнюю дистанцию. Энергии из углеводных запасов хватает лишь на 20-мильную прогулку. Из этого следует, что марафонцам, для того чтобы добраться до финиша, необходимо рассчитывать именно на жировые запасы. При умеренной нагрузке в течение первого часа энергия поступает примерно в равных количествах из жиров и углеводов, однако потом углеводные запасы постепенно истощаются и организм все больше расходует жиры. Немаловажный факт для худеющих.

Скорость против выносливости

Трудно преуспеть во всех видах спорта. Спринтеры и тяже– лоатлеты плохо приспособлены к дисциплинам на выносливость, тогда как марафонцы пробегают 26 миль, покрывая примерно одну милю в пять минут, но уложиться в четыре минуты в забеге на милю не могут. Эти различия связаны как с генетическими особенностями спортсменов, так и с воздействием тренировок на сердце и скелетные мышцы.

Мышцы, с помощью которых мы двигаем конечностями, состоят из множества отдельных клеток под названием «мышечные волокна». Эти волокна прилегают друг к другу, образуя длинные тонкие мышечные пучки, придающие мясу его волокнистую структуру. Мышечные пучки, в свою очередь, собираются в мышцы и прикрепляются к костям сухожилиями. Мышечные волокна бывают двух видов – быстрые и медленные. Быстрые, как следует из названия, сокращаются стремительно. Однако они и устают быстро. Они задействуются при короткой интенсивной нагрузке, в спринте или тяжелой атлетике, а также в тех видах спорта, где необходимы короткие интенсивные рывки – как в хоккее на льду, например. Быстрые мышцы работают в основном на анаэробном метаболизме, не требующем кислорода. Второй тип мышц сокращается по крайней мере в два раза медленнее быстрых, однако при этом они отлично сопротивляются усталости. Метаболизм в них происходит с участием кислорода, и эти мышцы задействуются в спорте, требующем выносливости, – беге на длинные дистанции или плавании.

У неспортивного человека медленные мышцы составляют примерно половину всех мышечных волокон, однако у спортсменов-стайеров, например лыжников, участвующих в кроссах, их доля доходит до 90 %. И наоборот, у спринтеров и тяжелоатлетов преобладают быстрые мышцы. Как несложно догадаться, у спортсменов, специализирующихся на средних дистанциях или представляющих дисциплины, где нужна и скорость, и выносливость (футбол, например), быстрых и медленных мышц примерно поровну. Поэтому такое процентное соотношение совсем не обязательно характеризует человека как неспортивного лежебоку. Разумеется, человек, у которого изначально преобладают быстрые мышцы, больше приспособлен к спринту, чем к марафону. Остается выяснить, обусловлено ли преобладание того или иного типа волокон чистой генетикой или поддается исправлению с помощью тренировок. Пока считается, что тренировки мало влияют на соотношение типов мышц у человека – быть ему спринтером или стайером, определяет генетика.

Как сокращаются мышцы

Механизм сокращения мышц ставил ученых в тупик не одно столетие. Не далее как в 1950-х было высказано предположение, что сокращение мышцы происходит за счет укорачивания самих сократительных белков. Другими словами, сократительный белок из растянутого состояния переходит в сжатое, подобно молекулам резины в эластичном бинте, который сперва растянули, затем отпустили, или виткам «шагающей пружины».

Сейчас уже известно, что гипотеза эта была ошибочной. Сокращение мышц происходит, когда белковые нити двух типов скользят параллельно друг другу, обеспечивая укорачивание мышцы, но сами при этом не меняются в длину. Попробуйте сперва сомкнуть кончики пальцев обеих рук, а затем сцепить пальцы в замок, и вы получите ту же картину: общая длина сократится, а длина пальцев – разумеется! – останется прежней.

Сократительные белки бывают двух типов – в виде толстых и тонких нитей. У толстых по всей длине имеется множество крючков, которые могут цепляться за определенные участки тонких нитей. Разрывая эти связующие перемычки и вновь возводя их чуть дальше, толстые нити протягивают тонкие между собой, тем самым сокращая мышцу. Чем больше нахлест нитей, тем больше образуется перемычек и тем большую силу развивает мышца. И наоборот, когда мышца растянута, перемычек не образуется и сила не развивается, поэтому мышца расслаблена.

Как именно работают эти перемычки между толстыми и тонкими нитями, пока не очень понятно, и физиологам еще предстоит разгадать эту загадку. Однако точно известно, что разрыв и восстановление перемычек – процесс энергоемкий, с расходованием АТФ. Именно поэтому, когда после смерти уровень АТФ в организме падает, наступает трупное окоченение, поскольку для разрыва перемычек требуется энергия, и без АТФ мышца не может разжаться.

Различия в типах мышц наблюдаются не только у млекопитающих. У пелагических рыб, живущих в толще или на поверхности воды (таких как скумбрия или тунец), имеются медленные мышцы, отвечающие за непрерывное фланирование на невысокой скорости, и быстрые, которые включаются во время коротких рывков – например, когда надо удрать от хищника. Эти два типа мышц выглядят совершенно по-разному, как вы сможете убедиться сами, рассмотрев разделанного тунца в ближайшем рыбном отделе или попросив в суши-баре «торо» и «магуро». Быстрые мышцы – белого цвета. Медленные мышцы – насыщенно красного, поскольку содержат большое количество родственных гемоглобину молекул белка миоглобина. Он выступает временным источником кислорода, когда при интенсивном сокращении мышц капилляры сжимаются и уменьшается приток обогащенной кислородом крови. Когда приток крови восстанавливается, происходит пополнение израсходованных запасов.

Полный вперед!

Сердечный ритм у спринтера учащается еще до того, как он пускается бежать. Когда он сжимается в пружину на низком старте, напряжение стимулирует выброс в кровь адреналина, который переключает сердце на «повышенную передачу». Ученые установили, что перед забегом на 60 ярдов (около 60 м) пульс тренированного спортсмена взлетает до 148 ударов в минуту (т. е. сразу на 75 % от общего учащения сердечного ритма во время забега). Для короткого рывка такое предваряющее учащение крайне важно, поскольку «разогревает» тело перед предстоящей нагрузкой. Для длинных дистанций, где быстрый старт не так важен, оно малосущественно. Замечено также, что, чем длиннее предстоящая дистанция, тем меньше учащение сердечного ритма перед стартом. Значит ли это, что напряжение (а следовательно, и уровень адреналина) перед долгим забегом ниже?

Для спринтера крайне важен хороший старт. Он позволяет отвоевать те самые жизненно важные сотые доли секунды, которые отделяют победу от поражения. Однако слишком спешить тоже нельзя, иначе могут дисквалифицировать за фальстарт. Где же граница между «достаточно быстро» и «чересчур быстро»? Очевидно, что ее определяет быстрота реакции спортсмена – пока спортсмен услышит стартовый сигнал, пока нервные импульсы дойдут от уха до мозга, обработаются в коре и новые импульсы отправятся от мозга к ногам. Быстрота реакции человека лежит в пределах от 0,1 до 0,2 сек., поэтому Международной ассоциацией легкоатлетических федераций (ИААФ) установлено, что бегун, сорвавшийся со стартовой отметки раньше 0,1 сек., совершает фальстарт. На Олимпийских играх 1996 г. в Атланте британский бегун на 100 м Линфорд Кристи пустился бежать через 0,08 сек. после стартового выстрела и был дисквалифицирован. Возможно, впрочем, несправедливо. Как показывают последние исследования, в некоторых случаях человеческая реакция может оказаться быстрее 0,1 сек. Физиолог Жозеп Вальс-Соле и его коллеги установили, что время, которое требуется человеку на то, чтобы шевельнуть запястьем или ступней в ответ на световую вспышку, может сократиться почти вдвое, если к вспышке добавить громкий звуковой сигнал. Они предположили, что эта так называемая «стартовая реакция» поступает в мозг, минуя кору, более короткими и быстрыми путями. Интересно, что испытуемые сами заметили разницу – движение во втором случае получалось безотчетное, нецеленаправленное. Возможно, ведущим спортсменам удается выработать именно такую реакцию, «настраивая» себя на старте.

Интенсивная кратковременная нагрузка требует очень быстрого пополнения запасов энергии. Сперва почти вся энергия поступает из имеющихся запасов АТФ и креатинфосфата, которых хватает на 15 секунд предельного напряжения сил. Затем включается анаэробный метаболизм, перерабатывающий в АТФ мышечные запасы гликогена. Анаэробный метаболизм происходит без участия кислорода, поэтому сто с лишним метров спортсмен может пробежать на задержке дыхания без потери скорости (некоторые так и поступают). Однако при анаэробном метаболизме образуется молочная кислота, которая накапливается в мышцах и вызывает усталость. Именно из-за постепенного накопления молочной кислоты стометровку и двухсотметровку спринтер пробегает примерно с одинаковой скоростью, а на дистанции свыше 400 м скорость уже значительно ниже. Майкл Джонсон, которому принадлежат текущие рекорды в беге на обе дистанции, преодолел 200 и 400 м за 19,23 и за 43,18 сек. соответственно. Чтобы выдержать на 400 м ту же скорость, что и на 200 м, ему пришлось бы уложиться в немыслимые 38,46 сек.

Запасы креатинфосфата в мышцах определяют, сколько человек сможет пробежать на максимальной скорости, поскольку лишь после истощения этих запасов включается анаэробный метаболизм и начинает накапливаться молочная кислота. Для высококлассного спринтера это существенно, поскольку победу от поражения (олимпийскую золотую медаль и дырку от бублика) в его дисциплине могут отделять сотые доли секунды. Таким образом, человек, обладающий от природы низким уровнем креатина, заведомо обречен на проигрыш. Уравнять шансы помогают креатиновые добавки. При обычном рационе запасы пополняются примерно на один грамм в день, на вегетарианской диете почти не пополняются, поскольку основным источником креатина служат мясо и рыба. Принимая по 20 г чистого креатина в день (что гораздо предпочтительнее, чем съедать по 15 бифштексов, чтобы усвоить такое же количество из пищи) в течение нескольких дней, можно существенно повысить уровень креатина в мышцах, улучшить спринтерские результаты и обеспечить более интенсивные тренировки. Прием креатина не нарушает антидопинговые правила Международного олимпийского комитета и не имеет побочных эффектов (во всяком случае, на данный момент таковых не выявлено).

Достаточно одного взгляда на спринтера мирового уровня вроде Мориса Грина, чтобы заметить: его комплекция отличается он комплекции бегунов на длинные дистанции. Скорость – синоним силы, поэтому спринтеры обладают развитой мускулатурой, ведь чем крупнее мышцы, тем они мощнее. Несложно догадаться, что для «выстреливания» из стартовых колодок и стремительного набора скорости необходимы сильные ножные мышцы. О мышцах корпуса тоже нельзя забывать, поскольку при беге спортсмен изо всех сил отталкивается от земли обеими ногами попеременно. Корпус при этом разворачивает из стороны в сторону, что снижает скорость бега, поэтому спортсмен должен удерживать его прямо, а для этого нужна сила.

Любому бегуну приходится преодолевать сопротивление воздуха. Бежать против ветра гораздо сложнее, чем когда он дует в спину и подгоняет спортсмена. Именно поэтому мировой рекорд фиксируется лишь в том случае, если скорость попутного ветра не превышает трех миль в час. На борьбу с сопротивлением воздуха у спринтера уходит около 13 % энергии. У бегуна на средние дистанции – около 8 % (поскольку скорость бега меньше). Снизить сопротивление почти до нуля можно, пристроившись за чьей-то спиной, – бегунам на средние дистанции разрешается перестраиваться в процессе забега, в отличие от спринтеров, бегущих каждый по своей дорожке. Поэтому, понаблюдав за группой бегунов, делающих круг по стадиону, вы увидите, что некоторые пристраиваются за лидером, укрываясь за его спиной от встречного потока, а перед финишем делают решающий рывок. Ту же тактику используют велосипедисты и жокеи. Особенно это заметно на командных велогонках, когда лидеры в команде чередуются через каждые несколько минут. Стратегия не менее важна для победы, чем физические способности.

Не сойти с дистанции

В V в. до н. э. в Грецию вторглись персы. Они высадились у Марафона, небольшого селения к северу от Афин. Войско их было так велико, что прибывшие афиняне, увидев, насколько противник превосходит их числом, разослали по всей Греции гонцов с просьбой прислать подкрепление. Согласно Геродоту, опытный бегун Фидиппид, отправленный в Спарту, прибыл туда через день после старта из Афин, покрыв расстояние в 150 миль. По легенде, через несколько дней он пробежал еще 25 миль{27} от Марафона до Афин, чтобы возвестить о победе греков над персами. Однако это не более чем легенда, поскольку в это время Фидиппид еще не вернулся из Спарты, и первым марафонцем стал на самом деле другой воин – Эвклес. Вероятно, он был не таким опытным бегуном, как Фидиппид, поскольку, сообщив радостную весть, свалился замертво, обессмертив одновременно свой подвиг. К счастью, в наше время случаи смерти марафонцев на финишной прямой крайне редки.

Очень символично, что победителем в первом марафоне современных Олимпийских игр, состоявшихся в 1896 г. в Афинах, тоже стал грек. В этих любительских, проникнутых доброжелательной атмосферой состязаниях спортсмены сами делали заявку на участие. Вот что писал Томас Кертис, американец, победивший в беге с барьерами:

«В последний день состязаний Греция взяла свое. В большом марафонском забеге остальных участников опередил греческий погонщик ослов Луис. Когда он показался на финишной прямой, 125 000 человек пришли в неистовство. Со стадиона в небо взмыли тысячи белых голубей, спрятанных в ящиках под сиденьями. Овация была громогласной. Победителя увенчали всеми лаврами, которые доставались олимпийцам древности, и множеством новых. На этой триумфальной, радостной ноте и закончились соревнования».

После такого феерического начала марафон стал популярным соревнованием, в котором проверить себя на выносливость могут и спортсмены, и обычные люди. В Лондонском марафоне ежегодно принимает участие более 30 000 человек (и принимало бы еще больше, если бы не ограничения на количество заявок). Похожие забеги проводятся по всему миру. Однако марафон – это еще не самое изнурительное испытание. Существуют и более длинные забеги по более сложной местности, как, например, «Песчаный марафон» – 130 изматывающих миль по барханам Сахары под палящим солнцем – или марафонский спуск со склона Эвереста со всеми прилагающимися высотными трудностями. Кроме того, есть еще триатлон серии «айронмен» – наверное, самая суровая из всех дисциплин, включающая марафон, велогонку на 112 миль и напоследок двухмильный заплыв. Первые соревнования по триатлону состоялись в 1978 г. на Гавайях и собрали всего 14 участников. Однако затем этот вид спорта, как и марафон, стал стремительно обретать популярность, и сегодня в состязаниях по триатлону на разных дистанциях соревнуется по всему миру несколько миллионов человек. Ведущие триатлонисты, как и их коллеги декатлонисты, – это совершенно особое братство избранных, поскольку добиваются высочайших результатов в нескольких дисциплинах сразу.

Марафон – это испытание на выносливость. Текущий мировой рекорд, принадлежащий бразильцу Рональдо да Коста, составляет 2 ч. 6 мин. и 5 с., то есть около 4,8 мин. на милю. Нетренированный человек даже одну милю пробегает гораздо медленнее. У большинства (даже у тренированных спортсменов) на марафонскую дистанцию времени уйдет намного больше: например, средний результат для Лондонского марафона – три-четыре часа.

Быстрый старт для марафона не важен. Гораздо важнее держать ровный темп на протяжении всей дистанции. Во время долгосрочного забега почти вся энергия поступает за счет аэробного метаболизма, поэтому бегун должен держать скорость, обеспечивающую поступление кислорода к мышцам с соответствующей потреблению скоростью. Логично, что скорость его бега окажется меньше, чем у спринтеров. Однако низкий уровень анаэробного метаболизма минимизирует накопление молочной кислоты, и спортсмен может бежать дольше. В беге на выносливость в основном задействуются медленные мышцы, настроенные на аэробный метаболизм.

Бегуны-стайеры обычно легкие и жилистые – идеальным для них считается соотношение роста (в сантиметрах) и веса (в килограммах) в пропорции три к одному. Доля жира в их теле составляет всего 3 % – меньше, чем у гимнастов и профессиональных футболистов, и существенно меньше, чем у неспортивного человека (у него на жировую прослойку приходится около 15 %). Тем самым сокращается «мертвый груз» и обеспечивается лучшая отдача тепла во время долгого забега. Перегрев – это серьезная опасность для стайера, поэтому бегунов на дистанции постоянно окатывают водой и обеспечивают питьем, а в жарких странах марафон проводится в прохладные утренние часы.

Первые полтора часа забега энергия черпается из мышечных запасов гликогена. Истощив эти запасы, организм постепенно переключается на жир. На расщепление жира уходит больше кислорода, чем на углеводы, поэтому с истощением запасов гликогена возрастает потребность в кислороде. Где-то на пятнадцатой-двадцатой миле большинство бегунов ощущают внезапную усталость и нехватку дыхания, низкий уровень сахара в крови вызывает головокружение и тошноту, и им приходится замедлять темп. Наступает предел возможностей. Вот как описывает это ощущение Майк Страуд: «Все удовольствие пропало. Мысли и тело не слушались, ноги стали одновременно негнущимися и заплетающимися… будто не моими, делали что хотели… Я едва мог бежать дальше и постоянно спотыкался».

Мой знакомый, столкнувшийся с таким же состоянием во время велогонки, подумал сперва, что у велосипеда отказали тормоза. Он слез с велосипеда посмотреть, в чем дело, и только тогда обнаружил, что подвел его не снаряд, а собственное тело. Переключение с углеводных запасов энергии на жировые происходит достаточно неприятно, и даже если продолжать двигаться в замедленном темпе, лучше не становится. Последующие мили даются невероятно тяжело – все, кроме последней. Финишная прямая вызывает выброс адреналина, открывая второе дыхание, на котором новичок (или даже опытный спортсмен) и долетает до финиша.

Упадок сил

Есть люди, у которых одна мысль о физической нагрузке вызывает ощущение усталости, однако на самом деле усталость – это реально существующее физиологическое явление. Это неспособность мышц поддерживать одинаковый КПД при долгом сокращении или серии повторяющихся сокращений. Именно поэтому валится на стол рука в армрестлинге, не получается сделать много подъемов туловища (или, в моем случае, хотя бы один) в упражнении на пресс и бесконечно выдерживать скорость на длинной дистанции.

К усталости могут приводить изменения непосредственно в клетках мышц. Самый очевидный механизм, вызывающий потерю энергии, – это невозможность сохранять баланс между потреблением энергии (т. е. АТФ) сокращающимися мышцами и ее воспроизводством. Однако, хоть уровень АТФ и падает во время интенсивной нагрузки, иссякнуть совсем она не может. Мышечные клетки, в которых АТФ истощается подчистую, вызывают мышечную ригидность, жесткость мышц, которая после смерти человека проявляется трупным окоченением. При жизни даже во время самой сильной нагрузки такой жесткости не возникнет. Возможно, усталость служит в таком случае защитным механизмом, заставляющим мышцы прекратить работу до того, как запасы АТФ истощатся до критического уровня.

Что же провоцирует мышечную усталость? Основных механизмов два, и оба связаны с ионами кальция, вызывающими сокращение мышц. При продолжительном непрерывном сокращении количество кальция, высвобождающегося из межклеточных пространств мышцы, постепенно снижается, и удерживать мышцу в сокращенном состоянии становится труднее. При серии коротких сокращений усталость вызывается другим механизмом. В этом случае мускульные запасы «устают» от постоянных выбросов кальция. Почему так получается, пока непонятно, возможно, это связано с накоплением продуктов метаболизма, возникающего при интенсивной нагрузке. Кроме того, эти продукты препятствуют работе сократительного белка.

В нагрузках на выносливость основной причиной усталости служит истощение запасов гликогена в мышцах. Именно из-за этого иссякают силы, а ноги словно наливаются свинцом. Расщепление жиров по скорости производства АТФ сильно уступает окислению гликогена.

Усталость вызывается также повышением температуры тела. В спринтерском забеге от вырабатываемого мышцами тепла легко избавиться, однако при более продолжительных нагрузках сделать это оказывается сложнее, особенно в жарком климате. Каждый год из-за теплового удара сходят с дистанции по несколько участников Лондонского марафона. Происходит это из-за конфликта между потребностями мышц и теплоотдачей: кровь направляется к кожным покровам для охлаждения и не может одновременно питать кислородом мышцы. Этим недостатком терморегуляции объясняется, почему усталость в жаркой среде наступает быстрее, чем в прохладной. В данном случае это не столько нехватка «топлива», сколько зарождающийся в мозге сигнал сбросить скорость или остановиться, чтобы избежать перегрева. Включается этот механизм, когда внутренняя температура организма поднимается выше 40° С.

И наконец, усталость и мышечная слабость возникают из-за повреждения тканей. Перегруженные мышцы воспаляются и распухают, тем самым теряя способность создавать усилие. Ощущения при этом болезненные. Этот тип усталости возникает после непривычно интенсивной нагрузки, и восстанавливаться приходится по несколько дней. После непривычных упражнений мышцы могут заболеть даже у тренированного человека – как часто случается со многими после первой поездки верхом.

Тренировки

Одним прекрасным летним утром я должна была ехать на автобусе до Лондона. Прособиралась я, как обычно, до последней минуты, поэтому, завернув за угол, увидела, что автобус уже стоит на остановке – до него оставалось метров сто. Поскольку он еще не отправился и к открытым передним дверям тянулась очередь, я решила добежать. Я неслась по тротуару, тяжело дыша, с бухающим в груди сердцем, разгоряченная, как паровоз, только что пар не шел. Непривычные к такому спринту мышцы взбунтовались, в боку закололо (это скопившаяся молочная кислота обожгла диафрагму). До автобуса добежала на последнем издыхании, хватая воздух ртом, с трясущимися, как желе, ногами, вся взмокшая и шатающаяся. Только к середине пути сердце наконец стало биться размеренно, дыхание восстановилось, икроножные мышцы перестали ныть, а я постепенно остыла. Двумя годами ранее, когда я посещала спортзал три раза в неделю, я пробежала бы ту же дистанцию, почти не запыхавшись. А тогда, сидя в автобусе, я чувствовала себя марафонцем на финише. В чем же кроется разница между тренированностью и нетренированностью? Как с помощью тренировок повысить скорость и выносливость?

Один из самых очевидных и наглядных результатов тренировок – развитие мышечной координации. При ходьбе в мышцах сокращаются лишь некоторые из волоконных пучков. При беге в работу включается все большее их число. Для максимальной эффективности пучки мышечных волокон должны сокращаться одновременно. Тренировкой синхронизация этих пучков достигается достаточно быстро, в свою очередь достаточно быстро повышая и скорость, и выносливость. Именно поэтому всего через неделю-две ежедневных тренировок катить на велосипеде в гору становится гораздо легче. Однако даже тренировками добиться одновременного сокращения всех пучков сразу невозможно – иначе от силы сжатия начнут ломаться кости. Скорее всего, именно полная синхронизация мышечных пучков позволяет спортсменам – а иногда и обычным людям – развивать сверхъестественную силу в моменты сильного стресса. Известно немало случаев, когда люди поднимали машину, придавившую жертву аварии, или когда спортсмен вдруг выдавал неповторимый результат, намного превышающий его личный рекорд. Однако синхронизация может быть и разрушительной. В 1995 г. один из участников состязаний за титул самого сильного человека в мире развил, борясь с соперником в армрестлинге, такую силу, что сломал собственную плечевую кость.

Кроме того, тренировки улучшают отработанные движения и способность к принятию решений. Метатель копья лучше понимает, когда отпустить копье; прыгун в длину – когда оттолкнуться, теннисист учится отбивать мяч в недосягаемый для противника угол.

Тренировки отодвигают порог наступления усталости, повышая силу и энергию мышц. В основном это происходит за счет изменений в сердечной и скелетных мышцах – улучшается доставка кислорода к мускулам и повышается КПД энергопроизводства. Улучшения в этих процессах можно добиться даже сравнительно несложными тренировками. Например, дистанция, которую человек способен пробежать, не падая от усталости, увеличивается через три-четыре недели регулярных тренировок более чем в два раза, а выносливость повышается еще разительнее. Спринтерские способности тоже улучшаются тренировками, однако происходит это в основном за счет возможности дольше бежать на максимальной скорости, чем за счет повышения самой скорости.

Самым кардинальным образом тренировки влияют на сердечную деятельность. У тренированного лыжного гонщика-олимпийца максимальный минутный объем сердца в два с лишним раза больше, чем у здорового, но малоподвижного человека того же возраста. Происходит это вовсе не за счет изменения пиковой частоты сердечных сокращений – она остается прежней. Зато повышается систолический объем (объем крови, перекачиваемый сердцем за один удар), тем самым позволяя сердцу спортсмена перекачивать больше крови за минуту, чем нетренированным собратьям. Как показала эхокардиография (метод ультразвуковой диагностики), у марафонцев сердце крупнее. С помощью регулярных аэробных упражнений размер сердца может увеличить и обычный человек.

На максимальную частоту сердечных сокращений тренировки не влияют, однако замедляют пульс в состоянии покоя. Происходит это потому, что при повышенном систолическом объеме сердце перекачивает прежний объем крови за меньшее количество ударов. Если у нетренированного человека пульс равен 70 ударам в минуту, то у ведущего спортсмена он может понижаться и до 50, и даже до 40 ударов. Чтобы понизить частоту сердечных сокращений в состоянии покоя, достаточно даже минимальных тренировок – например, пяти минут прыжков через скакалку ежедневно в течение месяца. Преимущество замедленного в состоянии покоя пульса состоит в том, что до максимального его учащения (около 200 ударов в минуту как у тренированного, так и у нетренированного человека) проходит больше времени. Таким образом, спортсмен повышает максимальный минутный объем и обеспечивает доставку к мышцам гораздо большего количества кислорода.

Влияют тренировки и на скелетные мышцы. В частности, повышается способность вырабатывать высокоэнергетичные молекулы АТФ. Увеличиваются запасы гликогена и эффективность метаболических процессов. В медленных мышечных волокнах, участвующих в нагрузках на выносливость, растет количество митохондрий, фабрик по производству АТФ, и развивается способность использовать жир в качестве топлива. В быстрых мышечных волокнах, работающих в спринте, сокращается накопление молочной кислоты при определенной нагрузке и повышается порог чувствительности к ее избытку. Увеличивается приток крови к мышцам обоих типов, повышается плотность капилляров, обеспечивая лучшее снабжение мышц кислородом. Растет мышечная масса, поскольку растут сами мышечные волокна, повышая мускульную силу. Однако изменения эти носят локальный характер, поскольку «накачиваются» отдельные, тренируемые мышцы. Когда я училась в Кембридже, мой колледж располагался в трех милях от центра города, и нас дразнили, что ежедневными поездками туда-обратно на велосипеде мы накачаем себе гигантские икры. Доля правды здесь есть, но крошечная (любители подразниться никогда не отличались наблюдательностью), поскольку от тренировок на выносливость мышцы растут весьма умеренно. Для того чтобы достичь геркулесовых пропорций Чарльза Атласа, нужна особая программа.

Как ни жаль, достижения от тренировок не вечны. Стоит прекратить тренироваться, и уже через несколько недель сердечный ритм возвращается к прежним показателям. Набрать форму гораздо труднее, чем потерять, и плоды месячных трудов исчезают за какую-нибудь неделю. Однако это не повод вовсе отказаться от спорта, наоборот, знак, что расслабляться нельзя (так я себя уговариваю, по крайней мере).

Предел

В отличие от индивидуальных результатов, которые можно повысить тренировками, общие физические способности закладываются генетически. Гены, влияющие на физическую подготовку, еще только выявляются. Первый доклад о таком гене был опубликован в журнале Nature в 1998 г. Этим геном кодируется ангиотензин-превращающий фермент (АПФ), необходимый для регуляции кровеносной системы. У каждого человека имеется по две копии данного гена – по одной от каждого родителя. Ученые обнаружили, что новобранцы, имеющие по две копии определенного типа (типа I) гена АПФ, могут удерживать тяжести в 11 раз дольше, чем обладатели двух копий типа D. Имеющие по одной копии каждого типа показывали средние результаты. Интересно, что различия эти проявлялись только после десяти недель физической подготовки – до начала активных тренировок никакой разницы в способностях новобранцев не наблюдалось. Альпинисты, которым удавалось спокойно забираться выше 7000 м без кислородного оборудования, тоже имели по крайней мере по одной копии гена АПФ типа I. Этот тип связан с повышенной активностью ангиотензин-превращающего фермента, однако почему он улучшает показатели после тренировок, пока неясно.

В конечном итоге предел скорости и выносливости зависит от физических свойств мышц и сердечно-сосудистой системы. Частота и сила сокращений сердца и скелетных мышц имеют определенные физические ограничения. Максимальная частота сердечных сокращений у молодого человека в хорошей форме составляет около 200 ударов в минуту, независимо от степени тренированности{28}. Этот предел объясняется тем, что время наполнения у сердца конечно, а сокращаться в полупустом состоянии сердцу нецелесообразно. И может даже закончиться печально. При мерцании желудочков сердце бьется бесконтрольно быстро и несинхронно. Большие камеры не заполняются, и, если сердце не удается встряхнуть и заставить биться в обычном ритме, человек умирает. Максимальный объем крови, который может перекачать сердце за один удар, тоже ограничен – размером сердца. Чем крупнее сердце, тем сильнее спортсмен, и именно в увеличении объемов сердца состоит одно из преимуществ регулярных тренировок.

Максимальная сила, которую способны развить скелетные мышцы, составляет около 4–5 килограмм-сил на квадратный сантиметр площади поперечного сечения мышцы (кгс / см2). Таким образом, увеличение силы достигается за счет набора мышечной массы – чем толще мышца, тем она сильнее. При этом некоторые беспозвоночные преуспевают в этом куда больше человека. Двустворчатые моллюски типа мидий, защищаясь от хищников или просто во время отлива, закрывают створки своей раковины. Максимальная сила поперечного мускула, отвечающего за это действие, составляет 10–14 кгс / см2, то есть в 3–4 раза превышает силу мышц млекопитающих. Кроме того, двустворки не открывают раковину по многу часов, поскольку мускул обладает уникальным «запирающим» механизмом, позволяющим оставаться в сокращенном состоянии, не потребляя АТФ. Раскрыть створки, как пытаются делать морские звезды, крайне сложно. Из схватки между морской звездой и двустворкой почти всегда победительницей выходит последняя. У нее более выносливый мускул.

И наконец, как и во всех сферах жизни, основное различие между победителями и побежденными надо искать в мотивации. Только чемпион способен раскочегарить себя до предела, но при этом сохранить холодную голову.

Гендерные различия

Почти во всех дисциплинах, кроме плавания на длинные дистанции, женщины уступают мужчинам в силе, скорости и выносливости. Почему так происходит, сложно понять. Отчасти причина кроется в разнице тренировок и возможностей{29}. На старых кинопленках очень хорошо видно, что даже теннисистки мирового уровня 20 лет назад отставали в скорости и силе удара от сегодняшних. В легкой атлетике женщины постепенно догоняли мужчин, и сейчас женские мировые рекорды почти не отличаются от мужских. Однако женщины по-прежнему не могут сравняться с мужчинами в скорости и выносливости. Женский рекорд в беге на 100 м составляет 10,49 сек. – значительно ниже мужского, равного 9,79 сек. В марафоне разрыв становится еще больше – там женский рекорд проигрывает мужскому на целых четырнадцать с лишним минут. Таким образом, вопрос остается открытым: почему женщины медлительнее и смогут ли они когда-нибудь догнать мужчин?

В тех дисциплинах, где физические характеристики вроде скорости и силы не так важны, женщины соревнуются на равных с мужчинами, например, в конкуре. Отсюда следует, что догнать мужчин в легкой атлетике женщинам не позволяют именно физические способности, а не отсутствие решительности, закалки и напора. Между женщинами и мужчинами имеются (помимо очевидных) четко документированные физические различия. Среди участников лыжных гонок мирового уровня максимальная утилизация кислорода у женщин составляет лишь 43 % от мужских показателей. Даже принимая во внимание весовые различия, все равно результат получается на 15–20 % меньше. Отчасти это объясняется тем, что у женщин больший процент массы тела занимает жировая прослойка, и соответственно меньше – мышцы. И действительно, согласно некоторым исследованиям, если учитывать разницу в мышечной массе, показатели утилизации кислорода у женщин сравняются с мужскими. Однако у мужчин имеется еще одно преимущество – количество гемоглобина, на 10–14 % превышающее количество гемоглобина у женщин и увеличивающее транспортную способность крови. Поскольку женщины обычно меньше мужчин, у них меньше размер сердца, а значит, и систолический объем (примерно на 25 %). Поскольку выносливость зависит от минутного объема сердца, женщины автоматически оказываются в проигрышном положении на длинных дистанциях.

Всплеск славы

Плавание отбирает примерно в четыре раза больше энергии, чем бег на ту же дистанцию. Отчасти в этом виновато сопротивление воды, которое, в отличие от сопротивления воздуха, достаточно существенно влияет на результат. Участники соревнований по плаванию даже сбривают волосы на теле, чтобы уменьшить сопротивление. Еще сильнее увеличить скорость позволяет гидрокостюм, повышающий обтекаемость.

В плавании скорость обеспечивается прежде всего движениями рук, ноги играют менее важную роль. Это очень заметно по мышечным волокнам – в мышцах рук у пловцов гораздо больше медленных волокон, чем в ногах. Толчок ногами в кроле на груди нужен лишь для обеспечения обтекаемости, а не для движения вперед, как вы легко убедитесь сами, если попробуете просто толкаться ногами в воде, не задействуя руки. Однако плыть на одних руках довольно утомительно, поскольку ноги начинает тянуть вниз, замедляя тем самым движение.

Некоторые физические различия и отставание женщин от мужчин в мировых рекордах объясняются преобладанием в мужском организме гормона под названием тестостерон. Примечательно, что некоторые из мировых рекордов были установлены спортсменками, которые либо признались в приеме анаболиков (имитирующих воздействие тестостерона на мышечную массу), либо подозревались в этом.

Однако есть одна дисциплина, в которой женщины опережают мужчин. Это плавание на длинные дистанции. И причина, опять-таки, кроется в физиологических различиях. Жир обладает меньшей плотностью, чем вода, поэтому держится на плаву, тогда как мышцы, будучи плотнее, тянут на дно. По этой причине женщинам, обладающим большей жировой прослойкой, легче держаться на воде, чем мужчинам. Соответственно, пловчихи тратят меньше энергии на движение в воде, и их ноги тоже оказываются ближе к поверхности, тем самым обеспечивая более обтекаемую форму. Именно поэтому мировые рекорды в плавании у женщин ближе к мужским, чем в легкой атлетике. В плавании на длинные дистанции женщины обладают еще большим преимуществом, поскольку жир лучше держит тепло. Так, текущий рекорд в пересечении Ла-Манша (21,5 мили) вплавь, составляющий 7 ч 40 мин., принадлежит именно женщине. Мужской рекорд равен 8 ч 12 мин. – разница очевидна.

Улучшить результаты

Практика применения препаратов, улучшающих спортивные показатели, восходит к античным временам. В эпоху крестовых походов мусульмане-исмаилиты посылали своих воинов на битву или на заказное убийство, накачав гашишем. Их жестокость и бесстрашие остались увековеченными в слове «ассасин» (наемный убийца), происходящего от арабского «хашиши», то есть «употребляющий гашиш». В XIX в. морякам британского флота полагалось ежедневно по «боевому» глотку рома, «чтобы поджилки не тряслись». В жутких условиях вьетнамской войны многие американские солдаты подсаживались на марихуану, героин и кокаин. С одной стороны, все эти наркотики способствовали достижению результата, поскольку прогоняли страх перед опасностью. Некоторые, такие как кокаин, помогали также снять усталость и боль (с той же целью южноамериканские индейцы веками жевали листья коки, подавляя голод и повышая выносливость). Однако ни мышечную массу, ни силу ни один из них не увеличивал.

В XIX в. прием препаратов стал у спортсменов обычным делом. В надежде улучшить показатели потреблялись кофеин, алкоголь, кокаин, опиум, эфир, героин, наперстянка и даже ядовитый стрихнин. Разумеется, не обходилось без смертельных исходов. Один английский велосипедист, погибший в 1886 г. от передозировки триметила во время гонки Бордо – Париж, обладает теперь сомнительным титулом первого спортсмена, ставшего жертвой допингового препарата.

Знания о человеческой физиологии расширялись, в спорте на первый план выходила победа, а не только участие, и постепенно увеличивалось количество препаратов, с которыми экспериментировали спортсмены. Тестостерон и синтетические анаболики вышли на сцену в начале 1950-х, когда стало известно, что они наращивают мышечную массу. К середине 1960-х они уже получили широкое распространение среди тяжелоатлетов и толкателей ядра, а к концу 1960-х на них подсели и бегуны. В 1967 г. Международный олимпийский комитет решил положить этому конец. Были изданы правила, запрещающие употребление допинговых препаратов, и введен выборочный допинг-контроль. В данный момент список запрещенных МОК веществ насчитывает более ста пунктов.

Растущая коммерциализация спорта, со спонсорством и большими денежными призами, положенными только лучшим из лучших, делает победу еще более желанной. Прибавьте к этому скоротечность спортивной карьеры, и станет ясно, почему некоторые спортсмены все равно экспериментируют с допингом в нарушение всех правил. Чем больше их число, тем труднее остальным бороться с соблазном. Как высказался один спортсмен: «Если ты ничего не принимаешь, чувствуешь себя так, будто встал на стартовые колодки в кедах, тогда как остальные все в шиповках». Однако допинг запрещен не только потому, что это «нечестно». Его запрещают в силу серьезных побочных эффектов. Парадоксально, что спортсмены прикладывают столько усилий, чтобы улучшить физическую форму, а потом губят организм препаратами, которые могут вызвать и бесплодие, и рак печени, и скоропостижную смерть от сердечной недостаточности.

Самые печально известные из всех допинговых препаратов – это стероиды-анаболики, синтетические аналоги мужского гормона тестостерона. Эти препараты помогают набрать мышечную массу и силу, и их принимают для улучшения показателей в силовых дисциплинах, соревнованиях на скорость и мощь, таких как тяжелая атлетика, бег и плавание. Их же используют и бодибилдеры. Поскольку анаболические стероиды наиболее эффективны во время тренировок, за три-четыре недели до соревнований их прием можно прекратить, чтобы организм успел очиститься и спортсмен спокойно прошел допинг-контроль.

Способность анаболических стероидов увеличивать скорость и выносливость бесспорна. Лучшими доказательствами служат сохранившиеся отчеты врачей и тренеров из ГДР, которые много лет проводили в жизнь тщательно спланированную государством для своих лучших спортсменов допинговую кампанию. В результате ГДР лидировала в женском плавании с 1973 по 1989 г., завоевав 11 медалей из 13 на Олимпиадах 1976 и 1980 гг., а также 10 титулов из 15 на Олимпийских играх 1988 г. Мировой рекорд Петры Шнайдер, установленный в комплексном плавании на дистанции 400 м во время московской Олимпиады-80, продержался немыслимых 15 лет. Позже спортсменка рассказала, что без ведома для себя принимала анаболические стероиды, которые, видимо, и помогли ей поставить рекорд{30}.

Олимпийский идеал

Лучше всего на свете – вода; Но золото, как огонь, пылающий в ночи, Затмевает гордыню любых богатств. Сердце мое, ты хочешь воспеть наши игры? Не ищи в полдневном пустынном эфире Звезд светлей, чем блещущее солнце, Не ищи состязаний, достойней песни, Чем Олимпийский бег. Пиндар. Первая Олимпийская ода[7].

Первые упомянутые в исторических источниках Олимпийские игры состоялись в 776 г. до н. э., носили исключительно локальный характер и длились всего один день. Начались они утром с жертвоприношения Зевсу и закончились единственным состязанием в беге, в котором победил Кореб из Элиды – первый олимпийский чемпион. К 650 г. до н. э. масштабы Олимпиады приняли иной размах. На состязания съезжались из самых разных мест, включая Италию и Малую Азию. Количество дисциплин тоже возросло – теперь спортсмены состязались в беге на разные дистанции (в том числе и около 5000 м), в боксе, в гонках на колесницах, верховой езде, панкратионе (борьбе «без правил») и пентатлоне (бег, прыжок в длину, метание диска и копья, борьба). Кроме того, проводились крайне изнурительные соревнования, в которых спортсмены должны были пробежать в доспехах (весивших от 20 до 30 кг) дистанцию в 768 м – знак того, что в Греции спорт рассматривался прежде всего как военная подготовка. Кроме лаврового венка, других наград победителю практически не полагалось. Зато, как и современные олимпийские чемпионы, он вез сородичам славу и честь.

Первые Олимпиады часто считают образцом честности и справедливости, однако на самом деле все было не столь радужно. Как и сегодня, в результаты активно вмешивалась коммерция и политика. Да и сами спортсмены не стеснялись жульничать, только прибегали в то время не к допингу, а к взяткам.

К сожалению, прием анаболических стероидов чреват побочными эффектами, среди которых – повышенный риск развития коронарной недостаточности, рака печени, заболеваний почек и расстройств личности. У спортсменов-мужчин может начаться понижение эндогенного уровня тестостерона, продолжающееся даже после отмены приема стероидов. Результат – сморщенные тестикулы и бесплодие. У спортсменок, наоборот, происходит маскулинизация: сбои менструального цикла, рост волос на теле, нарушение нормального процесса роста. Кристиан Кнаке-Зоммер, первую спортсменку, проплывшую 100 м баттерфляем меньше чем за минуту, как и некоторых ее коллег-спортсменок из ГДР, пичкали стероидами тренеры. От самих спортсменок здесь мало что зависело. Как показала Кнаке-Зоммер на суде в Берлине, за отказ от приема «добавок» или «витаминов» можно было в два счета вылететь из команды. Некоторые спортсменки сурово поплатились за эти «витамины» своим здоровьем – настолько сурово, что несколько бывших восточногерманских тренеров по плаванию и врачей были осуждены за умышленное причинение вреда.

ГДР оказалась не единственной. В 1988 г. во время сеульской Олимпиады по результатам допинг-контроля после рекорда в 9,79 сек. на стометровке лишили золотой медали и навсегда выгнали из профессионального спорта легкоатлета Бена Джонсона. Это событие кардинальным образом изменило отношение общества к приему спортсменами допинговых препаратов. До Сеула средства массовой информации в основном старались этого вопроса не касаться, даже когда их ставили в известность напрямую. Однако после положительного допинг-контроля у Джонсона прием препаратов моментально стал сенсацией и с тех пор практически не исчезает из заголовков.

На самом деле Джонсону, возможно, повезло, что его поймали, поскольку повышенные дозы анаболиков могут нарушить работу сердца. Спринтер Флоренс Гриффит-Джойнер, известная под ласковым прозвищем Фло-Джо, скончалась от сердечного приступа в возрасте 38 лет. Она завоевала три золотые олимпийские медали в 1988 г. и установила мировые рекорды на дистанциях в 100 и 200 м (10,49 и 21,34 сек. соответственно), которые до сих пор никто не смог побить. Она была изящной красавицей, носила вызывающе длинные ногти и выделялась на дорожке своей яркой формой. Еще она была мускулистой, разговаривала глубоким контральто и, пусть и бездоказательно, подозревалась в приеме стероидов.

Анаболические стероиды – не единственные препараты, которые принимают спортсмены для улучшения результатов. Кроме них в ход идут гормоны роста, амфетамины, адреналин, эритропоэтин и масса других, менее известных. Гормон роста назначается малорослым детям, чтобы помочь им «выровняться», пока они еще маленькие. Он стимулирует рост мышц и костей и уменьшает жировую прослойку. Для спортсменов он особенно привлекателен тем, что достоверного способа отличить синтетический гормон от натурального, вырабатываемого самим организмом, не существует. А сейчас, когда человеческий гормон роста научились вырабатывать в больших количествах с помощью бактерий и стоимость его резко упала, он стал более доступным. Однако и здесь есть своя опасность. Избыток гормона роста у взрослого вызывает акромегалию – состояние, при котором ступни, кисти рук и лицевые кости разрастаются слишком сильно.

Иногда спортсмены прибегают и к амфетаминам. Почему они так популярны, ясно из их обиходного названия – «стимуляторы». Они вызывают возбуждение, снимают усталость и боль и «встряхивают» в общем и целом, повышая минутный объем сердца, учащая пульс и дыхание, а также повышая уровень сахара в крови. Амфетамины имитируют действие естественного гормона адреналина, готовящего тело к схватке или бегству. Чистый адреналин спортсмены тоже иногда принимают. Однако у амфетаминов имеются побочные эффекты – головокружение, тревожное возбуждение, спутанность сознания, поэтому их не стоит принимать перед участием в тех дисциплинах, где требуется четкость, сосредоточенность и «холодная голова».

Летом 1998 г. разразился скандал на велогонке «Тур де Франс». Начался он с того, что массажиста команды «Фестина» остановили на франко-бельгийской границе и нашли в машине целый арсенал препаратов. После этого пять участников команды признались в приеме допинга. Вопреки возмущенным протестам велогонщиков проверке подверглись участники нескольких других команд, их багаж обыскали на предмет обнаружения допинга – и нашли. В результате из 189 велогонщиков больше 80 были дисквалифицированы за употребление допинга либо выбыли из участия сами. Большинство принимало в качестве допинга человеческий эритропоэтин – гормон, стимулирующий выработку эритроцитов (см. гл. 1). Инъекции эритропоэтина – это всего-навсего усовершенствованная форма более старого приема – переливания крови, которое делалось спортсмену перед соревнованиями, чтобы увеличить количество эритроцитов в крови и повысить ее транспортную способность. Пока не доказано, действительно ли этот метод помогает улучшить результаты, однако многие спортсмены считают, что помогает. К сожалению, есть опасения, что увеличенная вязкость крови может привести к образованию тромбов, грозящих инсультом или сердечным приступом.

А как обстоит дело с привычным нам «бытовым допингом» – кофе и алкоголем, которые большинство потребляют всю жизнь в огромных количествах? Как ни удивительно, кофе и в самом деле повышает работоспособность. Согласно одному исследованию, эквивалент двух с половиной чашек крепкого кофе, принятый за час до нагрузки, значительно повышал выносливость. Те, кто пил обычный кофе, тренировались затем более полутора часов, тогда как тех, кто предпочитал кофе без кофеина, хватало на час с четвертью. И уставали кофеманы тоже меньше. Механизм действия кофеина пока не изучен до конца, однако, судя по всему, кофеин способствует использованию жира в качестве топлива (экономя тем самым ограниченные запасы углеводов в организме) и, кроме того, воздействует непосредственно на мышцы. По требованиям МОК содержание кофеина в моче не должно превышать 12 мкг / мл. Такие показатели возможны, только если спортсмен выпьет за один присест шесть-восемь чашек кофе и пройдет контроль в течение двух последующих часов. Неограниченное потребление кофеина, разумеется, тоже вредно. Оно может вызвать головную боль, мелкую дрожь и экстрасистолию. Кроме того, кофеин действует как мощный диуретик, что чревато серьезными проблемами в долгом забеге – не только из-за желания опорожнить мочевой пузырь, но и из-за того, что увеличенная потеря жидкости может привести к обезвоживанию.

Воздействие алкоголя имеет, скорее, психологический характер – успокаивает нервы и повышает уверенность в себе. Кроме того, он унимает мелкую дрожь, что ценно для спортсменов, которым нужна твердая рука. Однако его прием спортсменам запрещен, и на Олимпиаде 1968 г. за распитие спиртного перед соревнованиями были дисквалифицированы двое стрелков из пистолета. Перебор с алкоголем, как многим известно по собственному опыту, наоборот, сильно ухудшает работоспособность.

Чудеса животного мира

Тренировки помогают улучшить результаты, однако все же есть предел тому, как быстро и как долго человек может бежать или насколько высоко ему удастся подпрыгнуть. Каковы же эти пределы? И как они соотносятся с «рекордами» представителей животного мира? На эти вопросы ответить нелегко, поскольку человеческие рекорды постоянно меняются. Ведущие спортсмены, усовершенствованные программы тренировок, современная обувь, экипировка, правильная дорожка, попутный ветер – все это, без сомнения, помогает. И тем не менее мировые рекорды редко претерпевают кардинальные улучшения, и вряд ли в один прекрасный день какой-нибудь бегун сравняется в скорости с гепардом. Значит, можно с уверенностью утверждать, что текущие мировые рекорды приближаются к пределу человеческих возможностей.

Спринтер-рекордсмен пробегает 200 м со скоростью 22 мили/ч, а его коллега стайер одолевает одну милю со скоростью 15 миль/ч. Это намного быстрее, чем в случае обычного человека, однако в сравнении со скоростями некоторых животных меркнут даже рекордные цифры. Уиппет развивает скорость в 35 миль/ч, американский заяц – 40 миль/ч, лиса – 45 миль/ч, антилопы – 60 миль/ч, а гепард держит рекорд в 70 миль/ч. Даже страус, который, как и человек, бегает на двух ногах, носится с впечатляющей скоростью в 35 миль/ч. По части выносливости животные тоже бьют все рекорды. Например, лошадь может проскакать 35 миль на скорости в 15 миль/ч, верблюды покрывают 115 миль за 12 часов, а убегавшая от своры гончих лиса пробежала за полтора дня 150 миль. Скорость и выносливость нужны как хищникам, так и добыче, однако скоростью в основном могут похвастаться первые, а их жертвы, как правило, отличаются выносливостью и изворотливостью.

На скорость влияет и длина, и частота шага. Знаменитый гипнотизирующий «размашистый» бег жирафа получается благодаря широкому, но плавному, небыстрому шагу. Более мелкие животные могут достичь такой же скорости, укоротив шаг, но быстрее перебирая ногами, – так поступает, например, бородавочник. Схожую картину можно увидеть, сидя в уличном кафе и наблюдая за прохожими: людям с коротким шагом приходится семенить вприпрыжку за своими спутниками с размашистой походкой. Рекордсмены животного мира по бегу движутся большими и быстрыми шагами.

У быстроногих животных конечности по отношению к туловищу длинные, дающие тот самый размашистый шаг. У многих в процессе эволюционного развития менялись кости стопы. Хищники и птицы бегают, по сути, на полупальцах. У копытных дело зашло еще дальше – у них кости стопы для большей прочности сплавлены в одну, которая и образует копыто. У лошади остается один-единственный палец, на котором она и бежит, как на пуантах. Кроме того, конечности у быстроногих животных облегченные – за счет сокращения размеров костей стопы и смещения мышц и как можно большего числа других тканей ближе к корпусу. Длинные стройные ноги – отличительная черта бегуна. Гибкий позвоночник у кошачьих и собачьих тоже помогает увеличить размах. Растягивая спину, гепард добавляет себе несколько дюймов (сантиметров десять) длины. При этом он должен рассчитывать движения так, чтобы спина растягивалась лишь в тот момент, когда задние ноги отталкиваются от земли.

Кроме того, бегун должен быстро перебирать ногами. Лошадь в галопе делает 2,5 шага в секунду, гепард – по меньшей мере 3,5. Однако чем чаще шаг, тем чаще сокращаются ножные мышцы. Таким образом, предел скорости определяется частотой мышечных сокращений. У млекопитающих эта частота примерно одинакова. Однако длинные мышцы сокращаются медленнее, поэтому у крупных животных преимущество в виде длинных конечностей нивелируется более низкой скоростью шага. Именно поэтому жираф, несмотря на длинные ноги, не может соперничать с гепардом. У некоторых животных – лошадей, например, – эта проблема решилась природой за счет относительного укорачивания мышц и удлинения сухожилий.

Многое зависит также от того, где именно мышечные сухожилия прикрепляются к костям конечностей. У быстроногих мышца присоединяется ближе к плечевому суставу, поэтому на движение конечности уходит меньше энергии. По сути, эти животные всю жизнь проводят на «высокой передаче». Ходячие животные (к которым относится и человек) или роющие (типа барсука) работают на «низкой передаче». Их мышцы крепятся гораздо ниже плечевого сустава, что повышает силу, но снижает скорость. Еще один фокус, к которому прибегают быстроногие животные, – использовать разные мышцы для одновременного продвижения вперед разных суставов конечности. Скорость при этом повышается по тому же принципу, по которому увеличивает скорость идущего человека работающий эскалатор. Чем больше суставов действуют одновременно, тем быстрее движется нога. Лошадям прибавляет скорости дополнительный сустав, образованный копытом.

Некоторые животные для более стремительного движения вперед используют упругую отдачу. У лошадей в ноге имеется связка, которая накапливает энергию, когда копыто касается земли, и высвобождает ее, когда копыто отрывается от поверхности. При ударе копыта об землю путовый сустав сгибается, натягивая при этом проходящую вдоль него эластичную связку. При отрыве от земли сустав распрямляется, возвращая связке прежнюю длину, что сопровождается выбросом энергии, придающей ноге дополнительный толчок. Благодаря этой связке исчезает необходимость в тяжелых мышцах и конечность становится легче, что также играет большую роль при наборе скорости. Все это помогает лошади отлично бегать.

Длинные ахилловы сухожилия у кенгуру выполняют ту же функцию, что и эластичная связка у лошади. Они экономят целых 40 % энергии, уходящей на отталкивание задними ногами, и позволяют кенгуру повысить скорость прыганья с 7 до 22 км/ч, не увеличивая при этом потребление кислорода. Другими словами, кенгуру набирает скорость без всяких дополнительных усилий. Происходит это за счет пружинящих вверх-вниз, как у «прыгалки-кузнечика», сухожилий. Как у тугого мяча, основная энергия у кенгуру уходит на первый прыжок, а последующие совершаются за счет упругой отдачи. На высокой скорости энергии накапливается больше, поэтому усилий уходит сравнительно меньше.

Энергосберегающую роль упругой отдачи можно наблюдать на простом примере. Отложите книгу, встаньте и быстро сделайте десять глубоких приседаний. Затем сделайте то же самое, только, перед тем как выпрямлять ноги, каждый раз считайте до 60. Вы почувствуете, насколько труднее дается упражнение. Происходит это потому, что при опускании на корточки мышцы-разгибатели находятся в напряжении, контролируя степень спуска. Если они сразу после этого сократятся, напряжение превратится в упругую отдачу, но если дать им расслабиться, напряжение спадет и пружинистости не возникнет. Благодаря упругой отдаче в мышцах мы достаточно легко скачем на месте. Она же придает пружинистость походке и помогает экономить энергию при беге. Энергия запасается в икроножных мышцах и ахилловом сухожилии, когда ступня касается земли, и высвобождается при толчке, когда мышцы сокращаются. Конструкция беговых кроссовок способствует усилению упругой отдачи.

«Четыре ноги хорошо, две ноги – плохо» – знаменитый лозунг героев сатирического произведения Джорджа Оруэлла «Скотный двор». Все рекорды скорости и выносливости действительно принадлежат четвероногим, однако в самом ли деле четыре ноги лучше двух? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос нет, поскольку скорость определяется не только числом ног. Размер животного, длина конечностей, гибкость спины и походка – все это также играет немаловажную роль.

Размер имеет значение

Размер, как всегда, определяет многое. Чем крупнее животное, тем труднее ему бежать. Происходит это потому, что сила мышц возрастает пропорционально квадрату сечения. Однако масса тела при этом растет пропорционально кубу длины. Увеличьте длину тела животного вдвое, и его вес увеличится в восемь раз, но мышечная сила при этом вырастет всего в четыре раза. Кроме того, при увеличении размеров корпуса труднее становится двигать конечностями, а у самых крупногабаритных тело будет трудно поддерживать даже в покое. Именно этот фактор ограничивает размеры сухопутных животных (морские, в отличие от них, могут вырастать и крупнее – как, например, синий кит, поскольку вода забирает часть веса на себя).

Широко известно, что блохи и кузнечики могут прыгать на высоту, более чем в 50 раз превышающую длину их тела. Для человека это означало бы подпрыгнуть с места на 100 м вверх. Мировой рекорд по прыжкам в высоту гораздо скромнее – всего 2,45 м, а если прыгать с места, то даже ведущий спортсмен возьмет максимум 1,6 м. Как же удается совершать такие немыслимые прыжки кузнечикам и блохам? Дело всего-навсего в размерах – крупное животное физически неспособно подпрыгнуть на такую же высоту относительно размеров своего тела, как мелкое. Ведь согласно физическим законам похожие животные должны достигать в прыжке одной и той же высотной отметки, независимо от размеров тела.

Чтобы понять, почему дело обстоит так, необходимо вспомнить, что мышцы человека и насекомого развивают одинаковую силу на площадь поперечного сечения и что сила мышцы определяется именно этой величиной. Масса (или объем) тела животного возрастает пропорционально кубу длины, тогда как площадь поперечного сечения мышцы растет всего лишь пропорционально квадрату длины. Отсюда следует, что относительно массы тела у более крупного животного сил для прыжка окажется меньше. Крупное животное может слегка повысить свою прыгучесть, увеличив долю массы, которая приходится на прыжковые мышцы. Именно так происходит у сенегальского галаго, относящегося к мелким тропическим приматам. В относительных цифрах его мышечная масса в два раза превышает человеческую. Поэтому галаго может с места подпрыгнуть на 2,2 м – примерно в три раза выше, чем человек (рекорд по прыжкам в высоту с места составляет 1,6 м, но оттуда нужно вычесть еще примерно метр, поскольку именно на такой высоте располагается центр тяжести у человека). Тем не менее очевидно, что мышцы могут занять лишь часть общей массы животного, поэтому описанный выше выход не панацея.

За гранью возможного

Блохи славятся не только высотой, но и скоростью прыжка. Среднее ускорение, которое развивает блоха после отрыва от поверхности, составляет более 1350 м / с, что примерно равно двухсоткратной перегрузке. Мускулы с такой скоростью сокращаться не могут. Как же блохе это удается?

Как выясняется, у блохи имеется встроенная катапульта, которая долго накапливает энергию, затем очень быстро ее высвобождает. В подошве задних ног у блохи содержится эластичное упругое вещество под названием резилин. Когда блоха находится в покое, сокращающиеся мышцы постепенно сжимают резилин, приподнимая ногу в воздух. Блоха «напружинивается» для прыжка. И когда приводится в действие спусковой механизм, резилин моментально распрямляется, нога рывком опускается на поверхность, и блоха «выстреливает», как из катапульты.

Летательные мышцы некоторых насекомых тоже бьют все рекорды. Каждое сокращение мышцы у млекопитающих вызывается единственным нервным импульсом. Однако частота сокращений у летательных мышц насекомых гораздо выше, чем скорость передачи нервных сигналов. Например, мошкара, отравляющая теплые летние сумерки на природе, трепещет крыльями более 1000 раз в секунду, издавая тот самый надрывный писк, который терзает наши уши. Эта частота сокращений в сорок с лишним раз превышает частоту сокращений быстрых человеческих мышц.

Таких немыслимых результатов насекомым помогает до– биться резонанс. Летательные мышцы, как выясняется, чувствительны к натяжению – если мышцу растянуть, она сократится, если отпустить, она расслабится. Торакс насекомого – та часть тела, к которой крепятся крылья, – это жесткий корпус, содержащий два типа летательных мышц. Одни поднимают крылья, вторые – опускают. Как ни удивительно, летательные мышцы не соединяются непосредственно с крыльями, а закреплены на стенках торакса. Движение крыльев, прикрепленных к крышке торакса, производится опосредованно, изменением формы самого корпуса.

Торакс, по сути, представляет собой резонатор, который по очереди тянет то поднимающие, то опускающие мышцы, заставляя сокращаться сперва одни, потом другие. Когда сокращаются поднимающие мышцы, крышка торакса утапливается, фиксируясь в новой позиции и заставляя крылья подняться. Но при этом торакс натягивает опускающие мышцы, вызывая их сокращение и одновременно снимая напряжение с поднимающих мышц, поэтому они расслабляются. Сама крышка торакса при этом резко возвращается в изначальное положение, и крылья опускаются. Тогда, разумеется, снова натягиваются и сокращаются поднимающие мышцы и одновременно расслабляются опускающие. Цикл повторяется заново. То есть крышка торакса движется туда-сюда, опуская и поднимая крылья.

Поскольку для смещения торакса достаточно крошечного сокращения мышцы, происходит это в доли секунды. А учитывая, что летательные мышцы стимулируются натяжением, а не нервными импульсами, они сокращаются быстрее, чем распространяются сигналы по нервам. Именно поэтому насекомым и удается «бить рекорды».

Мелкие животные, кроме всего прочего, обладают иногда непропорционально огромной силой. Жук-навозник катит огромный навозный шар, на фоне которого он сам просто теряется, а муравей-листорез с легкостью тащит лист-парус весом больше его самого. Человеку такая ноша показалась бы неподъемной. Невиданная сила муравья объясняется опять-таки размерами. Мышцы у муравья не мощнее человеческих, но кажутся гораздо более мощными, поскольку сила, которую они развивают относительно массы тела, возрастает по мере уменьшения животного в размерах. Так что относительная сила – это тоже вопрос масштаба.

Проверка на выносливость

Нам постоянно твердят, что регулярные занятия физкультурой приносят огромную пользу, снижая, например, риск развития коронарной недостаточности, диабета, ожирения и остеопороза. Физкультура помогает улучшить внешний вид и самочувствие. Но у этих занятий есть и обратная сторона.

Почти всем, кто занимается спортом регулярно, и многим из тех, кто упражняется время от времени, знакомы различные травмы, вызванные перенапряжением. Куда ни глянь – «расколотая голень», слабость в коленях, потянутые мышцы и усталостные переломы. У воскресных бегунов основная причина травм – «поторопились с нагрузкой». У опытных спортсменов – «перестарались с нагрузкой, дистанцией и частотой». От чрезмерной постоянной нагрузки могут появиться трещины в костях – особенно в стопе и в голени, от чего нередко страдают танцоры и бегуны на длинные дистанции. Мышечное напряжение чревато воспалениями, вызывающими отеки и боль. От повторяющихся движений повреждаются сухожилия, постоянно трущиеся о стенки влагалищ или о прилегающие кости. В этом случае развивается коленный тендинит или ахиллобурсит. При повторяющихся микронадрывах сухожилия в месте его прикрепления оно тоже может воспалиться. Иногда сухожилия рвутся целиком, моментально обездвиживая спортсмена. Особенно болезненны и тяжки разрывы суставных связок – чаще всего от этого вида травм страдают колени. При подобных травмах требуется немедленно обеспечить покой, а затем, после восстановления, нагрузку нужно набирать постепенно и чередовать тренировки, чтобы избежать рецидива. По прошествии времени постоянный износ, вызываемый серьезной долгосрочной нагрузкой, может привести к остеоартрозу – хроническому заболеванию, при котором суставы разрушаются, вызывая боль и обездвиженность. Человеческое тело просто не создано для постоянного движения.

Стресс влияет также на иммунную систему, поэтому профессиональные спортсмены больше подвержены инфекциям, которые могут сказаться на их результатах. У женщин-стайеров и балерин могут прекратиться менструации, и вся польза физических упражнений для опорно-двигательного аппарата сводится на нет падением уровня эстрогена. Именно поэтому у молодых женщин, подверженных большой физической нагрузке, развивается остеопороз, но, как ни парадоксально, занятия обычной физкультурой помогают замедлить разрушение костей у женщин более зрелого возраста (см. гл. 7). У молодых спортсменов, таких как гимнасты, например, тяжелые нагрузки могут затормозить наступление половой зрелости.

Изнурительные тренировки могут привести к потере белка в скелетных мышцах – скорее всего, из-за микротравм непосредственно в мышечных клетках. Это, в принципе, нормально. Однако в некоторых случаях белка теряется так много, что наступает угроза для жизни. Человек чувствует тошноту, мышцы распухают и болят, а моча делается цвета кока-колы из-за миоглобина (пигментированной молекулы, родственной гемоглобину, которая запасает кислород в мышцах на короткий срок). Самое страшное, что при этом нарушается солевой баланс крови. Состояние такое хоть и редко, но все же встречается, особенно у новобранцев, которые в курсе начальной физической подготовки выполняют серии прыжков из положения «упор присев». Отсюда и неофициальное название недуга – «прыжковый синдром».

Многие виды спорта травмоопасны. В контактных дисциплинах не обходится без синяков и переломов: регбистов выдают перебитые носы, ударом хоккейной клюшки можно запросто сломать ногу, мячи для сквоша идеально вписываются в глазницу, а падение с лошади – основной источник травм головы. Пострадать могут даже зрители или прохожие. Как-то летом, проезжая на велосипеде мимо крикетной площадки, я получила мячом в глаз. На следующий день красовалась с черным синяком.

Кровоизлияние в зоне травмы вызывает боль и воспаление, бороться с которыми помогает лед (вызывающий сокращение сосудов), давящая повязка и подвешивание на перевязь – все это помогает уменьшить приток крови к поврежденному участку. Спортсмены-любители, которые вместо этих простейших мер скорой помощи предпочитают дотянуть как есть, а потом лечить травмы хоть и успокаивающим, но расширяющим сосуды стаканчиком чего-нибудь покрепче, пусть не удивляются, когда наутро подвернутая нога распухнет, перестанет сгибаться и будет болеть.

Нередко этот скорбный список травм и опасностей приводят те, кто очень не хочет заниматься спортом в принципе. Однако важно помнить: перегибы, как и в других сферах жизни, чреваты неприятностями, а умеренная физическая нагрузка исключительно полезна. Может быть, титул самого быстрого или самого сильного вы и не завоюете, однако активный образ жизни сможете вести дольше.

6. Последний рубеж

Весь шар земной готов я облететь за полчаса.

Уильям Шекспир. Сон в летнюю ночь[8]

Раннее утро 21 июля 1969 г. навсегда врезалось мне в память. Вместе с миллионами других людей по всему миру я прилипла к маленькому мерцающему черно-белому экрану телевизора, покрытому рябью и «снегом». Слов за шипением и треском было почти не разобрать, однако восторг и напряжение в голосах угадывались безошибочно. Поеживаясь в темной нетопленой комнате, едва разлепив сонные глаза, позабыв о стиснутой в ладонях чашке с какао, я перенеслась за тысячи миль, ошеломленная триумфом науки, технологий и стремления покорять неведомое. Мне было семнадцать, а Нил Армстронг только что первым из всех землян шагнул на поверхность Луны.

Попав в космическое безвоздушное пространство, человек погибнет мгновенной и мучительной смертью. Воздух устремится из легких наружу, растворенные в крови и жидкостях тела газы превратятся в пар, разрушая клетки и закупоривая капилляры пузырьками, кислород перестанет поступать в мозг, воздух, запертый во внутренних органах, расширится, разрывая внутренности и барабанные перепонки, а космический холод превратит тело в ледышку. Потеря сознания наступит в течение 15 секунд.

Человек способен выжить в космосе, только прихватив с собой естественную среду обитания, но даже за стенами орбитальной станции космическое путешествие не обходится без испытаний для организма. Первое – это перегрузки, вызываемые ускорением, необходимым для того, чтобы преодолеть притяжение Земли. Второе – прямая противоположность перегрузкам, невесомость. Она может вызывать морскую болезнь, перераспределение жидкостей в теле, сокращение количества эритроцитов и потерю костной и мышечной массы. Если мы хотим осуществить давнюю мечту человечества побывать за пределами Солнечной системы, нужно искать способ справляться с этими трудностями. В этой главе мы рассмотрим, как космический полет воздействует на организм человека и как бороться с неприятными последствиями этого воздействия.

Краткий экскурс в историю покорения космоса

Космическая эра началась 4 октября 1957 г., когда СССР запустил первый космический спутник. За ним через месяц последовал второй спутник, с собакой по кличке Лайка на борту. 12 апреля 1961 г. космонавт Юрий Гагарин взмыл в небо на корабле «Восток-1», сделал один полный виток вокруг Земли, на высоте 7000 м катапультировался из космического корабля и благополучно приземлился на парашюте. Весь полет длился 1 ч. 48 мин.

Список советских достижений не давал покоя американцам. В отличие от Эйзенхауэра, который пренебрежительно называл спутник «крошечным мячиком, подброшенным в воздух», общественность (и военные) не спешили тешить себя иллюзиями. В самый разгар холодной войны эта наглядная демонстрация превосходства советских технологий стала для них потрясением. К тому же, будто дразня, спутник каждые полтора часа, пролетая над США, выдавал в радиоэфире серию пищащих позывных. Клэр Бут Люс так его и назвала – «дразнилка от русских». Почти сразу же миллионы бюджетных долларов были пущены правительством на развитие технического образования, и уже через девять месяцев Штаты запустили собственную космическую программу. Космическая гонка начала набирать обороты. Однако первый американский астронавт Джон Гленн вышел на околоземную орбиту лишь 20 февраля 1962 г. К этому времени уже второй советский космонавт Герман Титов, следуя по стопам Гагарина, облетел вокруг Земли – но не один раз, а целых семнадцать. Еще через год в космосе появилась первая женщина – Валентина Терешкова.

Американцы не собирались сдаваться и повысили ставки. С подачи президента Джона Кеннеди, заявившего, что «Соединенные Штаты должны приложить все усилия, чтобы до конца десятилетия высадить человека на Луне и благополучно вернуть его на Землю», была принята космическая программа «Аполлон». Поскольку речь прозвучала в эфире в 1961 г., на выполнение задачи отводилось всего девять лет. Необходимые технологии развивались с ошеломляющей скоростью. Под Рождество 1968 г. Фрэнк Борман, Джим Ловелл и Билл Андерс достигли лунной орбиты, а менее чем год спустя (вполне уложившись в намеченные Кеннеди сроки) человек высадился на Луне. Однако не прошло и трех лет (в течение которых состоялось шесть лунных экспедиций), как Луну снова пришлось оставить – не из научных соображений, а из политических. Сегодня кажется невероятным, что человек когда-то шагал по поверхности естественного спутника Земли, и население планеты затаив дыхание следило за этими шагами.

СССР придерживался другой стратегии: вместо того чтобы стремиться к Луне, он строил орбитальную станцию, которую можно было бы использовать как базу для осуществления космических полетов, где космонавты могли бы жить и работать в течение длительного времени. Первая космическая станция – «Салют-1» была запущена в 1971 г. и оставалась на орбите в течение двух с небольшим лет. За первым «Салютом» последовал второй, а затем, 20 февраля 1986 г., – космическая станция «Мир». Рассчитанный на пятилетний срок работы, «Мир» оказался долгожителем, хоть и находился в изношенном состоянии, чреватом постоянными поломками. После распада Советского Союза российские космонавты, начиная с 1994 г., выполнили на станции не одно совместное задание с американцами, однако сейчас «Мир» выведен из эксплуатации и скоро должен сгореть в земной атмосфере[9].

Из-за разницы в космических программах США и СССР все исследования на тему долговременного пребывания в космосе принадлежали до недавнего времени в основном русским, как и рекорд по длительности полета, поставленный космонавтом Валерием Поляковым, который провел на орбитальной станции «Мир» 438 дней – с 8 января 1994 по 22 марта 1995 г. Однако данных о том, что испытывает человек во время краткосрочного пребывания в космосе, и у американцев, и у русских накопилось достаточно.

Желудок в пятки и глаза из орбит

Первая трудность, подстерегающая астронавта, – ускорение на старте, когда космический аппарат разгоняется с нуля до первой космической (орбитальной) скорости{31}. Скорость как таковая никакого влияния на организм человека не оказывает. Даже сейчас, сидя с этой книгой в руках, вы несетесь сквозь космическое пространство со скоростью 108 000 км/ч, вращаясь при этом со скоростью 1670 км/ч{32} вместе с Землей, которая обращается вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси. В салоне самолета при отсутствии видимых ориентиров стремительность движения точно так же не ощущается, если самолет летит с постоянной скоростью по прямой. Совсем другое дело, когда самолет резко ныряет или закладывает вираж. Тем самым подтверждается тот факт, что наш организм способен различать смену скорости и направления и быстро приспосабливаться к новому состоянию при отсутствии дальнейших изменений.

Ускорение измеряется в терминах перегрузки, где за единицу (+1g) принимается воздействие земного тяготения на поверхности планеты. Линейным ускорением называется изменение скорости без изменения направления, тогда как радиальное ускорение – это смена направления без смены скорости. Линейное ускорение большинству из нас хорошо знакомо – это та самая сила, которая прижимает вас к спинке сиденья в гоночной машине или в кресле самолета при отрыве от земли. Гораздо более сильные перегрузки испытывает пилот истребителя, катапультируемого с авианосца, космонавт при запуске космического корабля или гонщик при ударе автомобиля о кирпичную стену на полной скорости. Радиальное ускорение возникает у мотоциклистов, гоняющих по отвесной стене, или в самолете, закладывающем крутой вираж. При смене направления пассажирским авиалайнером перегрузка обычно составляет не более 1,3g, однако современные истребители на крутых виражах могут выдавать и под 8g. Обычно самолет выполняет развороты с внутренним скольжением – в этом случае кровь приливает к ногами и «желудок уходит в пятки». Это называется положительной перегрузкой, поскольку вектор ее совпадает с вектором земного притяжения. Иногда самолет может разворачиваться с внешним скольжением – тогда кровь и внутренние органы устремляются к голове. Возникает отрицательная перегрузка, когда «глаза выскакивают из орбит». Перегрузку в -1g вы можете легко испытать и сами, просто встав на голову. Испробовать более высокие перегрузки обычный человек может, пожалуй, только в парке развлечений, где на некоторых достижениях современной индустрии аттракционов перегрузки могут достигать +4g. Именно они прижимают вас к сиденью, когда вагончик переворачивается вверх тормашками в гигантской петле, размазывают по стенке во вращающейся центрифуге (это уже отрицательные перегрузки) и подбрасывают желудок к горлу, когда поезд на американских горках ныряет вниз с вершины.

Вопрос о том, насколько значительные перегрузки способен выдержать человеческий организм, очень интересует ВВС всего мира, поскольку пока мощь и маневренность военных летательных аппаратов ограничена физическими возможностями летчиков. Обычно, чтобы выяснить воздействие увеличенной силы притяжения, человека раскручивают на центрифуге. Принцип действия у нее такой же, как у отжима в стиральной машине, когда центробежная сила отбрасывает мокрые вещи к стенкам крутящегося барабана, выжимая из них воду. В центрифуге человека пристегивают ремнями, чтобы он не улетел, однако на жидкости организма центробежная сила действует по-прежнему и они так же реагируют на перегрузки. Испытуемый садится в подвижную кабину, закрепленную на шарнире, которая при раскручивании отклоняется под углом, и голова испытуемого оказывается обращенной к оси аппарата. При этом возникает положительная перегрузка, от которой кровь приливает к ногам. На таких центрифугах проходят проверку на устойчивость к перегрузкам будущие астронавты и пилоты истребителей.

По мере возрастания величины перегрузки человек все больше теряет работоспособность. При +2g тело наливается тяжестью, обвисают ткани лица, тяжело становится подняться из сидячего положения. При +3g невозможно стоять, затем начинает отключаться цветовое зрение, и перед глазами с двух сторон смыкается серая пелена. При +4,5g зрение выключается совсем, хотя слух и мыслительные способности еще функционируют. При +8g человек уже не может поднять ни руку, ни голову. Примерно при +12g большинство теряет сознание, оседая в кресле мешком, и голова безвольно болтается на плечах. На этом этапе или при замедлении могут возникнуть конвульсии (на жаргоне это называется «изображать бешеного цыпленка»). В настоящее время, чтобы стать пилотом истребителя, новобранец американских ВВС должен выдерживать перегрузки в +7,5g в течение 16 секунд. Однако даже не теряя сознания, пилот при такой перегрузке не сможет выбраться из истребителя самостоятельно, поэтому их кресла оборудованы катапультирующими устройствами.

Наше тело хорошо приспособлено к земному тяготению. Большей частью мы его не замечаем, хотя с возрастом оно неизбежно дает о себе знать обвисанием кожи и развитием варикоза. Но перегрузки – это совсем другое дело. При положительной перегрузке кровь может так сильно устремляться к ногам, что сердце не справляется с перекачкой, кровоснабжение мозга падает и наступает потеря сознания. Дышать тоже становится труднее, поскольку диафрагма опускается, затрудняя выдох. Уменьшается вентиляция нижних сегментов легких. При этом из-за вызванных перегрузкой изменений в кровообращении верхняя часть легких хуже снабжается кровью. Таким образом, перегрузка существенно уменьшает газообмен в верхушках и основаниях легких.

Чтобы справиться с этим, военных летчиков учат упражнениям на дыхание и напряжение мышц. Напрягая мышцы ног, они сдавливают вены и тем самым перенаправляют кровь обратно к сердцу и мозгу. Однако управляя истребителем типа «Торнадо» или F16, выполнять такие упражнения, конечно, затруднительно, поэтому летчики облачаются в специальные антигравитационные штаны. При больших перегрузках они раздуваются, сдавливая ногу и помогая направить кровь к сердцу. Как показали испытания на центрифуге, самые сильные перегрузки выдерживают люди невысокого роста (что логично). Высокорослые в этом смысле находятся в проигрыше – поскольку сердце и мозг расположены дальше друг от друга.

Отрицательные перегрузки человек испытывает реже, однако они так же малоприятны. При них кровь приливает к голове, капилляры набухают и лопаются, создавая так называемую «красную пелену», о которой не понаслышке знают некоторые любители прыгать с «тарзанкой».

Ключ на старт!

Перегрузки, которые испытывает космонавт, меняются на взлете, поскольку управляются ньютоновским законом движения, согласно которому сила равна массе, помноженной на ускорение. Отрыв от земли происходит сравнительно мягко, поскольку тяговое усилие реактивного двигателя лишь немного превышает вес космического корабля. Самые сильные перегрузки возникают, когда корабль выходит на орбиту, поскольку к тому времени он уже значительно теряет в весе (сжигая большую часть топлива), а реактивные двигатели по-прежнему работают на полную мощь.

Первым астронавтам приходилось испытывать очень тяжелые перегрузки. Во время запуска корабля «Френдшип-7» в рамках программы «Меркурий» в 1962 г. Джон Гленн в течение 90 секунд подвергался перегрузкам свыше +6g, а в какой-то момент даже пиковым – в +8g. Гленн лежал на спине, спиной к Земле, и вектор перегрузок был направлен сверху вниз (от груди к спине), во избежание мучительных ощущений, когда перегрузки направлены от головы к ногам. Но даже в таком случае, по свидетельству одного из астронавтов, «такое впечатление, что на грудь уселся слон». Рекорды перегрузок, которые пришлось вынести космонавтам, зафиксированы при запуске космического корабля «Союз» в сентябре 1983 г. Поскольку за 90 секунд до старта под ракетой-носителем произошло возгорание, старт пришлось прервать, и система экстренного катапультирования подбросила капсулу на километр в воздух, подвергнув экипаж 17-кратным перегрузкам. Космонавты вышли из этого испытания целыми и невредимыми, опустившись на парашюте в некотором отдалении от старта. Современным покорителям космоса такие сильные перегрузки не грозят. Экипаж шаттла или «Союза», которые доставляют космонавтов на космические станции, при запуске подвергается перегрузкам, всего в 3,5 раза превышающим притяжение Земли.

Военным летчикам при катапультировании с поврежденного истребителя приходится переносить куда более тяжелые перегрузки (целых +25g) – зато менее длительные. После активации рычага сбрасывается фонарь самолета или раскрывается потолок и взрывается пиропатрон, закрепленный под сиденьем, выстреливая кресло вместе с пристегнутым пилотом в воздух. Разумеется, чем быстрее произойдет выброс, тем лучше, однако при слишком сильном ускорении может пострадать позвоночник. В результате экспериментов и полевых испытаний было установлено, что предельная перегрузка не должна превышать +25g – в противном случае резко возрастает риск спинных травм. Самые последние модели катапультируемых кресел оборудованы реактивными двигателями, которые продолжают гореть еще примерно полсекунды после отстрела кресла, позволяя снизить пиковую перегрузку и риск спинной травмы.

Еще одна существенная проблема, с которой сталкивается космонавт на старте, – это сильная вибрация. Тряска не просто доставляет дискомфорт, но и затрудняет выполнение ручных операций, вызывает тошноту и резонанс внутренних органов с внешними колебаниями. По малоизученным пока причинам она также вызывает гипервентиляцию и иногда обморок.

Человек на резинке

Прыжки с «тарзанкой» (банджи-джампинг) обязаны своим появлением группе бесшабашных студентов Оксфорда, организовавших в Британии Клуб экстремальных видов спорта. Первым «тарзанку» опробовал Бинг Бостон, американский студент, спрыгнувший в апреле 1979 г. на длинной эластичной веревке с Клифтонского подвесного моста. Подчеркивая торжественность момента, он облачился во фрак. Саму идею прыжков на резинке клуб позаимствовал из ритуала инициации островитян Вануату, которые прыгали с 35-метровых шатких деревянных вышек, связывая щиколотки лианой, которая рывком останавливала их падение в нескольких дюймах от земли.

Один из самых, пожалуй, известных прыжков с «тарзанкой» был совершен в фильме «Золотой глаз», где Джеймс Бонд (т. е. каскадер Уэйн Майклз) срывается ласточкой с края дамбы на реке Верзаска и пролетает 183 м (600 футов) менее чем за шесть секунд. Однако титул самого знаменитого прыгуна принадлежит, скорее, новозеландцу А. Хэккету, на счету которого прыжок с Эйфелевой башни в июне 1987 г., 300-метровый «нырок» с вертолета и прыжок с оклендского небоскреба в октябре 1998 г. Новая Зеландия – настоящая Мекка для прыгунов с «тарзанкой», и даже туристы приезжают пощекотать себе нервы, спрыгнув с 80-метровой высоты моста над ущельем реки Рангитикеи.

Из-за гравитации падение прыгуна с «тарзанкой» или парашютиста происходит с ускорением. Максимальное ускорение составляет 9,8 м / с на секунду – именно с таким ускорением мы несемся к земле в свободном падении. Основную сложность для прыгунов с «тарзанкой» представляет не ускорение как таковое, а замедление, возникающее, когда эластичная веревка натягивается до предела. От создающейся при этом достаточно суровой перегрузки кровь бросается в голову, что может привести к кровоизлиянию в сетчатку или даже к ее отслоению. Парашютистам это не грозит, поскольку замедление после раскрытия парашюта происходит не так резко и, самое главное, голова у них при этом находится выше ног.

Жизнеобеспечение

Космический корабль должен защищать экипаж от экстремального воздействия космоса. В семи сотнях километров от поверхности Земли количество молекул газа стремится к нулю, а давление приближается к давлению в абсолютном вакууме. Поэтому космический корабль должен обеспечивать и пригодную для дыхания атмосферу, и защиту от непосильного давления. Кроме того, в этом бескрайнем пространстве царит космический холод – примерно –270° С, однако, попадая под солнечные лучи, предметы раскаляются мгновенно, поэтому корабль должен обладать системой температурного контроля, способной справиться с перепадами жара и холода. Кроме того, нельзя забывать о бомбардировке микрометеороидами и космическим мусором. Даже кусочек краски, отколовшийся от обшивки спутника, на скорости нескольких тысяч миль в час может пробить опасную брешь в корпусе космического корабля. Иллюминаторы шаттла, испещренные вмятинами от космической «шрапнели», приходится менять через каждые несколько рейсов.

В 1998 г. станцию «Мир» задел грузовой корабль, пробив в обшивке крошечную дыру размером меньше почтовой марки. Воздух со свистом устремился в космическое пространство, но, к счастью, пробоина оказалась слишком маленькой и утечка – достаточно медленной, так что экипаж успел загерметизировать поврежденный отсек. Экипажу «Союза-11» повезло меньше. При возвращении на Землю спускаемый аппарат совершил идеальную автоматическую посадку, но весь экипаж, к ужасу спасательной команды, оказался мертвым. Как выяснилось позже, на орбите неожиданно открылся клапан выравнивания давления – почти сразу же после того, как спускаемый аппарат отделился от орбитального модуля. Космонавты, уже снявшие герметичные скафандры, чтобы втиснуться в тесную спускаемую капсулу, погибли от удушья. В настоящее время экипажи космических кораблей надевают скафандры при старте и во время спуска, чтобы защититься от возможного падения давления, однако на орбите они носят обычную одежду, не стесняющую движений.

Экипаж первых американских космических аппаратов дышал чистым кислородом под давлением в одну треть атмосферы. Так можно было загрузить больший объем на тот же вес, чем в случае использования воздуха того же состава, что и на Земле (с 78 %-ным содержанием азота). Несмотря на то что кислород становится токсичным, если дышать им более суток при атмосферном давлении (см. гл. 2), под давлением в одну треть атмосферы он вполне безопасен. В корабли серий «Меркурий» и «Джемини» закачивали на стартовой площадке чистый кислород под давлением в одну атмосферу, а затем, после выхода на околоземную орбиту, давление уменьшали. После страшного пожара во время планового имитируемого запуска «Аполлона-1», в котором погибли Гас Гриссом, Эд Уайт и Роджер Чаффи, эту практику изменили. При атмосферном давлении чистый кислород крайне пожароопасен. В трагедии с «Аполлоном-1», судя по всему, повинна случайная искра, попавшая на легковоспламеняющийся материал в кабине, и наполненный кислородом командный отсек тут же охватила огненная буря. После этой катастрофы запуск стали проводить при обычной земной атмосфере и только на орбите переключались на чистый кислород. В советских же космических кораблях с самого начала создавали давление в одну атмосферу и закачивали сходную по составу с воздухом дыхательную смесь – 78 % азота и 21 % кислорода. Теперь на ту же схему перешли и в НАСА, учитывая вредное воздействие чистого кислорода, которое проявляется, если приходится слишком долго дышать им во время длительного пребывания на орбите.

При дыхании в воздухе повышается содержание углекислого газа, что может привести к головным болям, головокружению и удушью (см. гл. 2). Следовательно, CO2 необходимо удалять. В космическом корабле это происходит за счет химической реакции с гидроксидом лития (который в процессе превращается в карбонат лития). В апреле 1970 г. о канистрах с гидроксидом лития и опасности накопления углекислого газа узнали и заговорили все. Причиной стала авария, случившаяся через два с половиной дня после старта «Аполлона-13». В результате короткого замыкания взорвался один из трех отсеков топливного элемента, питавшего командный модуль. Подача топлива из двух оставшихся отсеков тоже нарушилась в результате взрыва, и космический корабль остался без энергоснабжения. Спасательной шлюпкой для астронавтов стал лунный спускаемый аппарат «Аквариус», на котором оставались резервы кислорода, воды и электроэнергии. К сожалению, запасов гидроксида лития на нем хватало для очистки воздуха от углекислого газа всего на двух человек на два дня, тогда как возвращение на Землю заняло бы более трех дней и экипаж состоял из трех. Выпуски международных новостей не замедлили оповестить общественность о том, чем грозит астронавтам избыток углекислого газа. При этом в командном модуле находился достаточный запас канистр с гидроксидом лития, но для воздухоочистительной установки «Аквариуса» они не подходили из-за разницы в конфигурации. Инженеры с Земли сутки бились над решением проблемы, и наконец разработали способ сконструировать импровизированный очиститель воздуха из «неправильных» канистр и разнокалиберного хлама – картонок, полиэтиленовых пакетов, клейкой ленты и старых носков. Я в детстве, как и многие мои сверстники, очень любила телепередачу Blue Peter, где рассказывалось, как делать разные штуки из йогуртовых стаканчиков и эластичных лент. Воздухоочиститель для «Апполона-13» занял бы первое место среди их шедевров. К счастью, он не подвел.

При дыхании, кроме всего прочего, выделяется водяной пар – это известно любому, кто хоть раз сидел в холодную погоду в машине с закрытыми окнами. Они запотевают изнутри в первую очередь из-за влаги, испаряемой нашими легкими. Содержание водяного пара в воздухе космического аппарата необходимо тщательно контролировать, поскольку переизбыток вызовет конденсацию, а недостаток – сухость роговицы глаз и слизистых оболочек глотки. Для поддержания оптимального баланса воздух в космическом корабле постоянно циркулирует в замкнутом цикле, углекислый газ и частицы пыли удаляются, а влажность и содержание кислорода поддерживаются на нужном уровне.

Внутри космического корабля создается комфортная температура в 18–27° С. Температурный контроль имеет огромное значение, поскольку с одной стороны корабль «поджаривается» на солнце, а с другой – леденеет от космического холода. После того как на станции «Мир» отключалось электропитание, внутри становилось невыносимо холодно, когда Земля заслоняла Солнце, и адски жарко, когда оно показывалось снова. Для поддержания постоянной температуры при путешествии с Земли на Луну и обратно «Аполлоны» медленно вращались вокруг своей оси (это спиральное вращение получило шутливое прозвище «поджарка на гриле»). В шаттле теплоотдача производится через «космические батареи», установленные на внутренней стороне дверей грузовых шлюзов, которые открываются, когда шаттл выходит на орбиту.

Свободное падение

Человек почти целиком воссоздает в космосе привычную среду обитания – за одним существенным исключением. Это гравитация. Создавать искусственное тяготение в космическом аппарате нецелесообразно, с одной стороны, потому что задача космических исследований состоит как раз в обратном – уйти от земного притяжения, и с другой стороны, потому что в коротких полетах микрогравитация не особенно мешает работе. Тем не менее физиологический стресс от невесомости довольно-таки ощутим. Она вызывает моментальное перераспределение жидкостей организма от ног к голове и груди и нарушает контроль над равновесием, провоцируя синдром укачивания – так называемую космическую болезнь. В длительных экспедициях она приводит также к уменьшению числа эритроцитов, вымыванию кальция из костей и мышечной атрофии. В течение примерно шести недель все эти нарушения стабилизируются, кроме потери костной массы, которая продолжается до самого конца полета, и адаптации к ней, даже при смене длиной в год, не происходит.

На самом деле космический корабль, находящийся на орбите, притягивается к Земле почти с такой же силой, что и на земной поверхности. Невесомость же возникает от того, что все предметы в нем находятся в постоянном свободном падении. На Земле мы чувствуем силу тяжести только потому, что поверхность держит нас, не давая притянуться к земному ядру. Если же поверхность исчезнет – при затяжном прыжке с парашютом или коротком прыжке со стены – мы на какое-то время окажемся в невесомости. Вращающийся на орбите космический корабль находится в постоянном падении, но при этом собственная скорость не дает ему упасть, а несет дальше по орбите. Строго говоря, во вращающемся на орбите корабле возникает не невесомость (нулевая сила тяжести), а микрогравитация.

Самые низкие орбиты расположены в 200 км от земной поверхности – на этой высоте необходимо принимать в расчет сопротивление воздуха. На более низких высотах сопротивление замедляет космический корабль настолько сильно, что он может войти в штопор и сгореть в нижних слоях атмосферы. Космическая станция «Мир» вращалась вокруг Земли на высоте около 400 км, но даже там ее постепенно притягивало к поверхности, и каждые несколько недель приходилось возвращать станцию на изначальную орбиту. Верхний предел посещаемых человеком орбит задается необходимостью избегать радиационных поясов, которые окружают планету как раз выше 400 км от поверхности (см. далее).

Невесомость

Невесомость заметно влияет на распределение жидкостей в организме. На Земле сила тяготения заставляет кровь и тканевые жидкости приливать к ногам и нижней части туловища, однако стоит покинуть гравитационное поле Земли, и эти жидкости устремляются вверх, вызывая очевидные и малоприятные перемены. Лицо надувается, вены на шее и на лбу набухают, глаза будто вылезают из орбит, нос закладывает, запахи и вкусы различаются хуже. Общее ощущение примерно такое же, как при сильной простуде. Ноги при этом теряют примерно одну десятую объема – отмечались случаи даже 30 %-ного уменьшения в обхвате голени. Иногда космонавты обматывают верхнюю часть ноги эластичным бинтом, чтобы уменьшить отток жидкостей снизу (кровяное давление в артериях выше, чем в венах, поэтому кровообращение при этом не перекрывается).

Перемещение жидкостей включает естественные датчики давления в голове и в груди, и уже через несколько дней организм приспосабливается к воздействию невесомости, сокращая объем крови и жидкостей повышенным мочеиспусканием и снижением потребности в питье. Астронавты за первые несколько дней на орбите теряют в весе – в основном за счет уходящей воды. Учащение позывов к мочеиспусканию доставляет немало неудобств, особенно если, как в ранних полетах, астронавт одет в скафандр. При этом ни прилив жидкостей организма к голове, ни компенсаторные механизмы, которые вслед за этим включаются, по имеющимся данным, не нарушают кровообращение в условиях космоса. По возвращении на Землю все обстоит иначе, но об этом позже.

Освобождаясь от оков земного тяготения, астронавты слегка вытягиваются в росте, поскольку исчезает давление на межпозвоночные диски. Большинство вырастает всего на один-два сантиметра, однако некоторые вытягиваются гораздо сильнее, как произошло с Джоном Гленном во втором его выходе в космос. В возрасте 77 лет он прибавил целых шесть сантиметров. О подобных переменах обязательно должны помнить инженеры. В исследовательской экспедиции на шаттле, предпринятой с целью изучения воздействия невесомости на нервную систему, конструкторы испытательного кресла, оборудованного датчиками для снятия нервных реакций, забыли оставить припуск «на вырост», и астронавты жаловались, что кресло стало слишком тесным. Легкие, сердце, печень и остальные внутренние органы тоже становятся невесомыми и плавают в полостях тела. Как отозвался один из астронавтов: «Чувствуешь, как кишки всплывают».

При микрогравитации значительно уменьшается выработка эритроцитов. Срок жизни эритроцита недолог – всего 120 дней, поэтому сокращение их воспроизводства приводит к снижению их общего количества в кровеносной системе. Сокращение начинается в течение четырех дней после погружения в невесомость и стабилизируется через 40–60 дней. За время десятидневной экспедиции космической лаборатории (модуля «Спейслэб») количество эритроцитов у участников снизилось примерно на 10 % – при более длительных полетах снижение бывало и больше.

Как мы помним из главы 1, выработка эритроцитов контролируется гормоном эритропоэтином, на секрецию которого влияет уровень кислорода в тканях. Чем выше содержание кислорода, тем меньше высвобождается эритропоэтина и соответственно меньше производится эритроцитов. Поэтому изначально считалось, что выработка эритроцитов сокращается из-за высокого содержания кислорода в первых космических аппаратах. Однако затем гипотезу эту пришлось пересмотреть, поскольку и в более поздних полетах, даже после перехода на дыхательные смеси, близкие к атмосферному составу, количество эритроцитов все равно продолжало падать. Сейчас причиной снижения количества эритроцитов считаются изменения в объеме крови, вызываемые микрогравитацией. Прилив крови к грудной клетке в состоянии невесомости предположительно вызывает обманчивое «ощущение» избытка крови у организма и заставляет его уменьшить производство кровяных телец. При этом падает и уровень эритропоэтина. Однако разительное снижение общей массы эритроцитов объясняется не только сокращением их воспроизводства – помимо этого гибнут красные кровяные тельца, готовящиеся появиться на свет из костного мозга.

Сон

Астронавты часто жалуются на то, что в космосе им трудно спать. Отчасти, конечно, это объясняется необычностью самой обстановки. Во-вторых, в космическом корабле довольно шумно, и коллеги, несущие вахту, не всегда соблюдают тишину. Однако, судя по всему, основная причина бессонницы состоит в нарушении так называемых циркадных ритмов организма (биологических часов). Многие физиологические процессы, в число которых входит и сон, управляются циркадными ритмами, которые, в свою очередь, реагируют на смену дня и ночи. Установлено, что в северных широтах во время полярного лета, когда солнце почти не заходит, люди спят гораздо меньше, чем во время полярной ночи зимой. Поскольку космический корабль делает виток вокруг Земли за 90 минут, солнце всходит и заходит с той же частотой, и смена дня и ночи у астронавта существенно сбивается.

Добавляет проблем и микрогравитация. Чтобы не плавать во сне по кораблю, астронавты упаковываются в прикрепленные к стенам спальные мешки. Для хорошего сна большинству людей необходимо ощущение безопасности, но при микрогравитации давление отсутствует, поэтому человек не чувствует, что лежит на поверхности. Некоторые астронавты, чтобы облегчить засыпание, надевают специальную повязку на лоб, создающую ощущение подушки под головой. Такие же повязки надевают на колени, чтобы можно было их согнуть во сне. Кроме того, астронавтам приходится спать в воздушном потоке, чтобы выдыхаемый углекислый газ не скапливался и не вызвал удушья. На Земле постоянную циркуляцию воздуха создает ветер или конвекционные потоки, но при микрогравитации конвекционного обмена, способного унести выдыхаемый углекислый газ, нет, поскольку теплый воздух никуда не поднимается (в космосе теплый и холодный воздух, как и все остальное, не имеют веса).

Инфекция

В каждом из нас живут миллионы микроорганизмов, сопровождающие нас повсюду, даже в космосе. На коже здорового человека находится более триллиона (1012) бактерий, и еще многие миллионы в кишечнике. Около десяти миллионов мы сбрасываем ежедневно вместе с чешуйками кожи. В космосе поговорка «кашляешь и чихаешь – заразу распространяешь» обретает особую актуальность. Если на Земле воздушно-капельная инфекция быстро оседает вниз и наносит меньше вреда, без гравитации она повисает в пространстве мелкой взвесью, которую вдыхают другие космонавты. Мелкие заболевания были бичом первых экспедиций – больше половины экипажа страдали от кожных, кишечных и дыхательных инфекций, но после того как в первых экспедициях программы «Аполлон» стали проводить предполетный карантин и тщательную дезинфекцию корабля до и во время полета, заболеваемость существенно уменьшилась.

Космическая болезнь

Движения астронавта, впервые попавшего в космос, раскоординированы, он промахивается, даже просто пытаясь ухватиться за нужный предмет или взять что-то в руки. У многих возникает ощущение кувырка или переворачивания вверх тормашками, может начаться головокружение. От космической болезни страдают примерно две трети астронавтов – иногда в довольно острой форме. В числе симптомов – головная боль, тошнота, головокружение, потеря аппетита, апатия, сонливость, раздражительность. Неожиданно может начаться рвота, зачастую даже без позывов – беспорядочными приступами, между которыми человек чувствует себя вполне нормально. Космическая болезнь способна серьезно отравить жизнь астронавту, мешая выполнять работу, а для человека, облаченного в скафандр, может окончиться и летальным исходом. Особенно плохо то, что космическая болезнь накрывает астронавта в первый же час после попадания в условия микрогравитации – на начальном, самом важном, этапе полета. К счастью, через два-три дня космическая болезнь, как правило, проходит.

Обычно космическая болезнь начинается с запрокидывания головы или кивка, хотя иногда ее может вызвать даже оптическая дезориентация. Если вам знакома морская болезнь, то вы, наверное, знаете по себе, что можно облегчить симптомы, сосредоточив взгляд на линии горизонта. Астронавтам сложнее, поскольку все ориентиры сбиты. В космосе нет «верха» и «низа». Мир вокруг них перевернут, а ориентиры постоянно перемещаются, как в знаменитом парадоксе Витгенштейна с зайцем и уткой. Некоторых астронавтов это поначалу сильно выбивает из колеи, другие достаточно быстро привыкают. Вот что рассказывает Джон Гленн: «Перед полетом врачи предупреждали, что у меня может начаться неконтролируемая тошнота или головокружение, когда жидкость во внутреннем ухе начнет свободно бултыхаться в невесомости… Но ничего подобного не было… Невесомость мне очень понравилась». Однако во время своего короткого полета Гленн сидел пристегнутый ремнями к креслу. Современные же астронавты свободно перемещаются по кораблю, и самых невезучих приступ космической болезни может накрыть даже при виде перевернувшегося вверх тормашками товарища, не говоря уже о собственном акробатическом кульбите.

Несмотря на то что причина космической болезни пока не установлена, предположительно ее провоцирует конфликт сигналов о положении тела в пространстве. Пространственная ориентация создается совокупностью сигналов от органов равновесия во внутреннем ухе, от мышечных и суставных рецепторов, «рассказывающих» о положении конечностей, и от визуальных ориентиров. В космосе многие рецепторы перестают получать привычные данные. Визуальные ориентиры сбиваются, поскольку шаттл, например, летает «вверх тормашками» по отношению к Земле, повернувшись к ней хвостовым стабилизатором. В первые несколько дней экипаж обычно пытается сохранять привычную «земную» ориентацию (т. е., по сути, они плавают по кораблю вверх ногами), привыкая к дестабилизирующему воздействию невесомости, но позже, освоившись в новых условиях, располагают тело в пространстве как придется.

Цена успеха

Отсроченные последствия микрогравитации включают потерю костной массы и мышечную атрофию, которые во время длительных полетов могут быть весьма существенными. Во время полета они не особенно ощущаются, однако по возвращении на Землю могут доставить немало неприятностей. На восстановление костной и мышечной массы до предполетного состояния уходит немало времени – почти столько же, сколько на сам полет, – и смогут ли они восстановиться полностью после сверхдлительных экспедиций (на Марс, например), науке пока неизвестно.

Кость – это живая ткань, которая обновляется на протяжении всей человеческой жизни. Чем больше нагрузка, тем толще кость, и наоборот. При уменьшении давления – после выхода из гравитационного поля Земли – кость становится более тонкой и хрупкой. Именно поэтому разрушению в долгосрочных космических полетах подвергаются прежде всего кости, выдерживающие весовую нагрузку. По мере истощения из кости вымывается кальций, что тоже добавляет проблем, поскольку повышение уровня кальция в моче грозит образованием камней в почках. Деминерализация приводит к ломкости костей (остеопорозу) и по возвращении на Землю увеличивает риск переломов. В долгом полете потеря костной массы может быть весьма значительной – около 1 % в месяц. За десять месяцев при микрогравитации минеральная плотность костей уменьшается примерно в таких же объемах, как в возрасте с 30 до 75 лет на Земле.

Жизнь при микрогравитации

Большинство людей при мысли о невесомости приходят в восторг – ведь это же полная свобода! Можно проплыть под столом, полежать на потолке (хотя сами понятия «пол» и «потолок» теряют смысл), повисеть посреди этого перевернутого пространства или грациозно порхнуть от одной стены к другой. Сальто или вращение может проделать любой, даже не будучи гимнастом или акробатом, а тесная капсула кажется просторной, поскольку теперь доступно и третье измерение.

Однако передвижение в условиях микрогравитации требует особых навыков. Чтобы переместиться вперед, нужно оттолкнуться от стены, как отталкивается от стенки бассейна пловец при развороте, но если не рассчитать силу, можно отлететь слишком стремительно и врезаться в противоположную стену. Астронавты-новички набивают себе немало синяков, прежде чем научаются отталкиваться одними кончиками пальцев.

Освободившись от земного тяготения, брошенные предметы летят по прямой, а не по дуге, как на Земле. Хелен Шарман в своей автобиографии описывала, как сделала свой первый глоток в космосе – не через специальный загубник, а поймав ртом дрожащий водяной пузырь, выпущенный из баллона смеющимся товарищем: «Я сомкнула губы, и во рту у меня разлился фонтан восхитительной освежающей прохлады».

Микрогравитация наглядно демонстрирует разницу между весом и массой. Масса – это сопротивление тела движению, тогда как вес – это воздействие гравитации на массу. В космосе вес исчезает, а масса остается. Именно поэтому и человека, и мышь можно с одинаковым успехом удерживать на кончике мизинца, но если вы захотите толкнуть их к противоположной стене, мышь покажется легче.

Третий закон движения, выведенный сэром Исааком Ньютоном, гласит, что «на каждое действие имеется такое же, но противоположное по направлению противодействие». На Земле это не всегда заметно – поднимая предмет или толкая его от себя, сами мы не двигаемся с места, поскольку упираемся в поверхность массивной планеты, гасящей противоположный импульс. В космосе все не так. Толкая предмет примерно одного размера с собой, астронавт тоже движется – в противоположную сторону. Если он начнет откручивать гайку ключом, гайка не шелохнется, а астронавт станет вращается вокруг. Поэтому ему необходимо упереться ногами в какую-то неподвижную поверхность. Для этого используются специальные стремена, которые необходимы также и для наружных работ, чтобы астронавта не унесло в открытый космос.

Некоторые действия при микрогравитации становятся особенно затруднительными. Например, мытье, поскольку вода по– висает в воздухе дрожащими пузырями, которые будут до бесконечности плавать по салону. Просачиваясь сквозь пальцы, они рассыпаются на мириады еще более мелких пузырьков, и избавиться от них невозможно. Поэтому астронавтам приходится обтираться губкой.

Если с водой играть довольно забавно, то устранение других жидкостей доставляет меньше удовольствия. Одна из самых больших трудностей, которые пришлось преодолевать космическим инженерам, – конструирование туалета для использования в космическом корабле. В самых первых полетах пользовались встроенными в скафандр устройствами для сбора отходов жизнедеятельности, на смену которым затем пришли космические туалеты, которые функционируют почти так же, как и на Земле, с той разницей, что капли мочи сразу засасываются внутрь. Затем они выбрасываются в космос, где моментально замерзают облаком из микроскопических мерцающих кристаллов. Один из астронавтов «Аполлона» на вопрос, что в космосе показалось ему самым красивым, ответил: «Облако мочи на закате».

Твердые отходы тоже собираются с помощью вакуума, а затем хранятся до возвращения на Землю, где и удаляются. При бритье, даже электробритвой, в воздухе разлетаются мелкие волоски, поэтому без крема (не дающего им разлететься) или пылесоса к бритью лучше не приступать. Можно спокойно выпустить фотоаппарат из рук, не боясь, что он разобьется, однако любой незакрепленный предмет норовит улететь даже от легкого прикосновения, поэтому все приходится крепить липучками или резиновыми шнурами.

Уборка в космосе – это сущее наказание, потому что пыль не падает, а повисает в воздухе. Несмотря на то что воздух на космической станции вентилируется и проходит фильтрацию, он все равно заполняется мельчайшими частицами пыли из чешуек кожи, волосков и микроскопических крошек пищи. В день человек теряет около 10 млрд чешуек кожи. На Земле они скапливаются белой пылью на поверхностях ванной комнаты, а в космосе заполняют воздух, которым человек дышит. Поэтому космонавты очень много чихают – до 30 раз в час. Кроме того, загрязненный воздух нередко вызывает раздражение слизистой глаз.

Куда более экзотичной выглядит мелкая черная пыль, похожая на сажу, покрывающая поверхность Луны. Астронавтам «Аполлона» она задала нелегкую задачу, поскольку на подошвах обуви они неизбежно приносили ее в спускаемый модуль. На Луне, где сила тяжести в шесть раз меньше земной, она незаметно ложилась обратно на поверхность, но в космосе проникала всюду и липла к скафандрам, окрашивая их в черный цвет. Пахла она почему-то порохом. При этом проблемы она создавала не только эстетического свойства: она забивалась в молнии скафандров, в выключатели, нарушала работу электронных приборов и проникала в легкие, выстилая их внутреннюю поверхность. Кроме того, в ней могли содержаться микробы, которые не должны были попасть на Землю.

К серьезным последствиям продолжительного пребывания в условиях микрогравитации относится также истощение мышц, выдерживающих весовую нагрузку, – из-за их невостребованности. Они уменьшаются в размерах и теряют силу, становясь более уязвимыми в случае нагрузки. Кроме того, истощаются соединительные ткани, прежде всего в ногах – мышцы рук подвержены истощению меньше, поскольку вся работа в космосе делается почти исключительно руками. Атрофия ножных мышц крайне опасна, поскольку может, помимо всего прочего, затруднить эвакуацию экипажа из корабля без посторонней помощи в случае вынужденного приземления. Нагрузка на сердце в условиях микрогравитации также снижается – из-за уменьшения объемов крови и из-за того, что отпадает необходимость преодолевать земное тяготение при перекачке. Соответственно сокращается объем сердечной мышцы – после долгих полетов сердце заметно уменьшается в размерах.

Для того чтобы избежать значительных потерь мышечной и костной массы, астронавты должны как минимум три-четыре часа в день заниматься спортом. Однако занятия на тренажерах при микрогравитации сопряжены с непривычными сложностями. Например, на беговой дорожке астронавту приходится пристегиваться к тренажеру, чтобы не улететь назад спиной – обычно используется специальная эластичная сбруя. В космосе также успешно применяются вело– и гребные тренажеры уникальных модификаций – например, на гребном тренажере нет сиденья, поскольку не требуется поддерживать вес астронавта. Кроме того, используются изометрические упражнения, обеспечивающие мышцам нагрузку без движения, – например, упражнения с грудным эспандером, применяющимся и на Земле. Упражнения с гантелями и штангой в космосе, разумеется, лишены смысла. Еще космонавты по нескольку часов в день носят «костюм пингвина» – прорезиненный костюм, дающий нагрузку на мышцы и тем самым частично компенсирующий отсутствие гравитации.

К сожалению, упражнениями пока еще не удается поддерживать ту же физическую форму, что и на Земле, и полностью избежать потери костной массы. Тем не менее в любом долгосрочном космическом полете (например, на Марс) астронавтам необходимо выдерживать регулярную программу тренировок, поскольку упражнения отлично помогают избежать атрофии мышц.

Долговременное воздействие космических полетов на организм можно частично имитировать, укладываясь так, чтобы голова находилась ниже уровня тела. Добровольцы, пролежавшие так в течение года, тоже испытали потерю костной и мышечной массы, а также ухудшение работы сердца. Кроме того, кости имеют обыкновение истончаться с возрастом – возможно, потому что мы уже не носимся так, как в молодости, и меньше занимаемся спортом. Сидя за компьютером и печатая эти строки, я меньше стимулирую свои кости, чем играя, например, в теннис (или копая огород).

Космическая радиация

Космическая радиация представляет большую проблему для астронавтов. На Земле атмосфера и магнитное поле создают своеобразный щит, отражающий почти все радиоактивное излучение за исключением видимого света и радиоволн. В космосе же астронавты постоянно подвергаются его пагубному воздействию. Источников космической радиации три: галактические лучи, солнечное излучение и радиационные пояса.

Точки равновесия

Учеловека имеется два органа равновесия – по обеим сторонам головы. Они называются вестибулярным аппаратом и находятся во внутреннем ухе. Вестибулярный аппарат состоит из двух отолитовых органов и трех полукружных каналов, и его назначение – передавать информацию о движениях и расположении тела в пространстве.

Отолитовые органы представляют собой заполненные жидкостью мешочки с чувствительными участками на стенках. Эти участки образованы группами клеток, покрытых тончайшими сенсорными волосками – ресничками. Реснички уходят в слой желеобразного вещества, обволакивающего поверхность клетки. В эту желеобразную массу вкраплены крошечные, размером с пылинку, кристаллы карбоната кальция, известные как отолиты («ушные камни», если буквально). Они служат рецепторами гравитации.

Когда мы держим голову прямо, реснички стоят вертикально, поддерживаемые желеобразной массой, покрывающей поверхность клетки. Но стоит наклонить голову, и кристаллы под действием силы притяжения съезжают вбок, задевая и тем самым возбуждая реснички. Отолиты реагируют и на вертикальное воздействие: когда лифт уносит нас вниз, отолиты тянут волоски вверх, вызывая то самое ощущение, будто желудок подкатывает к диафрагме.

В космосе отолиты перестают давить на чувствительные волоски, и сигналы о положении тела в пространстве, поступающие в мозг от отолитового органа и от органов зрения, начинают расходиться. Считается, что именно это расхождение и вызывает космическую болезнь.

Полукружные каналы реагируют на угловое ускорение. Каналов этих три, и они расположены под прямым углом друг к другу по трем осям, что позволяет отслеживать движение в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, когда мы киваем головой, склоняем голову набок или мотаем ею из стороны в сторону (в авиационных терминах это называется «тангаж», «крен» и «рыскание»).

Полукружный канал представляет собой заполненную жидкостью полую трубку, на конце которой имеется утолщение (ампула), а в нем – сенсорные клетки. Они покрыты множеством тончайших ресничек, сообщающихся с центром канала. Внутриканальная жидкость, приходя в движение, цепляет реснички, которые возбуждают сенсорные клетки.

Когда мы поворачиваем голову, череп движется, однако жидкость в полукружных каналах по инерции запаздывает. Соответственно, отклоняясь, она цепляет реснички, возбуждая сенсорные клетки и вызывая ощущение движения. Если продолжить поворот, жидкость «догонит» череп и будет двигаться с той же скоростью. Поворот перестанет ощущаться. Это значит, что полукружные каналы отмечают изменения в угловой скорости, но к продолжительному вращению нечувствительны. Поэтому пилот поворачивающего самолета, к примеру, через 15–30 секунд перестает ощущать поворот и должен определять обстановку по приборам и визуальным ориентирам.

Когда тело перестает вращаться, жидкость в полукружных каналах снова запаздывает по инерции, вызывая ощущение, что вы все еще кружитесь. Именно поэтому по выходе из штопора пилоту кажется, что самолет теперь поворачивает в противоположном направлении. Примерно то же самое происходит, если покружиться на месте и резко остановиться.

На Земле, когда мы киваем головой вверх-вниз или наклоняем вбок, возбуждаются и гравитационные рецепторы, и рецепторы углового ускорения. При микрогравитации гравитационные рецепторы отключаются, однако угловое ускорение по-прежнему ощутимо. Сигналы, поступающие в мозг, оказываются половинчатыми, непривычными, что также объясняет, почему космическая болезнь может начаться с кивка головой. Со временем мозг приспосабливается к новым сигналам, и космическая болезнь проходит.

Данные от вестибулярного аппарата скоординированы с движениями глаз, чтобы мир не переворачивался, когда мы наклоняем голову. Когда мы поворачиваем голову вправо, компенсаторный рефлекс с той же скоростью смещает взгляд влево, чтобы картина мира оставалась прежней. Именно поэтому, когда мы кружимся, а потом останавливаемся, все вокруг будто продолжает кружиться – это наш взгляд движется в противоположном направлении.

По рассказам астронавтов, в космическом полете нарушается и эта связь между вестибулярным аппаратом и движениями глаз: при повороте головы кажется, что движется мир вокруг, а не сам человек.

Галактические лучи рождаются за пределами Солнечной системы и обрушиваются на земную атмосферу непрерывным потоком. Они могут возникнуть при вспышке сверхновой или испускаться другими звездами Галактики. Большей частью они состоят из протонов (ядер водорода) и альфа-частиц (ядер гелия) и несут огромный заряд энергии. Достигая верхних слоев земной атмосферы, эти первичные частицы сталкиваются с ядрами атомов газа, рассыпаясь дождем вторичных частиц, включающих протоны, нейтроны, электроны, мю-мезоны, пи-мезоны и нейтрино. Таким образом, первичные космические лучи не проникают сквозь атмосферу, и до поверхности Земли долетает лишь небольшая доля вторичных частиц. Однако в космосе для защиты астронавтов от галактической радиации приходится создавать специальную оболочку.

Солнце испускает непрерывный поток заряженных энергией ионизирующих частиц, состоящий в основном из протонов и электронов и распространяющийся по спирали со скоростью около 450 км / с. В обычном состоянии солнечный ветер на подходе к Земле содержит около пяти частиц на кубический сантиметр. Однако время от времени на поверхности Солнца случаются гигантские вспышки, выбрасывающие в межпланетное пространство огромное количество частиц. Эти вспышки, равные по мощности миллиарду мегатонных термоядерных реакций, сопровождаются выбросом до 10 млрд т частиц в течение нескольких секунд. Во время таких солнечных бурь на Землю обрушивается гораздо более сильный поток радиации. Прогнозировать такие вспышки, как и земную погоду, довольно сложно. Тем не менее известно, что цикл изменений солнечной активности составляет примерно 11 лет.

На Земле мы живем под защитой магнитного поля, препятствующего проникновению космической радиации. Оно задерживает заряженные частицы, собирая их в облако. Огромное количество этих частиц, в основном высокоэнергичных протонов и электронов, сосредоточено в двух различных областях над Землей, известных как внутренний и внешний радиационные пояса, открытые Джеймсом ван Алленом и его студентами в 1958 г. Каждый из поясов представляет собой «бублик» (выражаясь научным языком, тороид), охватывающий Землю и совмещенный по центральной оси с экватором. Внутренний пояс отстоит от поверхности Земли минимум на 300 км, а внешний простирается в космос на 45 000 км, то есть примерно на одну шестую расстояния до Луны.

Чтобы понять, как заряженные частицы улавливаются поясами Ван Аллена, представьте Землю в виде магнитного бруска, оканчивающегося на Северном и Южном полюсах. От одного торца магнита к другому проходят силовые линии. Они невидимы, однако их можно заставить проявиться с помощью железных опилок. Кроме того, их умеют обнаруживать некоторые виды бактерий и животных, обладающих «магнитным чувством». Линии магнитного поля Земли служат барьером для заряженных частиц в космических лучах. Частицы притягиваются к полюсам, вращаясь и кружась. На полюсах некоторые из них все же прорываются в земную атмосферу, однако большинство устремляется вдоль силовой линии в обратный путь. Этот бесконечный круговорот протонов и образует пояса Ван Аллена.

Для астронавтов и спутников радиационные пояса представляют серьезную опасность, грозя облучением до 200 мЗв / ч. Поэтому высота орбитальных полетов не превышает 400 км. На этих низких орбитах радиация в основном невелика – за исключением одного участка над Южной Атлантикой. Шаттл, совершая витки по орбите, проходит над этим участком около шести раз в день, и именно там экипаж собирает основную дозу получаемой в космическом полете радиации. На других девяти орбитах шаттл через Южно-Атлантическую аномалию не проходит, поэтому все внебортовые работы совершаются на этих орбитах.

Хотя в космосе уровень радиации обычно низок, долговременное воздействие может повлиять на генетический материал (ДНК), повышая риск развития рака, а поражение ДНК половых клеток (яйцеклеток или сперматозоидов) грозит бесплодием или рождением у астронавтов детей с генетическими отклонениями. Непосредственную опасность представляет интенсивное облучение от солнечных вспышек, поскольку оно убивает клетки сразу – смерть может наступить через несколько часов в результате поражения центральной нервной системы или через несколько дней из-за гибели лейкоцитов или быстро делящихся клеток, выстилающих стенки кишечника. Попав под облучение от солнечной вспышки, астронавт через несколько часов погибнет от острой лучевой болезни. Более того, поскольку всплеск солнечной активности может продолжаться не один час и даже не один день, кумулятивное воздействие низких доз облучения тоже может оказаться критическим. К счастью, солнечные вспышки случаются достаточно редко.

Обычно для обнаружения космической радиации необходимы специальные приборы, однако в некоторых случаях ее можно увидеть и невооруженным глазом. Базз Олдрин и Нил Армстронг по дороге на Луну и обратно в спускаемом аппарате «Игл» наблюдали необычные белые вспышки, похожие на звезды. Похожие белые сполохи или короткие световые полосы замечали (причем обычно с закрытыми глазами) и другие астронавты в последующих лунных экспедициях по программе «Аполлон». Вспышки возникали с частотой одна-две в минуту. Предположительно, их вызывали галактические лучи, проходящие сквозь стены корабля и достигающие глаз астронавтов. Подтверждением этой гипотезе служат схожие световые вспышки, наблюдаемые добровольцами, подвергающимися воздействию искусственно созданных пучков частиц. О таких же вспышках докладывали и экипажи некоторых шаттлов, особенно при проходе через Южно-Атлантическую аномалию и по самой низкой орбите над полюсами. В их случае, судя по всему, источником вспышек служили радиационные пояса. На какие именно элементы органов зрения воздействует ионизирующая радиация, науке пока неизвестно, однако, по общему мнению, заряженные частицы возбуждают сетчатку.

Галактические лучи и солнечные частицы высокоэнергетичны, поэтому обеспечить надежную защиту от них в космическом корабле нелегко. Чтобы спастись от прямого воздействия солнечной вспышки, требуется алюминиевый кожух плотностью по крайней мере 10–15 г / см2 – при более длительном воздействии, соответственно, более толстый. Учитывая ограничения по весу в космическом полете, применять такой щит постоянно было бы нецелесообразно, поэтому экипаж неизбежно подвергается воздействию космической радиации. У всех астронавтов имеются при себе дозиметры, чтобы отслеживать уровень облучения. До сих пор оно не превышало допустимых границ, хотя в длительном полете астронавт может получить весьма значительную дозу. Например, экипажи «Аполлонов», пробывшие в космосе менее двух недель, получили только по 6 греев, тогда как у экипажа «Скайлаб-4», летавшего 84 дня, доза облучения составила целых 77 греев. У русских космонавтов, отправляемых в космос на еще более долгие сроки, дозы облучения тоже оказались пропорционально более высокими. У некоторых из них впоследствии обнаружили рак, однако доподлинно не известно, космическое ли излучение стало тому причиной. Из-за опасного воздействия космической радиации, возможно, стоит отправляться в долгосрочные космические полеты в более преклонном возрасте, когда естественная смерть может опередить развитие рака. В том числе и поэтому для полета на Марс имеет смысл отбирать астронавтов старшего возраста.

Сверхзвуковые самолеты типа «Конкорда» летают в верхних слоях земной атмосферы, поэтому они тоже не защищены от космического излучения. Средняя доза, достающаяся пассажирам и экипажу, – около десяти микрозивертов (мкЗв) в час. За время перелета из Лондона до Нью-Йорка наберется примерно 35 мкЗв. Максимально допустимая доза для обычного человека составляет 1 миллизиверт (мЗв), или тысяча мкЗв{33}, поэтому, чтобы превысить норму, нужно 14 раз слетать маршрутом Лондон – Нью-Йорк туда-обратно. Другими словами, годовая норма позволяет провести в воздухе 100 часов. Разумеется, и экипаж, и те, кому приходится летать часто, легко могут эту норму превысить. Однако рекомендуемый максимум «рабочей» дозы облучения несколько выше – 20 мЗв в год, то есть свыше пяти рейсов в Нью-Йорк в оба конца за неделю, а это уже мало кто набирает. И действительно, даже у экипажей «Конкордов», налетавших максимальное количество часов, годовая доза облучения составляла не больше 7 мЗв.

Однако случайная солнечная буря могла существенно и стремительно повысить радиационный фон, доведя его до 25 мЗв / ч. На такой случай в «Конкордах» имелась система радиационного предупреждения, улавливающая как нейтроны, так и ионизирующую радиацию (протоны и т. д.), установленная в пассажирском салоне и подсоединенная к монитору в кабине. При превышении уровня радиации в 0,5 мЗв / ч., экипаж должен был опустить самолет ниже, под защиту атмосферных слоев. Однако за все годы эксплуатации «Конкордов» такой надобности не возникло.

На отметке 10 400 м (высота полета большинства пассажирских самолетов) космическое излучение составляет примерно половину от того, что достается «Конкордам» и сверхзвуковым истребителям. Однако суммарное излучение получается примерно таким же, поскольку полет длится дольше. Это значит, что независимо от того, летите вы «Конкордом» или обычным самолетом, доза облучения вам достанется примерно одинаковая. При этом радиационными мониторами обычные самолеты не оборудуются – отчасти в силу традиции, отчасти потому что опасность невысока. Кроме того, в наше время прогнозы солнечных вспышек достаточно точны, и самолеты получат предупреждение задолго до того, как поток достигнет Земли. (Путь от Солнца до Земли занимает у солнечных частиц около двух дней.) Трудность с прогнозами солнечных бурь состоит в другом: их направление непредсказуемо и поток частиц может миновать Землю. Поэтому перед космическими метеорологами встает дилемма: объявлять или не объявлять предупреждение, а если объявлять, то когда.

Астронавты, экипажи самолетов и те, кто часто летает, неизбежно подвергаются облучению в больших дозах, чем обычное население. Насколько это повышает риск развития рака, пока точно не установлено, однако уже известно, что риск этот достаточно мал, чтобы пренебрегать преимуществами авиаперелетов. Кроме того, данную проблему следует рассматривать в соответствующем контексте. Миллионное население Ла-Паса, столицы Боливии, расположенной на высоте 3900 м, ежегодно получает дозу космической радиации, равную 2 мЗв, – примерно столько же достается экипажам межконтинентальных рейсов. Население юго-западной оконечности Британии получает еще более высокие дозы – около 7 мЗв в год – от естественного излучения гранитных скал. Нелишне отметить также, что, в отличие от находящихся в положении стюардесс, которым, чтобы обезопасить будущего ребенка, сокращают норму налета, беременным жительницам Корнуолла никуда от воздействия естественной радиации не деться.

Шаг в пустоту

Первым человеком, которому довелось в одном скафандре выйти в открытый космос, стал советский космонавт Алексей Архипович Леонов. Он провел за бортом космического корабля 12 минут 18 марта 1965 г. Первый выход в космос представителя Соединенных Штатов – Эдварда Уайта II состоялся через несколько месяцев. Сегодня на счету астронавтов многих стран тысячи часов и в открытом космосе, и на Луне. Все они единодушны в том, что выход в космос – это невероятно захватывающее ощущение. Ничто не сравнится с полетом в черной бездне над ярким ободком плавно вращающейся внизу Земли. Словами этот восторг не передать, однако, по мнению Джина Сернана, есть одно стихотворение, написанное задолго до эры космических полетов, которое более или менее точно схватывает суть.

Я ускользнул из тяжких пут земных И в небе танцевал на крыльях смеха, Поднялся к солнцу в облаках цветных, Парил в сиянье солнечного света. Там я мог делать всё, о чем мечтал, – Кружил, летал, играл в горелки с ветром. ‹…› И там всю мощь Вселенной ощутил И лика Господа своей рукой касался{34}.

Выходить в космос опасно, поскольку от малейшего прикосновения можно улететь в бескрайние просторы. Поэтому астронавта связывает с кораблем «пуповина», а скафандр оборудован небольшими реактивными двигателями, позволяющими маневрировать в вакууме.

Предшественниками космических скафандров стали высотные пневмокостюмы, которые помогали авиаторам, например, Уайли Посту, устанавливать летные рекорды на больших высотах. На заре авиации кабину самолета не герметизировали, и летчикам, покорявшим высоту, приходилось облачаться в пневмокостюм. Впоследствии военные переработали эти прототипы в полноценные высотные костюмы с полной компенсацией давления для использования в истребителях, летающих выше 12 000 м. Первые астронавты проводили в скафандре весь полет – на случай если вдруг упадет давление внутри капсулы. Сегодняшние астронавты на орбите носят обычную одежду, а на старте и при посадке – высотные костюмы с частичной компенсацией давления, надевая полноценные скафандры только для выхода в открытый космос.

Скафандр – это, по сути, индивидуальный космический корабль в миниатюре, обеспечивающий физическую защиту, давление, атмосферу, терморегуляцию, а также – если предполагается длительное использование – пищу, воду и удаление отходов жизнедеятельности. Кроме того, скафандр должен быть одновременно гибким, прочным и устойчивым к воздействию солнечной радиации и микрометеороидов. А еще, чтобы разработчику мало не показалось, он должен весить как можно меньше, поскольку для вывода корабля на орбиту требуется огромное количество энергии, так что ограничения по весу здесь очень жесткие. В первые скафандры, такие как использовались астронавтами «Джемини», кислород подавался по «пуповине», связывающей их с кораблем. Однако для лунной программы потребовался автономный скафандр с самостоятельной системой жизнеобеспечения. Скафандры, которые сегодня надевают астронавты НАСА для выходов в открытый космос, представляют собой сложные системы под названием скафандры для ВКД (внекорабельной деятельности). Они состоят из 14 слоев, защищающих астронавта от сурового воздействия внешней среды, и оборудованы большим ранцем, где находятся емкости с водой для охлаждения, система кондиционирования воздуха и баллоны с кислородом, рассчитанным на 9–10 часов работы в космосе. На Земле такой скафандр весит целых 113 кг, в космосе он, разумеется, не весит ничего.

Давление в кабине шаттлов и космических станций поддерживается на уровне земного, и экипаж дышит земным воздухом, содержащим 21 % кислорода и 78 % азота. В скафандры для ВКД, однако, закачивается чистый кислород под давлением в одну треть атмосферы. На чистом кислороде (в отличие от кислородно-азотной смеси) астронавт может дольше пробыть снаружи, однако давление приходится уменьшать, чтобы избежать кислородного опьянения (см. гл. 2). Выдыхаемый углекислый газ фильтруется через гидроксид лития, остальные примеси удаляются активированным углем, а вода – влагопоглотителем. Затем по мере необходимости добавляется еще кислород, и дыхательная смесь возвращается в систему циркуляции скафандра.

Поскольку в скафандре для ВКД поддерживается давление в треть атмосферы, астронавт не может просто надеть его и сразу выйти в открытый космос – иначе ему грозит кессонная болезнь. Симптомы ее подробно описаны в главе 2, где шла речь о водолазах. Причиной кессонной болезни служат выделяющиеся в кровь и ткани пузырьки азота, поэтому для предупреждения «корчей» необходимо удалить из организма азот и заменить кислородом, поскольку растворенный кислород усваивается тканями гораздо быстрее, не успевая выделиться в виде пузырьков. Поэтому, прежде чем выйти за борт корабля, астронавты шаттла надевают респираторы и дышат чистым кислородом. Однако надеть скафандр, продолжая дышать исключительно кислородом, довольно затруднительно. Поскольку азот проникает в ткани моментально, нескольких вдохов достаточно, чтобы свести на нет все усилия по насыщению тканей и крови кислородом. В связи с этим астронавту приходится задерживать дыхание, переходя с респиратора на систему жизнеобеспечения скафандра. Это непросто. Поэтому в таких случаях обычно понижают давление в кабине и повышают содержание в ней кислорода, тем самым значительно уменьшая риск пополнения запасов азота в тканях. Кроме того, такой прием позволяет сократить время на «предварительное дыхание» – при 24-часовой декомпрессии кабины перед выходом в открытый космос достаточно получаса дыхания чистым кислородом, тогда как без декомпрессии предварительное дыхание занимает не меньше четырех часов.

Скафандр, как и космический корабль, должен выдерживать экстремальные перепады температур, поскольку на освещенной Солнцем стороне температура может достигать 120° С, а на темной стороне падать ниже –100° С (представьте, что вы сидите перед полыхающим камином в ледяной комнате, и возведите предполагаемые ощущения в квадрат). Кроме того, тепло и пот, выделяемые кожей, оболочка скафандра не пропускает, поэтому внутри он может нагреваться достаточно сильно, особенно когда астронавт активно двигается. Перегрев действительно доставлял немало хлопот выходившим в открытый космос астронавтам «Джемини». Более поздние модификации скафандров оснащались нательным слоем с водяным охлаждением – белье пронизывалось тончайшей сетью трубочек, по которым непрерывно циркулировала вода из баллонов в ранце. Такая же система применяется и в скафандрах для ВКД, которые используются на современных шаттлах.

И наконец, скафандр должен обеспечивать астронавту свободу движений для работы в космосе. Это непростая задача для инженера. С одной стороны, астронавт должен иметь возможность согнуть руку, с другой – скафандр необходимо армировать, чтобы он не лопнул в безвоздушном пространстве{35}, а герметизированный скафандр с наддувом не отличается гибкостью. Поэтому приходится оборудовать скафандр гибкими сочленениями, действующими примерно как наружный скелет у насекомых. Например, нижняя часть скафандра сочленяется на талии, на бедрах, в колене и на лодыжках – как сочленяется в нужных местах жесткий панцирь жука. Но несмотря на это, работать в скафандре все равно достаточно сложно и утомительно, поэтому требуется суровая подготовка. Кроме того, при микрогравитации человек несколько прибавляет в росте, расширяются грудная клетка и голова, а бедра усыхают, поскольку жидкости организма приливают от ног к груди. Об этом ни в коем случае нельзя забывать конструкторам космических скафандров. Некоторым из первых астронавтов пришлось испытать не самые приятные ощущения, когда выяснялось, что скафандр становится тесноват.

Возвращение

Вход в земную атмосферу и посадка – пожалуй, самая опасная часть космического полета. Недаром в своей знаменитой речи президент Кеннеди оговаривал не только высадку человека на Луну, но и его безопасное возвращение на Землю. Возвращающегося астронавта подстерегают как физические, так и физиологические испытания. Самая главная сложность – это невероятный жар, возникающий от трения при входе корабля в земную атмосферу. На той скорости, которую развивает корабль при входе, от атомов воздуха отрываются электроны, обволакивая корпус корабля ионизированной оранжево-красной плазмой. Температура в ней достигает 1650° С, поэтому корабль и экипаж необходимо защитить специальной огнеупорной обшивкой. Дополнительная сложность заключается в том, что верхние слои атмосферы не равномерные, а складчатые, как волны, поэтому при возвращении корабль очень сильно трясет, бросая с гребня на гребень.

Особенно опасен процесс возвращения для астронавта, пробывшего в космосе долгое время, поскольку вход в атмосферу происходит с замедлением, создающим перегрузки. В ранних полетах они были очень высокими – до +6g, астронавтам же нынешних шаттлов достаются перегрузки, лишь в 1,2 раза превышающие земное притяжение. Однако даже они весьма ощутимы. Шаттл на входе в атмосферу располагается так, что вектор перегрузок действует в самом неприятном для астронавта направлении, поскольку сердцу становится труднее перекачивать кровь от ног, а выдерживать их приходится около 20 минут. Особенно сложно это для тех, кто провел в космосе значительное время и чей организм уже перестроился под микрогравитацию. У таких астронавтов резко падает давление, грозя головокружением и потерей сознания в самый ответственный момент, при посадке. Британский астронавт Майкл Фоул, пробывший на станции «Мир» почти пять месяцев, на входе в атмосферу лежал в шаттле пристегнутый ремнями, чтобы вектор перегрузок был направлен от груди к спине. Иногда, для того чтобы обеспечить внешнее давление, способствующее приливу крови к сердцу, астронавты надевают противоперегрузочные штаны, как у пилотов истребителей.

С небес на землю

Немало неприятностей астронавтам, возвращающимся на Землю после долгого пребывания в космосе, доставляет невозможность стоять на ногах, не теряя сознания. Это состояние – оно называется «ортостатическая неустойчивость» – возникает из-за изменений в сердечно-сосудистой системе, вызываемых невесомостью. Освободившись от земного притяжения, жидкости организма устремляются вверх, включая компенсаторные механизмы, сокращающие объем жидкостей и стимулирующие их перераспределение. Эти изменения после прилета обратно на Землю пропадают не сразу. Когда астронавт лежит, они почти не дают о себе знать, однако стоит ему подняться на ноги, подача крови к голове и мозгу уменьшается, и человек теряет сознание. Экипаж «Союза-21», например, с трудом мог стоять, не падая в обморок, в течение нескольких часов после приземления. Ортостатическая неустойчивость появляется даже после коротких пятичасовых полетов. На восстановление устойчивости до предполетного уровня после короткого полета уходит от трех до четырнадцати дней, на восстановление после длительных экспедиций – гораздо больше.

Одна из причин возникновения ортостатической неустойчивости после посадки – то, что объем крови уменьшается, а сосуды в ногах сокращаются хуже, чем прежде, поэтому кровь у астронавта, вновь попавшего в поле земного тяготения, приливает к ногам. Кроме того, нарушается регулировка кровяного давления средствами нервной системы. Людям с низким давлением, как у меня, тоже знакомо мелькание мушек или серая пелена перед глазами и секундное головокружение, если случается резко встать.

Советский Союз первым разработал меры борьбы с изменениями в распределении жидкостей организма. Во время полета космонавты периодически облачаются в вакуумные штаны, которые за счет всасывающего внешнего давления заставляют кровь приливать к ногам, а перед возвращением с орбиты космонавт должен выпить около литра подсоленной воды для увеличения объема жидкостей организма{36}. Те, кто не пренебрегал этими мерами, по возвращении меньше страдали от ортостатической неустойчивости. Исключением стал экипаж «Союза-21», который не смог выполнить положенную программу, поскольку у одного из космонавтов развилась сильная и непроходящая головная боль, и экипажу пришлось срочно возвращаться на Землю, проведя в космосе всего 49 дней. Несколько часов после посадки никто из них не мог стоять, не теряя сознания. Испытания с участием астронавтов шаттла подтвердили благоприятное воздействие физраствора, выпиваемого перед посадкой, поэтому теперь и российские, и американские экипажи перед возвращением выпивают около литра воды (или сока) и съедают восемь таблеток соли. Эти меры хорошо помогают при ортостатической неустойчивости после коротких полетов, но, к сожалению, при длительном пребывании в космосе они бессильны.

Еще одна причина того, почему астронавтам тяжело передвигаться по земле после долговременного пребывания в космосе, – мышечная атрофия. Кроме того, после космоса мышцы более уязвимы. Эксперименты на животных показали, что в повреждении мышц виновата не микрогравитация как таковая, а нагрузка по возвращении на Землю. Обычно мышцы восстанавливаются быстро, и уже через несколько дней человек начинает ходить, а через несколько недель набирается мышечная масса. На восполнение потерь костной массы могут уйти месяцы (сроки восстановления зависят от того, сколько длился космический полет).

Если вы когда-нибудь выходили в море на маленькой лодке, то знаете, что к качке привыкаешь довольно быстро, однако потом даже на берегу земля под ногами будто продолжает качаться. Примерно то же самое ощущает астронавт по возвращении на Землю. Около 10 % астронавтов шаттла накрывает «земная болезнь». Им трудно держать равновесие или стоять прямо с закрытыми глазами, они жалуются на головокружение и тошноту. Кроме того, некоторые обнаруживают, что сразу после прилета при любом наклоне головы кажется, что в движение приходит мир вокруг, а не собственное тело. Это значит, что сигналы от рецепторов в полукружных каналах, реагирующих на линейное ускорение, перепрограммируются в условиях микрогравитации и по возвращении на Землю должны пройти обратный процесс. В первую пару ночей после приземления многие астронавты испытывают неудобство, лежа на спине в постели, – им кажется, что голова расположена градусов на тридцать ниже тела. «Земная болезнь» проходит через несколько часов, иногда несколько дней, однако на восстановление равновесия и координации может уйти неделя или две. Интересно, что лунное притяжение – которое в шесть раз меньше земного – такого воздействия почти не оказывает. Из двенадцати человек, побывавших на Луне, только трое жаловались на схожие симптомы – и то настолько слабо выраженные, что их вполне можно списать на восторженное состояние.

Куда дальше?

Перед отлетом лунного модуля «Фалькон» экспедиции «Аполлон-15» с Луны экипаж оставил на ее поверхности небольшую мемориальную доску с именами 14 астронавтов и космонавтов, отдавших жизнь за то, чтобы когда-нибудь человек побывал на Луне. Вместе с доской они оставили миниатюрную статуэтку, известную теперь под названием «Павший астронавт»{37}. Космос, вне всякого сомнения, самая враждебная для человека среда. Однако ни один из этих четырнадцати не погиб в космосе. Их погубил пожар на стартовой площадке, взрыв ракеты на старте или во время входа в земную атмосферу при возвращении. Судя по всему, как и в авиаперелетах, самыми опасными этапами космических путешествий оказываются взлет и посадка.

«Стоит ли оно того?» – вот неизбежный вопрос, который всегда вызывали пилотируемые космические полеты. Однако задавая этот вопрос, большинство людей имеют в виду вовсе не человеческие жизни. Космическая программа – чрезвычайно дорогое удовольствие. На экспедиции лунной программы «Аполлон» Штатам приходилось выделять 4,5 % годового бюджета. Во времена холодной войны необходимость казалась очевидной, затем, когда политическая составляющая отпала, поддержка программы снизилась, и ее свернули раньше срока. Едва вернувшись на основной корабль после подъема с Луны, астронавты «Аполлона-17» Джин Сернан и Джек Шмидт с ужасом узнали о заявлении президента Никсона, что «в этом столетии человеку, вероятно, уже не доведется больше побывать на Луне».

Эти слова оказались пророческими. Больше человек пока на Луну не возвращался. Мечта, осуществившаяся на глазах у тех, кому сегодня за сорок, снова стала несбыточной. Нынешние космические программы куда скромнее. Поверхность Марса вместо нас исследуют роботы. Это, конечно, правильно, поскольку роботы гораздо дешевле, автономнее и не подвергают опасности человеческую жизнь. Но я, тем не менее, верю, что тот же порыв, который позволил человеку достичь Луны, когда-нибудь приведет его и на Марс. И очень надеюсь, что мне доведется дожить до этого дня.

7. Экстремалы из экстремалов

Микроб так мал, что, по рассказам,

Невидим человечьим глазом.

Хилэр Беллок. Микроб

Независимо от того, когда на самом деле на нашей планете появился человек, другие организмы успели его опередить. Даже в самых негостеприимных областях Земли – на полюсах, в пустынях, на вершинах гор и в глубинах океана – существует жизнь. По-настоящему суровых уголков, непригодных для обитания даже одноклеточных организмов, крайне мало, поэтому даже в той среде, где человек не сумеет выжить незащищенным, другие животные выживают без труда. В этой главе рассматриваются экстремальные условия, в которых возможны хоть какие-то формы жизни.

Животным, как и человеку, для жизни требуются вода, кислород и пища. Бактерии могут обойтись без кислорода, и источники пищи у них будут совсем не похожи на наши, однако вода им все равно необходима. Помимо этого им нужны такие химические элементы, как углерод, азот, сера и фосфор, – в качестве строительного материала для ДНК и белков. И если эти элементы можно обнаружить практически в любом месте на Земле, с жидкой водой дело обстоит несколько сложнее. Например, в пустыне Атакама – самой сухой области нашей планеты – дождя может не быть годами. Лед воду не заменит, поэтому ледяные пустоши полярных шапок и снежные вершины гор в этом отношении не отличаются от пустынь. И хотя некоторые организмы могут существовать без воды достаточно долго, впадая в анабиоз, расти или размножаться они при этом не сумеют. А значит, вода – это основа жизни, самая настоящая aqua vitae, которую с таким усердием пытались отыскать древние алхимики.

Древо жизни

Три основные ветви древа жизни – эукариоты, бактерии и археи. Эукариоты, как и мы с вами, состоят из клеток, имеющих ядро, в котором содержится ДНК. К эукариотам относятся все животные, растения и многие одноклеточные. Бактерии и археи – это одноклеточные организмы, не имеющие ядра, однако друг от друга они отличаются не меньше, чем от эукариотов, поскольку каждый из трех доменов обладает уникальным генным набором. Архей, как ни странно, выделили в отдельную ветвь относительно недавно, в конце 1970-х. Сделал это эволюционист Карл Вёзе. Его теория не сразу нашла поддержку, и Вёзе очень переживал, что на его родине, в США, ее считают бредовой или попросту не принимают во внимание. Его оппоненты видели в археях не более чем разновидность бактерий. Преклонный возраст Вёзе не способствовал популяризации его теории, однако в наше время она наконец обрела признание. Окончательно она подтвердилась в 1998 г., после получения полной последовательности генома одной из архей (метанококка), когда выяснилось, насколько ее гены отличаются от генов бактерий. Таким образом, подтвердилась уникальность архей и было доказано, что они ближе к эукариотам, чем к бактериям. Их название происходит от древнегреческого arkhaios и подчеркивает их древнее происхождение, поскольку считается, что из всех существующих форм жизни они обладают наибольшим сходством с первыми клетками.

Археи и бактерии – чемпионы по выживанию в экстремальной среде. Они отлично себя чувствуют и в кипятке, и в каустической соде, и в концентрированной кислоте, и в крепком соляном растворе, и под сильным давлением, и в каменной толще. Некоторым из них, например Deinococcus radiodurans, нипочем даже высокая радиоактивность{38}. Многие могут жить без кислорода или солнечного света, добывая энергию из серы или водорода или ломая камень. Они перерабатывают почти все – в том числе нефть, пластик, металлы и токсины. Эти микроорганизмы могут принести огромную пользу в очищении окружающей среды, предотвращении ее загрязнения, а также в производстве энергии и множестве других областей. Неудивительно, что они вызывают пристальный интерес не только ученых, но и промышленников.

Некоторые любят погорячее

В отличие от многоклеточных животных и растений, которые не выдерживают температуру выше 50° С, и одноклеточных эукариотов, погибающих при температуре выше 60° С, некоторым бактериям и археям не страшен даже кипяток. Температура обитания термофилов – 50° С, гипертермофилов – выше 80° С. Они часто встречаются в зонах высокой геотермальной активности, таких как гейзеры Исландии или Йеллоустонский национальный парк, а также в жерлах океанских вулканов, так называемых «черных курильщиках». Самые «жаропрочные» из ныне известных бактерий – Pyrolobus fumarii, обитающие при температуре 113° С в стенках «черных курильщиков» и замедляющие рост, когда температура падает до 90° С, поскольку для них это слишком холодно. Никто не знает, где на самом деле верхний предел пригодной для жизни температуры, однако большинство ученых предполагают, что он должен быть равен примерно 120° С.

«Черные курильщики» были открыты в 1977 г. учеными из Вудсхоллского океанографического института близ побережья Эквадора. Скользя над океанским дном на глубоководном аппарате «Алвин» на глубине около 2500 м, они перевалили через хребет – и увидели незабываемое зрелище. Из леса подводных труб клубился черный дым, будто Вулкан с Нептуном выстроили там гигантский заводской комплекс для каких-то темных производственных нужд. И, в отличие от малонаселенных океанских глубин, к которым ученые уже привыкли, этот оазис просто кишел самыми разнообразными формами жизни.

Соваться к «черным курильщикам» довольно опасно. Первый же температурный зонд, запущенный в столб воды, поднимающийся из трубы «курильщика», сгорел за несколько секунд. Разобравшись, в чем дело, ученые стали опасаться за сам батискаф, поскольку на такой глубине плексигласовые окна могли расплавиться и при 90° С. Опасения оказались не напрасными. Из экспедиций к «черным курильщикам» батискафы иногда возвращаются с покореженной и черной от жара внешней оболочкой.

«Черные курильщики» напоминают подводные гейзеры, которые выбрасывают насыщенную минералами горячую воду из вулканических жерл в океанском дне. На срединно-океанических хребтах расплавленная магма бурлит почти у самой поверхности, раздвигая тектонические плиты и образуя в разломах после застывания новые участки дна. Холодная океанская вода проникает вглубь через трещины и нагревается от горячей магмы. По мере просачивания она нагревается все больше, но огромное давление не позволяет ей закипеть{39}. В конце концов разогретая вода устремляется обратно к поверхности, неся с собой растворенные минералы и сульфиды металлов, и извергается из расщелин при температуре около 350° С. При соприкосновении с холодными океанскими водами растворенные минералы и металлы высвобождаются, образуя клубы черного «дыма», поднимающегося на 100–300 м над океанским дном, а затем застывают в виде каменистых труб до 5 м высотой. Одну из самых высоких труб за свои гигантские размеры (6,8 м) ласково прозвали Голиафом.

Вокруг «черного курильщика» во множестве роятся археи, которые отлично чувствуют себя в супергорячей воде и питаются коктейлем из сернистых соединений и минералов – марганца, железа и сульфидов, выбрасываемых из жерла. «Стада» этих хемосинтезирующих организмов, похожие на снег, постоянно клубятся вокруг гейзеров. Археи служат фундаментом уникальной экосистемы. В теплых струях колышутся, будто трава, щупальца селящихся колониями полихет. Некоторые прячутся под тонкими, бледными от недостатка света панцирями с бороздками, другие вырастают до 4 м в длину. Помпейский червь, один из самых жаростойких, обитает в трубках, которые крепятся непосредственно к стенкам «курильщиков». В итоге голова его расположена в слоях с приятной двадцатиградусной температурой, а хвост поджаривается при обжигающих 80° С. У «курильщиков» миллиардами толкутся креветки, балансируя на тонкой грани: подплывешь слишком близко – сваришься заживо, слишком отдалишься – замерзнешь или погибнешь от голода. Дно устилает ковер из актиний, длинноногих крабов и огромных моллюсков (до 30 см длиной). Их раковины покрыты микробными матами. Между трубами «курильщиков» пасутся рыбы. Вот проплывает необычайной красоты оранжевое создание, похожее на пушистый одуванчик, за которым тянутся длинные ленты. На самом деле это никакой не цветок, а животное, похожее на «португальский кораблик» и представляющее собой колонию простейших.

В эту бездну не проникает солнечный свет, поэтому вся жизнь здесь зависит в конечном итоге от хемосинтезирующих способностей архей и бактерий. Они используют сероводородную кислоту в качестве топлива, окисляя ее до водорода и серы. И если одни из подводных обитателей употребляют археи и бактерии в пищу, другие образуют с ними более тесную связь. Среди самых необычных можно назвать полихету Riftia pachyptilia, обладающую мягким трубчатым телом белого цвета толщиной с детскую руку, с алыми жабрами на конце. Пищеварительной и выделительной систем у нее нет, поскольку процесс питания в привычном смысле у нее отсутствует, а энергию она добывает в симбиотической связи с хемосинтезирующей бактерией. Внутренняя полость трубки заполнена трофосомой, или пищевым мешком. Внутри каждой клетки трофосомы обитают тысячи серных бактерий. Кроваво-красные жаберные лепестки полихеты добывают из окружающей воды кислород и сероводородную кислоту. Они соединяются с особой разновидностью гемоглобина в кровеносной системе червя и доставляются к хемосинтезирующим симбионтам, населяющим внутреннюю полость полихеты. С помощью кислорода бактерии разлагают сероводородную кислоту на воду и серу, высвобождая в процессе энергию. Сера остается на месте, накапливаясь в виде твердого желтого осадка на стенках полости в течение всей жизни червя. Энергия же используется для переработки неорганики в питательные вещества – например, аминокислоты и углеводы, которые бактерия-симбионт затем потребляет вместе с хозяином.

Однако первые термофильные микроорганизмы были обнаружены вовсе не в «черных курильщиках», а в супергорячих геотермальных источниках Йеллоустонского заповедника в Вайоминге. Йеллоустон – это невиданного великолепия царство воды и огня. Пейзаж украшают сотни горячих источников и бурлящих ванн, обрамленных розовой и пурпурной желеобразной массой из микроорганизмов. Огромные водяные столбы выстреливают в воздух с такой силой, что содрогается земля. Из щелей, словно разъяренный дракон, со свистом и ревом вырывается пар. Грязевые котлы и гейзеры булькают и ворчат гораздо тише. С разноцветных скал, облепленных колониями бактерий и архей, каскадами обрушивается вода. В воздухе стоит крепкий запах тухлых яиц – это сероводород, дурно пахнущий токсичный газ, от которого саднит в горле и тяжело дышать. Вода в источниках – крутой кипяток, но это не значит, что они необитаемы. Если сунуть туда палку, она вымажется в липкой черной слизи – это и есть теплолюбивые бактерии и археи.

Впервые искать жизнь в этом кипятке додумались Томас Брок и его жена Луиза. Летом 1965 г. они приехали в Йеллоустон поработать во время отпуска, и им удалось изолировать в отводном канале от горячего сернистого источника первые гипертермофильные организмы. Это была Sulpholobus acidocaldarius, предпочитающая температуру от 60 до 95° С. Второй их находкой стала Thermus aquaticus – будущая звезда биотехнологической промышленности. Эти открытия, сделанные Броками, положили начало исследованиям экстремофилов, породили новую породу добытчиков – охотников за микробами, и послужили основой для создания многомиллионной отрасли. А еще подали микробиологам отличный повод ездить в самые отдаленные и неизведанные уголки нашей планеты в поисках доселе неизвестных науке микроорганизмов.

Когда Томас Брок выделил Sulpholobus, наука категорически отрицала, что при температуре выше 50° С может существовать жизнь, – возможно поэтому никто и не пытался искать ее в такой экстремальной среде. Брок же культивировал собранные бактерии при естественной температуре их обитания, потому и преуспел. Менее проницательный ученый, вероятно, не устоял бы перед соблазном понизить температуру из ошибочных соображений, что так бактерии будут расти лучше. И ничего бы не получилось, поскольку Sulpholobus относится к облигатным термофилам. Изоляция первого вида экстремофилов, как и любой прорыв в науке, осуществилась благодаря острой наблюдательности и умению нарушить догму. Ученым не помешает брать пример с Белой Королевы из «Алисы в Зазеркалье», которая «успевала поверить в десяток невозможностей до завтрака».

Многоклеточным животным по жаростойкости, конечно, далеко до термофилов вроде архей и бактерий, однако и среди них есть рекордсмены – например, помпейский червь или серебристый сахарский муравей. Муравей выходит пастись под палящим зноем до 55° С, но ненадолго, потом ему приходится остывать, скрываясь в прохладных подземных ходах.

Жаростойкость позволяет организму занять отдельную экологическую нишу, на которую не будут претендовать другие. Однако она может стать и оружием. Японская медоносная пчела (Apis cerana japonica) использует жар собственного тела для защиты от хищных шершней (Vespa mandarinia japonica), гораздо более чувствительных к высоким температурам. Если шершень пытается напасть на колонию пчел, они набрасываются на обидчика скопом, окружая его со всех сторон. Температура внутри этого жужжащего клубка моментально подскакивает до 48° С – смертельных для шершня, но не опасных для пчел. Незваный гость просто поджаривается заживо.

При температуре выше 50° С погибает большинство клеток, поскольку белок плохо переносит перегрев. Молекулярные вибрации, начинающиеся под воздействием жары, разрывают белок на части, распуская зрелые белковые цепочки и препятствуя правильной укладке новых. Такая денатурация опасна, поскольку белок перестает нормально выполнять свои функции. Структурные белки истощаются, а ферменты не могут катализировать биохимические реакции. О том, чем грозит неправильная укладка формирующегося белка, британское население теперь осведомлено достаточно широко, поскольку губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота (или «коровье бешенство») вызывается как раз специфической формой неверно свернувшегося белка, который провоцирует искажение и остальных, нормальных, белков. По неизученным пока причинам неправильно свернувшийся белок токсичен и вызывает гибель нейронов.

Тепловое повреждение белка практически необратимо. Вареный яичный белок так и останется твердым, белым и резиновым – даже после охлаждения его невозможно вернуть в прежнее текучее состояние. Остывший бифштекс хоть и не так вкусен, как горячий, все равно остается куском прожаренного мяса с уничтоженными высокой температурой мышечными волокнами. Однако после менее серьезных повреждений клетки способны восстанавливаться – с помощью белка теплового шока. Эти молекулярные телохранители наводят порядок, заставляя белок свернуться заново, на этот раз правильно. Необратимо поврежденный белок помечается и разлагается на составляющие его аминокислоты, которые затем снова используются. То есть белок теплового шока – это что-то вроде биохимической пожарной команды.

Белок состоит из линейной цепочки аминокислот, но, подобно нитке бус, упавшей на пол, эта цепочка сворачивается в гораздо более сложные фигуры. Иногда цепочки соединяются попарно или большим количеством, образуя крупные молекулы (например, инсулин состоит из двух субъединиц, гемоглобин – из четырех). Огромное значение имеет пространственная структура белка. Сигнальная молекула должна идеально стыковаться с принимающим рецептором, ферменты должны правильно обволакивать свои субстраты, структурные белки – плотно укладываться в слой. Сворачивание белка зависит от его аминокислотной последовательности, однако внутри клетки процесс сворачивания затрудняет высокая концентрация других белков. Из-за этого молекулярного столпотворения белок может вместо собственной цепочки образовывать случайные связи с соседними белками. Для того чтобы этого не происходило, существуют белки-телохранители – белки-«дуэньи», выполняющие, по сути, ту же роль, что и настоящие дуэньи в викторианскую эпоху. Они помогают другим белкам и при обычной температуре, но когда температура растет, их число тоже значительно увеличивается. Именно поэтому их назвали белками теплового шока – они вырабатываются в основном как реакция на жару. Между тем у нас по-прежнему остается неразрешимая загадка: чем обеспечивается правильное сворачивание самих белков-телохранителей при критической температуре?

Между тем своей жаростойкостью гипертермофилы обязаны не только деятельности белков-телохранителей. Многие другие ферменты и структурные белки – и даже сами механизмы, отвечающие за синтез белка, – демонстрируют необычайную тепловую выносливость. Несмотря на гораздо более высокую жаропрочность, некоторые ферменты в организме гипертермофилов на аминокислотном уровне почти не отличаются от наших. Выходит, разница в несколько аминокислот может оказаться весьма существенной.

Подсевшие на кислоту

Однажды ночью я меняла аккумулятор в машине, ковыряясь под крышкой капота с фонариком в одной руке и гаечным ключом в другой, – и нечаянно уронила ключ. Он упал на клеммы, закоротив аккумулятор, и тот взорвался, обдав меня кислотными брызгами. В лицо и руки как будто впились сотни горячих игл. Кинувшись в панике промывать глаза, я даже не обратила внимание на брызги кислоты, попавшие на джинсы. На следующий день я надела джинсы, и они расползлись практически на ходу.

Как и хлопковые нити в ткани джинсов, органические соединения нашей кожи разрушаются кислотой. С помощью кислотных ванн очищают скелеты, предназначенные для анатомических экспозиций. В триллерах они служат не самым привычным, зато нагоняющим достаточно страху способом избавиться от трупа. И, к сожалению, способ этот встречается не только в книгах. Печально известный серийный убийца Джон Хейг, на счету которого по крайней мере шесть убитых в Британии 1940-х, растворял трупы жертв в серной кислоте. Его выдала мелочь – не растворившаяся вставная челюсть жертвы, сделанная из акриловой пластмассы. Однако кислоты используются и в более гуманных целях. Например, разведенную хлористоводородную кислоту применяют в лечебных и дезинфицирующих целях. Кислота губительна для многих организмов, в том числе и патогенных.

Кислотность или щелочность раствора (его водородный показатель – pH) зависит от содержания в нем ионов водорода. Чем их больше, тем раствор кислотнее, и наоборот. Водородный показатель определяется как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода. Это значит, что у кислотного раствора (с высокой концентрацией ионов водорода) pH будет низким. У щелочного же ионов водорода мало, а pH высокий. Запутаться немудрено, однако в наши дни, благодаря рекламе, pH давно у всех на слуху. Мыло, шампунь – а иногда и напитки – рекламируются как «pH-сбалансированные». Садоводам тоже приходится думать о водородном показателе почвы на своем участке, поскольку любители кислых почв, вроде вереска и азалий, в щелочной известковой почве не приживутся, тогда как гвоздики предпочитают как раз ее и погибают в кислотной. Полезно также помнить, что pH – это логарифмическая функция, и разница в одну единицу pH соответствует десятикратной разнице в содержании ионов водорода. Поэтому уксус (чей pH равен 2) содержит почти в миллиард раз больше ионов водорода, чем нашатырный спирт (pH 11).

Большинство клеток предпочитают pH-нейтральную среду (7,0), где концентрация ионов водорода такая же, как и концентрация гидроксильных ионов (ион водорода и гидроксильная группа образуют молекулу воды). Кроме того, клетки чувствительны даже к незначительным изменениям водородного показателя, поэтому pH крови человека тщательно регулируется средствами организма. Нормальный для крови показатель pH – около 7,4. Повышение до 7,7 или спад до 7,0 несовместимы с жизнью.

Однако многие бактерии и археи, напротив, предпочитают сильно кислую или сильно щелочную среду. Ацидофилам – любителям кислоты – нравится pH менее пяти. Они обитают в горячих геотермальных источниках, где растворенные в воде сернистые газы образуют серную кислоту, или в кислотных водах, сочащихся из отвалов шлака вокруг старых шахт. Другие живут в уксусе и лимонном соке (вот почему эти продукты со временем портятся). К числу самых удивительных представителей этой группы относится Thiobacillus ferrooxidans. Она добывает энергию из углекислого газа, кислорода, серы и закиси железа, производя в процессе серную кислоту и соли железа, которые окрашивают ручьи, вытекающие из заброшенных шахт, в яркий желто-коричневый цвет и сильно окисляют воду (до pH равного двум). Для большинства водных форм жизни и кислота, и растворенные металлы токсичны. Однако T. ferrooxidans обладает еще более поразительной способностью, как подсказывает ее второе название – T. concretivorans (пожирательница бетона). Она питает особую страсть к низкомарочному бетону, богатому серой, особенно если он армирован металлическими прутьями. К ужасу строителей, бактерия вырабатывает столько серной кислоты, что бетон начинает «гнить». В результате рушатся мосты и эстакады, крошатся плиты многоэтажек. Прошло немало времени, прежде чем удалось установить виновницу бетонной гнили, поскольку плотность ее крайне низка – одной бактерии для одноразового деления требуется потребить железа в 50 раз больше собственного веса.

Ацидофилы не просто терпят низкий pH, он им действительно нравится. Например, Sulpholobus лучше всего растет при pH 2. И это очень кстати, поскольку в качестве отходов метаболизма она производит серную кислоту. Есть бактерии, для которых оптимальный pH еще ниже. Текущий рекорд принадлежит микробам вида Pircophilus – лучше всего они чувствуют себя при pH 0,5. При pH выше 3 они перестают расти, а при pH, равном 5, – разлагаются. Кислотную среду неплохо переносят также некоторые грибы и водоросли, способные расти в слабом растворе серной кислоты.

Helicobacter pylori, бактерия, вызывающая язву желудка

Еще в 1980-х считалось, что язву желудка – отличительную черту ответственного руководителя – вызывает повышенная кислотность, возникающая от постоянного стресса. Однако два австралийских патолога, Робин Уоррен и Барри Маршалл, усомнились в этом. В пробах слизистой желудка больных язвой и гастритом (хроническое желудочное воспаление) они обнаружили некую спиралевидную бактерию. Прежде всего предстояло выяснить, обитает эта бактерия в желудке или привнесена туда извне. Когда была окончательно установлена коренная принадлежность бактерии, наступил следующий этап – подтвердить, что H. pylori не просто безвредная обитательница желудка, а действительно вызывает гастрит и язву. Двое бесстрашных добровольцев (одним из которых стал сам Маршалл) выпили раствор с культурой бактерии. Как и следовало ожидать, у них развился гастрит.

Уоррен и Маршалл своим экспериментом практически в одночасье совершили переворот в медицине. Они доказали, что язва – это результат бактериальной инфекции, а не просто повышенной кислотности. Поселившаяся на стенках желудка H. pylori вызывает воспаление, которое затем приводит к разрушению тканей и изъязвлению. Соответственно подверглась пересмотру и медицинская практика. Стало ясно, что препараты, подавляющие выработку желудочной кислоты, приносят лишь временное облегчение, поскольку никак не затрагивают бактерию. А вот курс антибиотиков позволяет избавиться от Helicobacter pylori навсегда. В этом и состоит разница между лечением и терапией – устранением болезни и снятием симптомов.

Открытие Уоррена и Маршалла имело немалое значение для медицины, поскольку, как выяснилось, около одной трети населения Земли являются хроническими носителями бактерии H. pylori, хотя заболевание развивается далеко не у всех. Отразилось оно и на фармацевтической промышленности. Препарат «Зантак», подавляющий производство желудочной кислоты и озолотивший когда-то компанию Glaxo, до сих пор входит в число самых популярных лекарств мира. Логично предположить, что новые методы лечения язвенной болезни должны были бы сократить рынок препаратов, снижающих кислотность желудка. К счастью для фармацевтических компаний, этого не произошло. В сочетании с такими препаратами антибиотики действуют еще эффективнее (при этом совсем не обязательно покупать дорогие антациды, обычный висмут справляется не хуже).

Несмотря на обитание в кислотной среде желудка, pH которой равен двум, H. pylori вовсе не является ацидофилом. Она предпочитает, скорее, нейтральную среду, и хотя в течение какого-то времени способна переносить кислотность, длительное пребывание в кислоте ее убивает. Выжить в желудке ей помогает поведенческая, а не физиологическая адаптация. Она скрывается в слизистой желудка, оберегающей его стенки от ожогов, а для дополнительной защиты укутывает себя облаком с более высоким pH, выделяя фермент уреазу.

Кислота разрушает ДНК и белок. Как же тогда удается кислотолюбивым археям и бактериям выживать при pH 0,5? Точного ответа на эту загадку пока нет, но, предположительно, они просто не допускают кислоту внутрь, выкачивая ионы водорода сразу, как только они попадают в клетки или превращая кислоту в воду добавлением гидроксильной группы. Однако белки клеточных мембран, откачивающие кислоту, все равно должны как-то выносить pH 0,5, поскольку их внешняя поверхность соприкасается непосредственно с кислой средой. Поэтому загадка остается, только теперь нужно смотреть глубже: почему кислота не растворяет мембранный белок. Этого пока не знает никто, хотя бьются над этим вопросом многие.

Любители щелочи

Вдоль всей Восточно-Африканской рифтовой долины вьется цепочка щелочных озер. Прекрасные, но негостеприимные водоемы насыщены каустической содой. Окружающие вулканические скалы выделяют углекислый натрий, который, утаскивая ионы водорода, образует едкий натр (каустическую соду), превращая источники, питающие озера, в щелочь. Под палящим тропическим солнцем озера интенсивно испаряются, и щелочной раствор делается еще более насыщенным. В некоторых озерах Великой рифтовой долины вода вообще непригодна для питья. В других, из-за перенасыщения содой, по берегу образуется сверкающая белая корка, а воздух ест глаза и жжет горло. Но бывают условия и похуже. Содовые озера (например, в Южной Африке и на Альтиплано) могут пересохнуть полностью, оставляя искрящиеся на солнце белые отложения. В геологических толщах Иордании подземные воды настолько едкие (pH 13), что прожигают дыры в резиновых сапогах. И тем не менее даже в таких агрессивных средах существует жизнь.

В содовых озерах Великой рифтовой долины отлично себя чувствуют многие виды архей, бактерий и водорослей, а также многочисленные популяции солоноводной креветки артемии. На берега озер прилетают миллионы фламинго, питающиеся этими креветками, а также цианобактериями, багрянками и беспозвоночными, обитающими в поверхностном слое воды или в донном иле. Эти красавцы сбиваются плотными стаями по берегам, и у синих озер появляется розовая кайма. Такой нежный цвет придают оперению фламинго каротиноидные пигменты, содержащиеся в багрянках и артемиях. Фламинго принадлежит к числу тех немногих птиц, на которых не действует едкая вода содовых озер, однако без трудностей не обходится и у них.

Обширные содовые залежи кенийского озера Натрон настолько агрессивны, что мало кто из животных решается к ним приблизиться. Поэтому фламинго, не опасаясь хищников, активно гнездятся там во время прохладного сезона, когда на содовых залежах еще остаются широкие, но мелкие щелочные водоемы. Однако эти озера не вечны. С приближением сухого сезона жара усиливается, водоемы высыхают, и щелочь становится более насыщенной. Наступает момент, когда вода окончательно перенасыщается едким натром и он выделяется из раствора, облепляя ноги фламинго и застывая тяжелой коркой, тянущей их вниз. Поэтому птицам необходимо покинуть озера до того, как это произойдет. Стоит замешкаться, и они останутся пленниками озер, обреченными на мучительную смерть от обезвоживания. Со взрослыми птицами такое случается редко, поскольку им легче освободиться и улететь. А вот молодняку и птенцам, еще не отрастившим крепких маховых перьев, приходится переходить высыхающее озеро пешком, и для них промедление смерти подобно.

Щелочь, как и кислота, разъедает мясо и волокна. Если вы случайно прольете на кожу или одежду едкий натр, неприятные последствия не заставят себя ждать. Известь (окись кальция) – это щелочной белый материал, получаемый обжигом известняка и в сочетании с водой дающий чрезвычайно едкую гашеную известь. В Средние века в известковых ямах дубили шкуры, удаляя с них мех или шерсть, а также топили чумные трупы. Такие братские могилы используют и в наше время, когда число жертв землетрясения или другого стихийного бедствия оказывается настолько велико, что возникает угроза распространения инфекции от разлагающихся тел.

Ну а для алкалофилов щелочь – самая подходящая среда, pH выше 9 им только в радость. Тем не менее и здесь не обходится без трудностей, поскольку рибонуклеиновая кислота – молекулярный «связной», доставляющий генетическую информацию из ДНК в ядре к вырабатывающей белок цитоплазме, – при pH 9 уже разрушается. Поэтому алкалофилам приходится препятствовать повышению собственного pH. Для этого они активно поглощают ионы водорода из окружающей среды, чтобы повысить их концентрацию в клетках до более или менее приемлемого уровня (как мы помним, количество ионов водорода и уровень pH обратно пропорциональны).

Пуд соли

Большинство организмов не переносят избыток соли, поэтому задолго до появления холодильников и ледников ее использовали в качестве консерванта для продуктов. Однако существуют на свете и галофилы, которые превосходно чувствуют себя в чрезвычайно соленых водах Мертвого моря и Большого Соленого озера в Юте. Соленые озера образуются там, где воды испаряется больше, чем приносят питающие озеро источники. В жарком климате они могут появляться временно, в течение летних месяцев. Поскольку соленая вода тяжелее пресной, она тяготеет к нижним слоям, поэтому озера обычно более соленые на дне и более пресные на поверхности. Некоторые соленые озера, кроме того, содержат много щелочи, поэтому их обитатели должны выдерживать не только соленую, но и щелочную среду.

Самое соленое море на Земле – Мертвое, с 28 %-ным содержанием соли, что в десять раз превышает концентрацию соли в океане. Больше соли вода просто не способна вместить. Плотность воды в Мертвом море так велика, что можно спокойно сидеть на поверхности и читать газету – как свидетельствуют многочисленные открытки и фотографии. Оно располагается на 400 м ниже уровня моря, в самой глубокой сухопутной впадине Земли, и окружено песками пустынь. Под палящим солнцем вода интенсивно испаряется, поэтому, несмотря на питающие озеро пресноводные источники, соленость остается высокой. Как ни странно, Мертвым этот водоем прозвали зря – жизни в нем предостаточно. В соленой воде обитают большие колонии бактерий, архей и водорослей. Большинство из них относится к облигатным галофилам, которым требуется не менее чем 15 %-ная концентрация соли в воде. Некоторые привлекают внимание интересной раскраской – например, красная галобактерия, которая иногда настолько активно размножается, что морские воды окрашиваются в кроваво-красный цвет.

Природа, если не вмешиваться, сама стремится к равновесию{40}. Смешайте стакан соленой воды со стаканом пресной, и через какое-то время вы получите однородный раствор. Поскольку клеточные мембраны не являются полностью водонепроницаемыми, клетка, погруженная в насыщенный соленый раствор, съежится, отдав воду в попытке уравновесить концентрацию соли внутри и снаружи. В результате клетка окажется обезвоженной. Именно эту трудность приходится преодолевать галофилам. Многие решают ее увеличением солености внутри клеток, чтобы сравнять ее с соленостью окружающей среды. Некоторые, например, Halobacterium salinarium, доводят концентрацию хлорида калия до невероятных пределов – в 200 раз больше, чем в клетках человеческого организма. Другие выбирают иную тактику, производя органические растворимые вещества, способствующие сохранению воды в клетке. Разумеется, при таком подходе проблема не исчезает, а просто меняется – теперь клеточным ферментам нужно как-то справляться с высоким содержанием соли. Как им это удается, пока неизвестно.

Археи и бактерии не единственные обитатели соленых водоемов. Кроме них там выживают и некоторые водоросли. Они окрашивают воду в сияющие оттенки красного, синего и зеленого, а также служат пищей мелким ракообразным – например солоноводной креветке Artemia salina, которая тоже без труда переносит повышенную соленость. Артемия – одно из немногих многоклеточных, обитающих в Большом Соленом озере в штате Юта. В определенное время года ее икра покрывает поверхность воды налетом из крошечных коричневых частиц, раздуваемых ветром. Эти икринки обладают невероятной стойкостью, им не страшны ни засуха, ни соль, они могут достаточно долго пролежать в анабиозе, а после погружения в воду благополучно пробудиться к жизни.

Жизнь в камне

В книгах и преданиях жизнь кипит не только на земле, но и под землей. Гномы добывают драгоценные металлы, в холмах живут эльфы и хоббиты, а пещеры с сокровищами охраняют свирепые драконы. Там же расположены копи Мордора и жилища троллей. В недрах земли многие древние народы селили души умерших – вполне логично, ведь на поверхности для всех места не хватит. Орфей, отправляясь на поиски Эвридики, своей утраченной возлюбленной, должен был спуститься в подземное царство, где правил Аид. Месопотамский бог Нергал вместе со своей свитой из демонов и бесов, которые в конце концов уничтожили друг друга, тоже царствовал под землей.

Долгие годы биологи считали, что подземная жизнь существует только в сказках и мифах, и что глубже нескольких метров от поверхности живые организмы можно уже не искать. Однако эти представления остались в прошлом. Невероятно, но микроорганизмы способны выжить в толще скальных пород на значительной глубине, где нет ни кислорода, ни света, зато имеется ощутимое давление. Обнаружили их в 1920 г. в пробах грунтовых вод, собранных на нефтяном месторождении на глубине сотен метров под землей. Тогда этому не придали значения, посчитав найденные формы жизни привнесенными извне во время бурения скважин, однако сейчас способность микроорганизмов существовать глубоко под землей – признанный научный факт. В 1992 г. компания «Тексако», разведывая месторождения нефти и газа в осадочных породах на глубине 2,8 км под Тейлорсвиллским бассейном в Вирджинии, подарила ученым отличную возможность поискать глубинные формы жизни. Даже при строжайшем соблюдении стерильности во время сбора проб в них все равно обнаруживались бактерии. Более того, в основном это были прежде неизвестные науке виды, не нуждающиеся в кислороде, поскольку энергию они добывали из окружающей древней органики, окисляя ее с помощью магния, железа и серы. Кроме того, они обладают жаростойкостью, поскольку населяемые ими породы нагреваются до температуры выше 60° С. Один из видов, обитающих в таких суровых условиях, получил название Bacillus infernos («адская бактерия»).

В наше время микроорганизмы уже обнаружены и глубоко в земных недрах, и под океанским дном, в осадочных и вулканических породах. Осадочные породы откладывались на поверхности Земли и только потом постепенно погружались вглубь, так что найденные в них микроорганизмы, возможно, ровесники этих пород, запертые в их толще с тех самых пор, как миллионы лет назад началось их образование. Эти породы достаточно пористые, поэтому микроорганизмы живут в них повсюду. Однако плотность их невелика. При культивации в лабораторных условиях обнаруживается менее десяти бактерий на каждый грамм породы{41}. Не сравнить с миллиардом бактерий, обитающих в одном грамме садовой почвы. Вулканические породы – граниты и базальты – образуются при затвердении расплавленной магмы. Поскольку они представляют собой монолит, бактерии селятся в основном в тончайших трещинах, однако в некоторых случаях микробы «роют» собственные ходы, растворяя камень. В вулканических породах микроорганизмы появились, скорее всего, уже после застывания – вместе с водой, тысячелетиями просачивающейся с поверхности.

В лабораторных условиях бактерии, выделенные из проб, взятых в Тейлорсвиллском бассейне, росли крайне медленно. По следам дыхательной деятельности бактерий в населяемых ими горных породах Таллис Онстотт из Принстонского университета вместе с коллегами установил, что средний срок удвоения популяции у этих бактерий тоже невероятно долог (несколько тысяч лет). Видимо, в толще породы все силы микробов направлены исключительно на выживание, а не на размножение. А поскольку скорость эволюционного развития в основном определяется скоростью размножения, эти виды бактерий, возможно, практически не изменились за миллионы лет, в течение которых они были погребены заживо в этой толще. Выдумка Жюля Верна о доисторических животных, сохранившихся глубоко в недрах Земли, оказалась не так уж далека от действительности. Он не угадал лишь с размерами, но сама идея существования живых ископаемых где-то под землей оказалась на удивление провидческой.

Подземную жизнь осложняет, помимо всего прочего, почти полное отсутствие органики. В пробах породы, взятых из базальтовых скал реки Колумбия, органики для поддержания жизни явно недостаточно. Однако при этом породы изобилуют микробами. Судя по всему, бактерии питаются самим камнем. По мере выветривания породы высвобождается водород, с помощью которого бактерия превращает растворенный углекислый газ в биомассу, выделяя в качестве продукта распада метан. Выветривание породы обычно объясняют химическими процессами, в результате которых истощаются верхние ее слои. Однако некоторые ученые предполагают, что микроорганизмы тоже играют в нем немаловажную роль, веками точа поверхность породы, добывая минералы и откладывая химические элементы в земной коре.

Золотые прииски в Южной Африке – самые глубокие рудники на Земле, пробитые на глубине 3,5 км от поверхности, где давление в толще камня равно 400 атмосферам, а температура доходит до 60° С. Однако и здесь обитают археи, как установили Таллис Онстотт и Том Кифт (из Горного института Нью-Мексико), побывав на рудниках в 1997 г. Предельная глубина существования жизни определяется не весом каменной толщи, поскольку экстремальное давление одноклеточные организмы выдерживают относительно безболезненно, а температурой окружающей породы. Чем ближе к центру Земли, тем больше она повышается – примерно на 11° С через каждый километр, поскольку радиоактивный распад в ядре планеты происходит с выделением тепла. Следовательно, глубинные организмы должны быть гипертермофилами. Учитывая что верхний предел пригодной для жизни температуры составляет 120° С, археям остаются ближайшие к поверхности пять километров земной коры.

Пещерные жители

Даже погребенные в скальной породе бактерии меркнут в сравнении с уникальными серными экосистемами, обнаруженными в некоторых пещерах. Пещера Мовиле в Румынии сформировалась более 5,5 млн лет назад, и вход туда был перекрыт обвалами. Отрезанные от внешнего мира организмы через какое-то время поглотили почти весь кислород, поэтому воздух в пустотах над водой там крайне разрежен, однако при этом обогащен метаном, углекислым газом и сероводородом. Органические питательные вещества не могут попасть в пещеру извне. Несмотря на то что через пещеру сочатся к Черному морю вулканические воды с растворенным в них сероводородом, они проистекают из подземного резервуара, сформировавшегося тысячи лет назад (в отличие от остальных грунтовых вод Румынии, в них не наблюдается следов радиоактивности). И тем не менее в пещере процветает экосистема. Ее существование обеспечивают бактерии, тонкой слизистой пленкой покрывающие стены пещеры и образующие пенистый налет на поверхности воды. Бактерии объедают известковые стены пещеры, добывая углерод и получая энергию путем окисления сероводорода. За их счет, в свою очередь, существует невероятно пестрая компания беспозвоночных – прозрачных пауков, тысяченожек, мокриц, пиявок и земляных червей. Мокрицы и слизни питаются бактериальным налетом, а их затем поедают пауки и пиявки.

Попасть в пещеру Мовиле можно только по воде, проплыв по затопленным тоннелям, однако на свете имеются и другие, более доступные, но точно так же существующие за счет серы экосистемы. В Южной Мексике расположена Куэва-де-Вилла-Лус, представляющая собой запутанный лабиринт тоннелей и пещер, пронизывающих известковые скалы. Бурлящие на дне источники, насыщенные растворенным сероводородом и известняком, образуют молочно-белые озера. В воздухе стоит запах тухлых яиц. Конденсируясь на стенах, сероводород образует серную кислоту, которая разъедает камень и грозит ожогами любому, кто по неосторожности дотронется до стены. Однако, несмотря на такую негостеприимность, пещера вполне обжита. Камни покрывает бактериальная слизь и налет, с потолка свисают желеобразные нити, образуя живые дрожащие сталактиты, прозванные «соплями». В мелких молочно-белых озерцах снуют рыбешки, по камням бегают пауки, в воздухе танцует мошкара. Как и в пещере Мовиле, основой экосистемы служат хемосинтезирующие бактерии, разъедающие стены пещеры.

Жизнь без кислорода

Мало кому из многоклеточных удастся выжить без кислорода. Однако среди архей и бактерий достаточно таких, которые не только выживают, но и воспринимают кислород как нечто настолько токсичное, что не выносят даже кратковременное его воздействие и потому обречены на существование в бескислородном пространстве. Таких анаэробных сред немало. Например, в иле, покрывающем океанское и озерное дно, в болотах, в канализационных тоннелях и даже в кишечнике животных. Некоторые из этих организмов добывают энергию из водорода, а в качестве углеводного источника роста используют углекислый газ, выделяя в процессе большое количество метана. Поэтому их называют метаногенами. Среди них много сферических архей, относящихся к семейству Methanococcus. Именно они помогают коровам переваривать траву, поселяясь в качестве симбионтов в желудке и расщепляя целлюлозу. Метан, который они при этом вырабатывают, сильнейшим образом влияет на глобальное потепление, поскольку, как и углекислый газ, способствует усилению парникового эффекта.

Если сейчас атмосфера Земли насыщена кислородом, это не значит, что так было всегда. Изначально его было мало либо не было вообще, поэтому воздух состоял в основном из углекислого газа и азота. Кислород был побочным продуктом фотосинтеза одноклеточных – сине-зеленых, появившихся на Земле около 3 млрд лет назад, когда жизнь на планете уже развивалась вовсю (первые одиночные клетки возникли предположительно около 3,8 млрд лет назад). Эти сине-зеленые с помощью энергии солнечного света перерабатывали воду и углекислый газ в углеводы. В качестве побочного продукта реакции выделялся кислород, создавая привычную нам атмосферу. Благодаря сине-зеленым изменился и химический состав океанов. Вода древних морей была железистой, и кислород, производимый сине-зелеными, изначально уходил на окисление растворенного железа. Оно выделялось из раствора и откладывалось на океанском дне в виде закиси железа. Его возраст – около 2,8 млрд лет, позволяет определить и возраст сине-зеленых. Примерно через полмиллиарда лет запасы железа в морской воде истощились и начало увеличиваться содержание кислорода в атмосфере, достигнув сегодняшнего уровня около 0,8 млрд лет назад. Греет душу, что самое, пожалуй, широкомасштабное загрязнение атмосферы в истории планеты находится на совести одноклеточных организмов.

Кислород был (и остается) токсичным для большинства форм жизни, поэтому многие из них вымирали по мере повышения уровня кислорода в атмосфере. Уцелевшие вырабатывали способы защититься от высокоактивных ионов кислорода. Как ни парадоксально, кислород, без которого не выживет не только человек, но и большинство остальных обитателей планеты, является смертельным ядом. Внутриклеточные органеллы под названием «митохондрии» используют кислород в производстве химической энергии, которая питает наши клетки. Однако иногда кислород прихватывает лишний электрон и становится «свободным радикалом». Высокоактивные свободные радикалы мечутся по клетке, устраивая хаос, поскольку их лишний электрон, нуждаясь в партнере, норовит ухватить его из ближайшей молекулы. Мембраны, белки, жиры, ДНК – он нападает на все без разбора. Начинается цепная реакция, поскольку возмутитель спокойствия, отхватив свой электрон, стабилизируется, но создает при этом следующий свободный радикал. Немало молекул успевает пострадать, пока защитные механизмы клетки не уничтожат «хулиганов». Свободные радикалы – основная причина гибели клеток. Кроме того, окисление – способность кислорода отбирать электроны у других молекул – вызывает ржавчину, горение и прогоркание жиров.

Кислород был открыт Джозефом Пристли (1733–1804) во время изучения газа, выделяющегося при нагревании оксида ртути. Он выяснил, что «свеча в этом газе вспыхивает небывало сильным пламенем». Тогда он проверил его воздействие на мышах, помещенных под стеклянный колпак. Одна мышь, под колпаком с обычным воздухом, задохнулась через 15 минут, а вторая, дышавшая «чистым воздухом», как назвал его Пристли, и через полчаса была еще жива. Своим открытием Пристли поделился с французским химиком Антуаном Лавуазье (1743–1794), который впоследствии и дал газу название «кислород». В европейских языках его название происходит от греческих корней, означающих «порождающий кислоту», поскольку Лавуазье (как выяснилось, ошибочно) полагал, будто этот газ входит в состав всех кислот. К несчастью для науки, Лавуазье не успел узнать о своей ошибке, безвременно погибнув под ножом мадам Гильотины.

Пристли крайне дальновидно оценил большую роль кислорода в жизнеобеспечении. Он утверждал, что кислород можно использовать «для улучшения спертого воздуха в помещении, где скапливается много людей ‹…›, дабы из неприятного и нездорового он моментально стал здоровым и свежим». Кроме того, он пришел к выводу, что кислород «может пойти на пользу легким в особо тяжких случаях, когда простого воздуха недостаточно». В старину ученые часто экспериментировали на себе, и Пристли не был исключением. Обнаружив, что дыхание кислородом не приносит вреда, он высказал предположение, что «чистый воздух может стать модным предметом роскоши». В наши дни на улицах Токио продают баночный кислород – для надышавшихся городским смогом жителей пригородов, которым необходимо срочно взбодриться.

Однако дышать чистым кислородом в больших количествах опасно. В 1950-х гг. недоношенных младенцев откачивали чистым кислородом, в надежде, что это поможет им выжить. К сожалению, высокая концентрация кислорода в кювезе вызывала сокращение капиллярных сосудов в сетчатке глаза. В результате у малышей разрасталась соединительная ткань под хрусталиком, и они слепли. Этого можно избежать, если содержание кислорода будет поддерживаться в пределах 40 %. Чистый кислород и сейчас используется ныряльщиками и астронавтами, однако им необходимо соблюдать меры предосторожности, описанные в главах 2 и 6.

Закаленный характер

Сильный холод, в отличие от жары, многие животные, в том числе и человек, переносят нормально. Адаптационные возможности, позволяющие им это делать, описаны в главе 4. Здесь же мы остановим внимание на экстремофилах – организмах, обитающих практически в морозилке и способных переживать замерзание.

Холод как таковой белку не вредит, он просто замедляет скорость биохимических реакций. Соответственно, многие организмы перестают размножаться или даже расти (в самом строгом понимании слова) уже при температурах на несколько градусов ниже нуля. Метаболическая активность продолжается, хотя и менее интенсивно – в антарктических лишайниках она была отмечена даже при –27° С. При –80° С она, скорее всего, останавливается совсем, и тогда организм впадает в анабиоз. Многие клетки, в том числе и человеческие, можно в течение длительного времени хранить при температуре жидкого азота (–196° С). Нижний предел температуры, которую способны пережить охлажденные и затем отогретые клетки, неизвестен, однако, судя по всему, он лежит еще ниже. Тем не менее подвергать животных и отдельные клетки воздействию минусовых температур следует крайне осторожно, поскольку промерзание, в отличие от безобидного холода, может оказаться опасным.

Холодолюбивые организмы, обитающие в ледяной воде, называются психрофилами. Их находят в океанских глубинах, где температура держится на более или менее постоянной отметке 1–3° С, а также внутри ледяных полярных куполов и под ними. Даже в домашних холодильниках они устраиваются вполне вольготно. Целые колонии психрофилов населяют арктические льды, обитая в тонких прослойках незамерзшей воды в толще льда. Среди них насчитывается множество бактерий, архей, водорослей и диатомей – например, снежная водоросль Chlamydomonas nivalis, окрашивающая снег в нежно-розовый и ярко-зеленый, или бактерия Polaromonas vacuolata, отличающаяся пристрастием к температуре в 4° С и прекращающая размножение, если температура повышается до 12° С. Многоклеточные формы жизни в таких условиях тоже встречаются. Погрузившись на глубину 550 м в подводном аппарате, Чарльз Фишер обнаружил непонятное разноцветное грибовидное образование под два метра в диаметре, растущее со дна. Оно кишело червями примерно в два-три сантиметра длиной. При ближайшем рассмотрении непонятная конструкция оказалась застывшей метаново-ледяной глыбой (метан выделялся из расщелин в океанском дне), которая стала кормушкой для бактерий и архей, питающихся метаном, а те, в свою очередь, послужили пищей червям.

Глубоко под антарктическим куполом находится множество пресных озер, замерзанию которых препятствует геотермальный подогрев. Самое большое из них – озеро Восток, расположенное на глубине четырех километров от поверхности льда. Длина его, предположительно, около 200 км, ширина – 50 км, глубина – 500 м, то есть по площади это озеро сопоставимо с озером Онтарио, но в два раза превышает его по глубине. Ледяной панцирь над Антарктидой начал формироваться около 40 млн лет назад, поэтому любые формы жизни, обитающие в озере Восток, скорее всего, уже несколько миллионов лет отрезаны от мира. А значит, озеро – это своего рода капсула времени, сохранившая уникальные микроорганизмы, которые многое могут поведать об истории нашей планеты. Однако, несмотря на живейший интерес ученых к этим подледным озерам, все упирается в невозможность взять образцы воды, не привнеся в них чуждые формы жизни с поверхности. Именно из этих опасений программа по бурению ледяного купола в 1966 г. была остановлена, когда буру оставалось 150 м до проникновения в озеро Восток. Пути решения этой проблемы ищут до сих пор.

Холод – отличный консервант, поскольку значительно замедляет скорость биохимических реакций. В морозном сухом воздухе Антарктики запасы, оставленные в 1904 г. экспедицией капитана Скотта, остаются свежими и сегодня. Останки мамонтов, обнаруженные в арктических льдах, сохранились в целости, а мясо съедобно и более 30 000 лет спустя после их гибели. Эти замороженные ткани представляют собой ценнейший исторический и биологический материал. Своей сохранностью они обязаны тому, что бактерии, разлагающие мясо и продукты, попросту теряют способность расти при низких температурах из-за отсутствия воды.

Жизнь в морозильной камере

Любой садовод знает, как губителен для растений холод. От весенних заморозков гибнут побитые морозом бутоны и почки, а осенние превращают пышные клумбы в пожухшие коричневые кучи. Большинству животных мороз тоже не по нраву.

Исследовать воздействие мороза на живые организмы начали достаточно давно. Еще в 1663 г. Генри Пауэр обнаружил, что в банке уксуса с «крошечными червями», помещенной в смесь льда и соли, жидкость замерзает, а черви «кристаллизуются». Однако после размораживания «черви снова плясали и носились как ни в чем не бывало». Роберт Бойль, также пораженный чудесами заморозки, пробовал замораживать рыб и лягушек – без особого успеха. Первые эксперименты на насекомых проводил Реомюр, французский ученый, работавший над созданием термометра и поэтому обладавший возможностью выражать свои наблюдения количественно. Он выяснил, что обычные гусеницы переносят морозы до –20° С, тогда как другой вид (неназванный) выдерживал только –11° С. Кроме того, он обнаружил, что их кровь замерзает при разной температуре, и сравнил их с бренди различной крепости, поскольку крепкий алкоголь замерзает хуже, чем слабый. Так впервые возникло предположение, что устойчивость к морозу может определяться физико-химическими особенностями крови насекомого. В наши дни это предположение подтвердилось исследованиями, выявившими наличие в крови естественных антифризов.

Золотой век горных и полярных экспедиций принес множество историй о чудесном спасении из смертельных объятий льда и снега. Одну из самых невероятных поведал в 1886 г. Тернер, рассказывая, как собаки, поедая замороженную черную даллию, вырубленную из ледяных глыб, отрыгивали съеденную рыбу живой некоторое время спустя. В тепле собачьих желудков рыба размораживалась и оживала. Верится в такое, конечно, с трудом, а вот слова другого полярника и мореплавателя, британца Джона Франклина, вряд ли кто-то возьмется оспаривать. Во время путешествия к северным полярным морям он писал о карпе, который, пролежав 36 часов замороженным, после размораживания принялся биться и трепыхаться. И тем не менее, несмотря на свидетельства этих путешественников, для большинства живых клеток заморозка смертельна.

Мороз губителен тем, что в клетках и межклеточном пространстве образуются ледяные кристаллы. Острые, словно бритва, ледяные иглы прокалывают тонкие мембраны, окружающие каждую клетку, и содержимое просачивается наружу. Внутриклеточные мембраны, разделяющие клетки на отделы, тоже разрываются, содержимое органелл перемешивается, приводя к нарушению биохимических реакций. В отличие от льда, состоящего из чистой воды, биорастворы содержат различные соли. Поэтому при формировании кристалла льда во внутриклеточном растворе концентрация соли в оставшейся части этого раствора повышается. Тем самым создается осмотическое давление, вытягивающее воду из клеток, заставляя их съеживаться и еще больше увеличивая содержание соли внутри. Образование льда внутри клетки повышает соленость внутриклеточного раствора напрямую. Из-за обезвоживания, наступающего в результате, разрушаются клеточная мембрана и клеточный белок. Кроме того, при замораживании могут разорваться связи между клетками, а повреждение питающих их капилляров ведет к нехватке кислорода и питательных веществ. Из главы 4 мы уже знаем, какими трагическими последствиями чревато обморожение для человека. Однако некоторые растения и животные переносят мороз совершенно безболезненно.

В борьбе с холодом у морозоустойчивых организмов имеется два основных способа. Одни понижают температуру, при которой начинают формироваться кристаллы льда, синтезируя естественные антифризы, другие же просто промерзают насквозь.

В крови многих насекомых и рыб содержатся естественные вещества, препятствующие замерзанию жидкостей организма при минусовых температурах (происходит так называемое переохлаждение ниже температуры затвердевания). Например, зимняя камбала Pseudopleuronectes americanus при падении температуры до 4° С синтезирует по меньшей мере семь различных белков-антифризов. Большой мучной хрущак Tenebrio molitor, которого рыболовы используют в качестве наживки, обладает еще более мощным антифризом. Белки-антифризы снижают точку замерзания воды, привязываясь к поверхности формирующихся кристаллов льда и препятствуя их росту. На температуру таяния уже сформировавшегося льда они никакого влияния не оказывают. Некоторые насекомые, переохлаждающиеся и до более низких температур, используют в качестве антифризов спирты с более низким молекулярным весом – например, глицерин. Они действуют по тому же принципу, что и этиленгликоль, который в Северной Европе добавляют зимой в автомобильные радиаторы, чтобы уберечь от замерзания охлаждающую воду. В организме галлообразующей бабочки Epiblema scudderiana глицерин составляет примерно пятую часть от всех жидкостей, что позволяет насекомому переохлаждаться даже до –38° С, не промерзая.

Однако переохлаждение тоже опасно. Если температура упадет ниже пределов переохлаждения, ткани промерзнут моментально, и тогда возможен смертельный исход. Мгновенному замерзанию способствуют кристаллы льда, распространяющиеся по покрову, или контакт с льдообразующим агентом, вокруг которого, как вокруг ядра, формируется кристалл льда (так бывает при наличии повреждений на покрове). Некоторые мотыльки и бабочки заворачиваются в шелковый кокон, защищающий их покровы от непосредственного соприкосновения со льдом.

Другие животные придерживаются прямо противоположной стратегии и на зиму промерзают насквозь. Волосатая гусеница Cynaephora groenlandica, обитающая в высоких арктических широтах, проводит большую часть года (около десяти месяцев) в ледяных тисках при температуре –50° С или ниже. Не менее интересно поведение сибирского углозуба Salamandrella keyserligii. Эта амфибия водится за Северным полярным кругом, в условиях вечной мерзлоты, где в теплое время года оттаивают лишь несколько верхних метров почвы. Во время короткого полярного лета взрослые углозубы ведут активный образ жизни и откладывают икру в мелких озерцах и болотцах, разбросанных по тундре. Зимуют они в моховых подушках по берегам, где температура может опускаться до –35° С. Вмерзших в лед углозубов находили на глубине 14 м под землей. Когда же приходит весна и тундра оттаивает, углозубы просто размораживаются, просыпаются и выбегают наружу. Свежевылупившиеся расписные черепахи, подвязочные змеи и многие виды лягушек тоже вмерзают на зиму в лед. Зоологи, исследующие, как им это удается, вынуждены хранить свои образцы в морозилке.

Для того чтобы клетка пережила заморозку, кристаллы льда должны быть как можно меньше, тогда они не повреждают мембрану. Достигается их минимизация с помощью особых белков, которые служат льдообразующими агентами. Эти белки синтезируются в клетках в период осеннего понижения температуры. Льдообразующий агент начинает образование льда, создавая тысячи мельчайших кристалликов в межклеточной жидкости. Со временем мелкие кристаллы срастаются, образуя более крупные, как легко увидеть в домашних условиях на примере мороженого, которое долгое время пролежало в морозилке. Чтобы этого не произошло, в игру вступает другой белок, антифриз, стабилизирующий мелкие и безобидные кристаллики льда, предотвращая их разрастание. Таким образом, промерзание идет медленно и контролируемо, позволяя клетке постепенно приспосабливаться.

Вторая трудность, которую приходится преодолевать животным, промерзающим целиком, – это обезвоживание и съеживание клеток при замерзании межклеточной жидкости. Оно чревато денатурацией клеточной мембраны и повреждением клеточного белка, а замерзание более 65 % жидкости организма ведет к летальному исходу. Изменений в клеточном объеме морозостойкие животные избегают, повышая уровень сахара или аминокислот в клетках. Эти криопротекторы снижают образование льда и потерю клеточной жидкости, а также стабилизируют мембрану, позволяя ей выдерживать большую степень съеживания без повреждений. В число криопротекторов входит и глицерин, и сахар – например, трегалоза (у насекомых) или глюкоза (у лягушек).

Размораживание, как и заморозка, тоже не пускается на самотек. Например, когда оттаивают перезимовавшие во льду лягушки, сперва размораживается сердце, что обеспечивает восстановление самых необходимых жизненных функций и ускоряет процесс размораживания, разгоняя теплую кровь по телу.

Анабиоз

Новейшие технологии позволяют сравнительно легко охлаждать клетки и ткани млекопитающих до весьма низких температур. Термин «криоконсервация» происходит от греческого kryos – ледяной холод. При низкой температуре метаболические процессы в клетках настолько замедляются, что организм впадает в состояние анабиоза, и клетки сохраняются гораздо дольше, чем позволяет их естественная продолжительность жизни. Чем ниже температура, тем медленнее метаболизм, а значит, дольше можно сохранить клетки. Для того чтобы не допустить обезвоживания или формирования кристаллов льда, скорость замерзания и размораживания должна строго контролироваться, и в раствор, в котором хранятся клетки, необходимо добавлять криопротекторы. Обычно используется глицерин, поскольку он препятствует превращению воды в лед даже при температуре жидкого азота.

В жидком азоте при температуре менее –196° С замораживают сперму для искусственного оплодотворения. Изначально технология разрабатывалась для крупного рогатого скота, однако уже в 1953 г. ее успешно применили для замораживания спермы человека. Замороженные образцы спермы сохраняют свои свойства десятилетиями, и человеческая сперма, пролежавшая в заморозке 15 лет, успешно послужила для зачатия. Многие мужчины стараются сохранить свою сперму перед вазэктомией, а также химиотерапией или лучевой терапией, которые убивают сперматозоиды. Другие сдают сперму для бесплодных пар. От прошедших заморозку образцов спермы ежегодно рождаются тысячи младенцев, и оплодотворение такой спермой, по имеющимся данным, чаще приводит к зачатию, чем оплодотворение свежей спермой.

Замораживанием при низкой температуре можно сохранять и эмбрионы. Отработанная сперва на домашних животных, сегодня эта технология входит на обычной основе в процедуру ЭКО (экстракорпорального оплодотворения) у людей. Обычно в процессе операции у женщины забирается несколько яйцеклеток, оплодотворяется in vitro, а затем два или три эмбриона подсаживаются в матку. Неиспользованные эмбрионы замораживаются, на случай если первые не приживутся. Таким образом, женщине не приходится повторно проходить процедуру взятия яйцеклеток, а кроме того (поскольку эта процедура – самая дорогостоящая часть операции), снижается стоимость последующих попыток ЭКО. «Запасные» эмбрионы могут храниться в течение нескольких лет, позволяя паре через какое-то время завести при желании и второго ребенка. Они также могут понадобиться, если женщине придется проходить медицинские процедуры, способные снизить ее фертильность, или даже для других женщин, у которых не вырабатываются собственные яйцеклетки. Первым ребенком, родившимся из замороженного эмбриона, стала Зоуи Лейленд – она появилась на свет 28 марта 1984 г. в австралийском Мельбурне. На сегодняшний день отмечено не одно успешное развитие беременности с эмбрионами, пролежавшими замороженными пять лет.

Поддаются замораживанию и другие клетки человеческого тела. Самые знаменитые – это, конечно, клетки HeLa, выделенные из раковой опухоли пациентки по имени Henrietta Lacks (отсюда и название) и немедленно замороженные в жидком азоте. Сегодня, спустя много лет после смерти пациентки, потомков изначальных клеток можно обнаружить в исследовательских лабораториях по всему миру, где они используются в качестве ценного научного материала.

Если отдельные клетки млекопитающих можно замораживать и размораживать практически без последствий, это не значит, что подобную процедуру выдержит организм целиком. В США уже сейчас существует несколько фирм, занимающихся криоконсервацией. Они замораживают тела (или головы) недавно усопших, в надежде, что когда-нибудь в будущем технологии позволят их правильно разморозить, вылечить, заменить «изношенные» части тела и их жизнь продолжится с чистого листа. Большинство таких компаний располагается в Калифорнии, где законы, касающиеся криоконсервации, наименее жесткие. К сожалению, мечты клиентов пока далеки от осуществления, поскольку ткани человеческого тела после смерти быстро повреждаются, лишившись притока крови.

Однако в каком-то смысле сохранить человека с помощью замораживания все же можно. Сохраняется его уникальный геном, совокупность генов организма. Для этого необходимо всего несколько клеток, которые можно взять, например, из пробы крови (эритроциты принадлежат к безъядерным клеткам, поэтому не содержат ДНК, все же в крови найдется достаточно лейкоцитов, чтобы обеспечить необходимую генетическую информацию). Возможно, когда-нибудь мы научимся восстанавливать человека из единственного лейкоцита – с помощью тех же технологий, благодаря которым удалось клонировать знаменитую Долли. Насколько это будет этически оправдано – другой вопрос. Однако не стоит забывать, что даже при удачном развитии событий клон, полученный из этой единственной клетки, будет вашей копией не больше, чем однояйцевый близнец. Ведь индивидуальность – это не просто набор генов.

Миллионное состояние на микробах

Экстремофилы превращаются в прибыльный бизнес. Основу развития этого рынка составляют ферменты, выделенные из организмов, способных переносить экстремальный холод, жару, соленость, кислотность, давление, тяжелые металлы и многие другие крайности. Представители фирм, занимающихся исследованиями в области биотехнологий, отправляются на край света в поисках новых экстремофилов, которые могут содержать неизвестные доселе гены, а затем мчатся со всех ног патентовать свои открытия. Потенциальная прибыль огромна, поэтому конкуренция в этой области жесткая.

Тысячи молекулярных биологов ежедневно пользуются в своих исследованиях способностями гипертермофилов. Жаростойкие ферменты применяются для того, чтобы в процессе под названием ПЦР (полимеразная цепная реакция) размножить выбранный фрагмент ДНК. Как нетрудно догадаться, этот процесс подразумевает повторяющиеся один за другим реакционные циклы. Сперва ДНК требуется нагреть, чтобы разделить на две составляющие цепочки. Затем ее охлаждают и каждую цепочку реплицируют с помощью фермента. Эти два шага многократно повторяют, обеспечивая рост числа молекул ДНК в геометрической прогрессии. В основе метода ПЦР лежит использование фермента ДНК-полимеразы, который не распадается при высоких температурах (95° С), необходимых для разделения двух цепочек ДНК. К счастью, именно такими свойствами обладают гипертермофильные ферменты, в том числе и Taq-полимераза, применяющаяся в ПЦР. Метод ПЦР имеет и прикладное значение, он широко используется в медицине – например, для определения бактериальных штаммов или генетических обследований. Кроме того, он совершил настоящий переворот в криминалистике: для производства миллиона копий ДНК по технологии ПЦР достаточно всего нескольких молекул, поэтому теперь преступника можно установить по одной-единственной клетке, оставленной на месте преступления.

Taq-полимеразу выделили из археи Thermophilus aquaticus, найденной Томасом Броком в супергорячих гейзерах Йеллоустонского национального парка. Более 20 лет она томилась без дела в лаборатории, пока Кэри Муллис не догадался, что с ее помощью можно проводить амплификацию ДНК. Блестящий ученый, но весьма эксцентричный человек, Муллис настроил против себя многих представителей науки своими резкими заявлениями и нетрадиционной подачей лекционного материала – со слайдами серфингистов или своих подружек в компрометирующих позах. И тем не менее, он стал нобелевским лауреатом – более чем заслуженно, поскольку своей работой он совершил переворот в медицине и биологии, а изобретенная им технология ПЦР стала основным инструментом современной молекулярной биологии. Taq-полимераза была первым ферментом, выделенным из экстремофильного организма, нашедшим промышленное применение. Ее продажи приносят более 80 млн долл. прибыли в год. Борьба за патент между разными компаниями ведется до сих пор.

За ферментами, выделяемыми из алкалофилов, вовсю гоняются производители моющих средств. Ферменты добавляются в стиральные порошки к биологическим средствам, чтобы расщеплять белки, сахар и жиры, приставшие к грязным вещам. Однако стиральные порошки обладают повышенной щелочностью, и большинство ферментов в таких условиях теряют свойства. Ферменты же, добытые из алкалофилов, наоборот, отлично трудятся при высоком водородном показателе (pH). В 1997 г. американская компания Genecor представила порошок с ферментом, полученным из алкалофила, обнаруженного в содовом озере. Согласно рекламе, даже постиранная сотни раз с этим порошком вещь выглядит как новая. Фермент разбивает тончайшую прослойку поверхностного пушка, на котором и собирается грязь, оставляя саму ткань нетронутой. Порошок стал первым случаем широкого промышленного применения веществ, полученных от экстремофилов.

Потенциальных областей применения у экстремофилов уйма. Ацидофилы могут облегчить добычу ценных металлов из низкосортных руд – этот процесс, называющийся микробным выщелачиванием, все чаще применяется при добыче золота, меди и урана. Ферменты, полученные из психрофилов, можно добавлять в мыло и моющие средства для холодной воды, а также использовать в качестве катализаторов для реакций, проходящих в холоде. Бактерии и археи все активнее применяют для биовосстановления, а также для расщепления токсичных веществ, таких как пестициды, нефть и растворители. Промышленное использование экстремофилов пока лишь набирает обороты, однако перспективы у него гигантские.

Внеземная жизнь?

В августе 1996 г. героем международных новостей стал маленький, ничем не примечательный с виду камешек под порядковым номером ALH84001{42}. В отличие от большинства научных статей, которые читает, в лучшем случае, горстка любителей, открытие подробно обсуждалось и в газетах, и по радио, и в телевизионных новостях по всему миру еще до того, как была опубликована статья, посвященная данному феномену. Ажиотаж вполне объясним: ученые НАСА заявляли, что на Марсе обнаружена жизнь.

Шестнадцать миллионов лет назад ударившийся о поверхность Марса метеорит выбил дождь мелких осколков, которые унеслись в открытый космос. Около 11 000 лет назад один из этих фрагментов попал в поле притяжения Земли и обрушился на ледяную пустошь Аллен-Хиллс в Антарктиде. Так что наш ALH84001 – марсианин, один из немногих обнаруженных на сегодняшний день метеоритов подобного рода. Их марсианское происхождение подтверждается и минеральным составом, и составом газовых пузырьков, запертых в толще камня. Они идентичны камням на поверхности Марса и атмосфере планеты, замеры и пробы которых были взяты марсоходом «Викинг» в 1976 г.

В самой сердцевине ALH84001 ученые обнаружили неправильной формы образования, напоминающие наши земные микроископаемые, сформировавшиеся около 4 млрд лет назад. Дополнительные исследования привели ученых к выводу, что взятые по отдельности эти примеры можно толковать по-разному, однако вместе они свидетельствуют о том, что когда-то на Марсе существовала жизнь. Увы, эти выводы оказались, судя по всему, преждевременными. Вдохновившись перспективой обнаружить внеземную жизнь, за ALH84001 принялись несколько международных научно-исследовательских групп, снова и снова препарируя и анализируя космический камень. Через год кропотливой работы ученые единодушно пришли к выводу, что обнаруженные структуры – это просто минеральные отложения, а не окаменелые останки внеземной жизни.

И все же человечество не спешит расставаться с надеждой отыскать соседей по Солнечной системе. Экстремальные условия, в которых благополучно обитают многие археи, сходны с имеющимися на других планетах и их спутниках. Например, холодные сухие каменистые пустоши Антарктиды настолько приближены к условиям жизни на Марсе, что именно там испытывают приборы, предназначенные для экспедиций на Красную планету. Однако и на этих пустошах, в миллиметре от поверхности обнаруживается тонкая прослойка фотосинтезирующих микроорганизмов.

Как ни парадоксально, бактерии способны выжить даже в безвоздушном космическом пространстве. В апреле 1967 г. на Луну опустился зонд «Сервейер-3». Два с половиной года спустя к нему наведались астронавты с «Аполлона-12», чтобы проверить, как зонд переносит суровые условия – интенсивное солнечное излучение, почти безвоздушное пространство и резкие перепады температур. Сняв телекамеру, они отвезли ее на Землю в герметичном контейнере, который затем вскрыли в стерильных условиях карантина. Культивировав образцы, взятые изнутри камеры, микробиологи, к своему изумлению, обнаружили рост микроорганизмов. Однако сенсации не произошло – это оказались не лунные формы жизни, а вполне знакомые земные. Видимо, во время сборки камеры техник чихнул, и в самую сердцевину прибора попали бактерии, которые и оставались запертыми там до тех пор, пока телекамеру не вскрыли в лаборатории. Скептики, разумеется, вправе возразить, что бактерии могли вовсе не путешествовать на Луну и обратно, а появились в камере уже по возвращении на Землю. Однако учитывая соблюдавшуюся самым строгим образом стерильность во время снятия камеры и ее анализа, это маловероятно. Судя по всему, бактерии действительно продержались два с половиной года на поверхности Луны.

Между тем здесь необходимо различать выживание и рост. Без воды жизнь (в нашем ее понимании) может существовать только в состоянии анабиоза. Рост и размножение в этом случае исключаются. Поэтому поиски жизни в Солнечной системе сводятся, по сути, к поискам воды. И надежды отыскать ее не так уже несбыточны. В 1979 г. аппарат «Вояджер», достигнув Юпитера, обнаружил слой льда на одном из его спутников, Европе. Согласно более свежим данным, полученным от космического аппарата «Галилео», на глубине многих миль под этим ледяным панцирем может лежать целый океан воды – подобно большим озерам под ледяным куполом Антарктиды. Сейчас ученые планируют послать еще один аппарат, чтобы проверить эту гипотезу и выяснить, существует ли жизнь на Европе. А вдруг удастся ее обнаружить?

Примечание о единицах измерения

Весь научный мир пользуется общей метрической системой. По крайней мере, должен и обычно старается. Но так было не всегда, поэтому старинные научные работы пестрят самыми разнообразными единицами измерения и измерительными приборами. Даже мне на протяжении жизни приходилось не раз становиться свидетельницей превращения одних единиц в другие или смены названий, когда метрологические комитеты отдавали предпочтение тому или иному ученому. В своей книге я старалась использовать стандартные метрические единицы. Для большинства европейцев, привыкших к метрической системе, в них ничего страшного нет, однако британцы, как обычно, отличаются (несмотря на постепенное введение метрической системы, на нашем районном рынке до сих пор фрукты продают фунтами, а не килограммами). Жителям США и Канады тоже может оказаться непросто освоиться с метрическими единицами. Для них, а также для консервативных британцев, я и пишу следующие две страницы, на которых приведу использованные в книге единицы измерения и объясню, как переводить их в более привычные.

Научные труды, посвященные большим высотам, а также физиологии дыхания, всегда отличались разнообразием единиц давления и высоты. Во избежание путаницы я привожу все высоты в метрах – чтобы перевести их в футы, умножайте на 3,28. Давление обычно выражается либо в фунтах на квадратный дюйм, либо в миллиметрах ртутного столба (известных также как торры), либо (в последнее время) в килопаскалях (кПа). Поскольку в литературе и большинстве трудов по физиологии используются в основном торры, я выбрала их. Молодежи, более привычной к килопаскалям, придется умножать все приведенные цифры на 0,133.

С единицами глубины и давления под водой путаницы еще больше. Я везде приводила глубину в метрах, которые можно перевести в футы умножением на 3,28. В Британии глубину традиционно мерили в фатомах (морских саженях) – это единица, равная размаху обеих рук. Фатом равен шести футам, или 1,83 м. Подводное давление обычно измеряется в единицах атмосферного давления (барах), которые взяла и я. Один бар (одна атмосфера) равен 760 торрам, или 15 фунтам на квадратный дюйм. У водолазов и ныряльщиков давление может выражаться и через глубину, то есть в метрах морской воды (ммв): 10 ммв равно 1 бару. На глубине 30 ммв давление составляет 4 бара, складываясь из давления на поверхности (1 бар) и подводного давления (3 бара).

Для измерения температуры существует три различные шкалы. Две широко известны – это шкала Цельсия и шкала Фаренгейта Я приводила температуру по Цельсию, поскольку именно она используется в медико-биологических науках, а также более привычна европейцам. Ноль градусов по Цельсию – это температура замерзания воды, сто градусов – температура кипения на уровне моря. Соответствующие температуры по Фаренгейту равны 32° F и 212° F. Поэтому, для того чтобы перевести градусы Цельсия в градусы Фаренгейта, необходимо умножить число на 1,8, затем прибавить 32. Для обратной конвертации отнимите от числа температуры 32 и разделите на 1,8. Физики используют шкалу Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (–273° С), минимального предела возможной температуры. Таким образом, температура по Кельвину – это температура по Цельсию плюс 273.

Количество энергии, откладывающейся в тканях организма в результате поглощения радиации («поглощенная доза»), измеряется в греях (1 грей = 1 джоуль на килограмм поглощенной ионизации). Под дозой облучения обычно имеется в виду «эффективная доза» – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты. Выражается она в зивертах (Зв). Максимальный допустимый предел облучения для астронавта НАСА составляет 4 Зв (за всю жизнь) для мужчин и 3 Зв для женщин. Однако зиверт – это достаточно крупная единица, поэтому радиационные дозы обычно выражают в миллизивертах (мЗв) или микрозивертах (мкЗв). Один зиверт равен 1000 мЗв, или 1 000 000 мкЗв. Если речь идет о более крупных дозах облучения, как у астронавтов, ее чаще приводят в греях, а не в зивертах.

Литература для дополнительного чтения

Перечисленные ниже книги и статьи делятся на две категории. Первая – это рассказы о пребывании в экстремальных условиях тех, кто испытал их на себе. Это увлекательная приключенческая литература. Вторая категория – это книги, содержащие дополнительные сведения о физиологии человека и других живых существах, об адаптационных способностях, позволяющих выживать в экстремальных условиях (они обычно написаны в доступной для массового читателя форме).

Общие

Attenborough, D. (1998) The Life of Birds BBC Books.

Boorstin, D. (1983) The Discoverers Penguin Books

Case R. M. and J. M. Waterhouse (1994) Human Physiology: Age, Stress and the Environment Oxford University Press

Haldane, J. S. (1922) Respiration Yale University Press

Haldane, J. B. S. (1940) Keeping Cool and Other Essays Chatto& Windus Schmidt-Nielsen, K. (1997) Animal Physiology: Adaptation and Environment (5th edn) Cambridge University Press

Stroud, M. (1998) The Survival of the Fittest Jonathan Cape

1. Жизнь на вершине

Hunt, J. (1954) The Ascent of Everest Hodder&Stoughton

Messner, R. (1979) Everest: Expedition to the Ultimate Kaye&Ward

Venables, S. (1989) Everest. Alone at the Summit Odyssey Books

Venables, S. (1989) Everest Kangshung Face Hodder&Stoughton

Ward M., J. S. Milledge and J. B. West (1995) High Altitude Medicine and Physiology (2nd edn) Chapman&Hall.

West, J. B. (1998) High Life. A History of High Altitude Physiology and Medicine Oxford University Press.

Whymper, E. (1891) Travels amongst the Great Andes of the Equator John Murray.

2. Жизнь под гнетом

Beebe, W. (1934) Half Mile Down Harcourt Brace and Co.

Case, E. M. and Haldane, J. B. S. (1941) 'Human physiology at high pressure I: Effects of nitrogen, carbon dioxide and cold' Journal of Hygiene 41, pp. 225–249

Clark, R. (1968) J. B. S.: The Life and Work of J. B. S. Haldane Oxford University Press.

Hong, S. K. and H. Rahn (1967) 'The Diving Women of Korea and Japan' Scientific American, 216, pp. 34–43

Wells, M. (1998) Civilization and the Limpet Perseus Books

3. Жизнь в пекле

Cabanac, M. (1986) 'Keeping a cool head' NIPS 1, pp. 41–4

Gasmow, R. I. and J. F. Harris (1973) 'The infra-red receptors of snakes' Scientific American, 228, pp. 94–100

Taylor, C. R. (1969) 'The eland and the oryx', Scientific American, 220, pp. 88–95

Walker, A. and P. Shipman (1996) The Wisdom of Bones. Weidenfeld and Nicolson

Wolf, A. (1958) Thirst. Charles C. Thomas

4. Жизнь в холоде

Brett-James, A. (1966) 1812. Macmillan

Bullimore, T. (1997) Saved Little, Brown&Company

Cherry-Garrard, A. (1994) The Worst Journey in the World Picador

Heinrich, B. and H. Esch (1994) 'Thermoregulation in Bees', American Scientist 82, pp. 164–70

Krackauer, J. (1997) Into Thin Air Macmillan

Scott, R. F. (1913) Scott's Last Expedition Smith Elder

Spindler, K. (1994) The Man in the Ice Random House

5. Жизнь в скоростном ряду

Bannister, R. (1954) First Four Minutes Putnam

McArdle, W. D., F. I. Katch and V. L. Katch (1994) Essentials of Exercise Physiology Lee and Febiger

McGowan, C. (1999) Diatoms to Dinosaurs: The Size and Scale of Living Things Penguin Books

6. Последний рубеж

Chaikin A. (1998) A Man on the Moon. Penguin Books

Beatty, J. K. and A. Chaikin (1981) (eds) The New Solar System. Cambridge University Press

Nicogossian, A. E., C. L. Huntoon and S. L. Pool (1994) Space Physiology and Medicine Lee&Febiger

Sharman, H. and C. Priest (1993) Seize the Moment: the Autobiography of Helen Sharman Victor Gollancz

7. Экстремалы из экстремалов

Copley, J. (1999) 'Indestructible' New Scientist, 23 October 1999, pp. 45–8

Gross, M. (1998) Life on the Edge Plenum Press

Madigan, M. T., J. M. Martinko and J. Parker (2000) Biology of Microorganisms (9th edn) Prentice Hall

Pain, S. (1998) 'The Intraterrestrials' New Scientist, 7 March 1998, pp. 28–32

Pappalardo, R. T., J. W. Head and R. Greeley (1999) 'The Hidden Ocean of Europa' Scientific American, 281, pp. 34–43

Storey, K. B. and J. M. Storey (1990) 'Frozen and Alive' Scientific American, 263, pp. 62–67

Список иллюстраций

На вершину Килиманджаро

Вид на Килиманджаро из национального парка Амбосели, Кения (Daryl Balfour/Tony Stone Images)

1. Жизнь на вершине

Гора Эверест (Chris Noble/Tony Stone Images)

Декомпрессионная камера Поля Бера (из Bert, P., La Pression Barométrique, 1878)

Воздухоплаватели Глейшер и Коксуэлл (из Glaisher J., Flammarion C., de Fontvielle E. and Tissandier G. Travels in the Air, 1871)

Воздухоплаватели Тиссандье, Сивель, Кроче-Спинелли (из Bert, P., La Pression Barométrique, 1878)

Эдмунд Хиллари и Тенцинг Норгей (Hulton Getty)

Высота и давление воздуха

Блез Паскаль (Hulton Getty)

Легкие

Дыхательная система у птиц

Структура гемоглобина

Эритроциты (Dr. D.W. Gregory/ Wellcome Trust Medical Photographic Library)

Давление воздуха на вершине Эвереста по месяцам

Мейбл Фицджеральд с коллегами на пике Пайка

Зависимость между атмосферным давлением и содержанием углекислого газа (CO2) или кислорода (О2) в легких

Доктор Крис Пиццо берет пробы альвеолярного газа (John B. West)

В омут с головой

Ныряльщик с аквалангом (Stephen Frink/Corbis)

2. Жизнь под гнетом

Александр Македонский в стеклянной бочке – арабский вариант (из Beebe W. Half a Mile Down, 1934)

Океанские глубины в разрезе

Водолазный колокол водяного паука (Andrew Purcell/Bruce Colman Collection)

Крушение корабля Королевского флота «Ройял Джордж» (воспроизводится с разрешения Портсмутского городского музея)

Старинный аппарат для погружения (Национальный морской музей)

Собирательницы «морского ушка», Утамаро, 1789 (воспроизводится с разрешения Британского музея)

Ныряльщицы ама (Fosco Maraini)

Строение уха

Жемчужный наутилус (Ron&Val Taylor/Ardea)

Самка морского слона (Jeff Foott/Bruce Coleman Collection)

Рекордный заплыв морского слона

Дж. Б. С. Холдейн (Hulton Getty)

Батисфера (из Beebe W. Half a Mile Down, 1934)

Поражение костей у подводников

Подводная лодка Корнелиуса Дреббеля (воспроизводится с разрешения Музея подводных лодок ВМФ)

Рабочие чертежи Марка Эдвардса

Подводный аппарат «Алвин» (David Meltzer/National Geographic Image Collection)

С легким паром!

Онсен (Keith Brosky/Tony Stone Images)

3. Жизнь в пекле

Песчаные дюны пустыни (Images Colour Library)

Саламандра (Bob Gibbons/Ardea)

Бедуин из племени туарегов (Sandro Prato/Bruce Coleman Collection)

Шлирен-снимок человеческого тела (Dr. Ray Clark/Science Photo Library)

Пробковые шлемы (George W. Hales/Hulton Getty)

Верблюд дромадер с кислородными датчиками (David O'Neill/Silsoe Research Institute & Imperial College/Department for International Development)

Блюз холодной воды

Плавучие льды Антарктики (Images Colour Library)

4. Жизнь в холоде

Эскимосы (David Hiser/Tony Stone Images)

Файнс и Страуд пересекают Антарктиду (Ранульф Файнс/Королевское географическое общество)

Отложения бурого жира у младенцев

Эци – первобытный охотник (Corbis/Sgyma)

Пловец через Ла-Манш, 1951 год (Charles H. Hewitt/Hulton Getty)

Распухшие пальцы шерпы (Bentley Beetham/Королевское географическое общество)

Обморожение пальцев (из Ward M.P., Milledge J.S. & West J.B., High Altitude Medicine & Physiology, 1995)

Песец (National Geographic/Images Colour Library) Чудесная сеть

Птенцы императорского пингвина (Wolfgang Kaehler/Tony Stone Images)

5. Жизнь в скоростном ряду

Роджер Баннистер финиширует в забеге на одну милю (Hulton Getty)

Структура АТФ

Сокращение мышц

Линфорд Кристи на старте (Neal Simpson/Empics)

Морис Грин (Stu Forster/Allsport)

Хайле Гебреселассие (Mike Powell/Allsport)

Кирен Перкинс, золотой олимпийский медалист в соревнованиях по плаванию (Simon Bruty/Allsport)

Греческая ваза с изображением бегунов (воспроизводится с разрешения музея Ашмола, Оксфорд)

Бегущий гепард (Images Colour Library)

Серия кадров с галопирующей лошадью, сделанная Эдвардом Майбриджем (Hulton Getty)

6. Последний рубеж

Базз Олдрин на Луне (NASA/Science Photo Library)

Юрий Гагарин («Новости»/Science Photo Library)

Прыгун с «тарзанкой» (Images Colour Library)

Перераспределение жидкостей организма в условиях невесомости

Органы равновесия во внутреннем ухе

Нормальная кость в сравнении с пораженной остеопорозом (Dr. D.W. Gregory/Wellcome Trust Medical Photographic Library)

Майкл Фоул на беговой дорожке (NASA)

Северное сияние (National Geographic/Images Colour Library)

Дозы радиации

Уайли Пост, авиатор (Смитсоновский институт/Национальный музей американской истории)

Брюс Маккэндлесс II в открытом космосе (NASA/Science Photo Library)

Восход Земли над Луной (Bill Anders/NASA/TRH Pictures)

7. Экстремалы из экстремалов

Черный курильщик (Dr Ken MacDonald/Science Photo Library)

Древо жизни

Горячие серные источники в Йеллоустоне (Paul Chesley/Tony Stone Images)

Helicobacter pylori (P. Hawtin, University of Southampton/Science Photo Library)

Bacillus infernos (Henry C. Aldrich, University of Florida)

Вмерзшая в лед лягушка (J.M. Storey, Carlton University)

Тихоходки (из Kichin, I The Biology of Tardigrades, 1994)

Европа, спутник Юпитера (NASA/Scienсу Photo Library)

Сноски

1

Перевод С. Степанова. – Прим. пер.

(обратно)

2

Здесь и далее в этой главе цитаты из книги Дж. Ханта «Восхождение на Эверест» в переводе Ю. Б. Гиппенрейтер, Ю. М. Широкова, Б. А. Гарфа.

(обратно)

3

Цитаты из «Доктора Фаустуса» в переводе С. К. Апта, Н. Ман. – Прим пер.

(обратно)

4

Возможно, оно происходит от греческого слова, означавшего «пурпурный, багряный». – Прим. пер.

(обратно)

5

Сэр Ноэл Пирс Кауард (1899–1973) – английский драматург, актер, композитор и режиссер.

(обратно)

6

Перевод В. Левика. – Прим пер.

(обратно)

7

Перевод М. Гаспарова. – Прим. пер.

(обратно)

8

Перевод Т. Щепкиной-Куперник. – Прим. пер.

(обратно)

9

В конце 1990-х на станции начались многочисленные проблемы из-за постоянного выхода из строя различных приборов и систем. Через некоторое время правительство РФ, ссылаясь на дороговизну дальнейшей эксплуатации, несмотря на многочисленные проекты спасения станции, приняло решение затопить «Мир». 23 марта 2001 г., проработавшая в три раза дольше первоначально установленного срока, станция была затоплена в южной части Тихого океана рядом с островами Фиджи. – Прим. пер.

(обратно)(обратно)

Комментарии

1

У. Дж. Тернер (1889–1946), Romance

(обратно)

2

Знаменитый ответ Мэллори на вопрос: «Почему вы решили подняться на Эверест?»

(обратно)

3

О кислородном голодании их предупредил Поль Бер, однако его письмо пришло слишком поздно, поскольку дата подъема на шаре была уже назначена. Путешественники решили отправляться в путь как есть.

(обратно)

4

Точное содержание углекислого газа в атмосфере всегда было предметом споров. В начале XX в. его определяли и как 0,04, и как 0,033 %, а Дж. Холдейн ставил эксперименты на крыше Физиологической лаборатории в Оксфорде, пытаясь установить точное содержание. В наши дни задача состоит в том, чтобы выяснить, повышается ли уровень CO2 в атмосфере за счет использования ископаемого топлива. При этом содержание углекислого газа на разных участках планеты не одинаково. При температурах ниже –70° С, как в Антарктиде, CO2 замерзает, и его концентрация падает до нуля. Еще острее этот феномен проявляется на Марсе, атмосфера которого почти полностью состоит из углекислого газа, поэтому зимой, когда он замерзает, делается более разреженной, а весной, когда плотный газ испаряется, приходит в прежнее состояние.

(обратно)

5

В научных терминах частота дыхания называется вентиляцией – это объем воздуха, проходящего через легкие в течение минуты. В среднем человек поглощает около 0,5 л воздуха на каждом вдохе и делает около 12 вдохов в минуту. Таким образом, объем вентиляции его легких равен 6 л в минуту. Максимальный предел вентиляции составляет около 150 л в минуту (но на такое способны лишь натренированные спортсмены).

(обратно)

6

Строго говоря, каротидные тельца измеряют парциальное давление кислорода в крови. В физиологии для описания концентрации кислорода в крови существует ряд точных терминов. «Парциальное давление кислорода в крови» означает парциальное давление растворенного газа. «Содержание кислорода» – общее количество кислорода в крови – примерно равно кислороду, связанному с молекулами гемоглобина (поскольку количество именно растворенного кислорода ничтожно мало). Таким образом, содержание кислорода зависит от количества эритроцитов и увеличивается при повышении гематокрита. «Насыщение кислородом» означает процент молекул гемоглобина, присоединивших кислород.

(обратно)

7

Акклиматизацию может ускорить лекарственный препарат ацетазоламид, который побуждает почки выделять ионы бикарбоната, восстанавливая нормальный уровень кислотности крови. Кроме того, он помогает поддерживать высокий уровень углекислого газа в районе центральных хеморецепторов. Помимо ускорения акклиматизации, ацетазоламид помогает снизить остроту проявления горной болезни.

(обратно)

8

Недавние исследования, проведенные Люком Говардом и Питером Роббинсом, предлагают новый взгляд на процессы, инициирующие перемены в частоте дыхания при подъеме на высоту. В своей оксфордской лаборатории они продемонстрировали, что при низком уровне кислорода в атмосфере вентиляция повышается даже тогда, когда кислотность крови поддерживается неизменной путем тщательного регулирования уровня углекислого газа во вдыхаемом воздухе. Из этого следует, что падение кислородного содержания как таковое может куда больше влиять на дыхание, чем представлялось раньше. Механизм, обусловливающий это явление, пока неизвестен, но предполагается, что в нем играет роль повышение чувствительности каротидных телец.

(обратно)

9

Атмосферное давление на экваторе выше, поскольку над экватором в атмосфере содержится обширная масса холодного воздуха, которая давит на расположенные под ней слои.

(обратно)

10

Возможно, следует отметить, что эти расчеты производила уже не Мейбл.

(обратно)

11

Обратите внимание, что пунктирные линии для O2 и CO2 относятся к левой оси графика, а кривая зависимости атмосферного давления от высоты – к правой.

(обратно)

12

Кракен – мифическое морское чудище исполинских размеров, обитавшее, по преданию, у берегов Норвегии. Увековечен в одноименной поэме Альфреда Теннисона.

(обратно)

13

Одним из первых это явление описал Роберт Бойль, наблюдавший в 1670 г. образование воздушного пузыря в глазу гадюки при декомпрессии.

(обратно)

14

Как писал позднее Дж. Б. С. Холдейн, развлечение это было то еще. Рукава гидрокостюма заканчивались тугими резиновыми манжетами, не пропускающими воду. Но костюм оказался мальчику великоват, поэтому вода просочилась внутрь и заполнила костюм до самой шеи. К счастью, закачиваемый в шлем воздух не позволил воде подняться выше, но продрог Джон основательно.

(обратно)

15

Отец как-то рассказал мне стишок, услышанный от знаменитого британского ныряльщика Бастера Крэбба: «Дьявол Кислородный Пит тридцать футов сторожит». Персонаж этот обязан своим появлением одному морскому старшине, который, придя в сознание после приступа, вызванного кислородным опьянением, спросил, кто его вырубил. Ему сказали, что это был Кислородный Пит. С тех пор шуточное имя и прижилось.

(обратно)

16

Чистый кислород иногда используется в пещерных погружениях, поскольку с маленьким баллоном легче протискиваться в узкие расщелины.

(обратно)

17

Все они во время Гражданской войны в Испании сражались в составе интербригад против Франко, чем вызывали большое уважение у Холдейна, который тогда был убежденным коммунистом. Он писал, что выбрал этих людей себе в коллеги, поскольку не сомневался в их мужестве и преданности, рассудив, что человек, выстоявший под пулями, под давлением тоже сохранит присутствие духа.

(обратно)

18

Одна калория – это количество энергии, требующейся для того, чтобы увеличить температуру 1 грамма воды на 1° С. Поскольку это количество несколько варьируется в зависимости от температуры и давления, более точным определением будет «количество энергии, требующееся для того, чтобы увеличить температуру 1 грамма воды с 15 до 16° С. Это ровно одна тысячная «большой калории», использующейся в подсчетах энергетической ценности продуктов (сейчас эту единицу принято называть килокалорией). Энергия, используемая для испарения воды, высвобождается при конденсации в виде тепла – именно поэтому пар обжигает при той же температуре куда сильнее воды.

(обратно)

19

Лес А. Маррей, «Ретроспектива влажности».

(обратно)

20

Научное название «экстази» – 3,4-метилендиокси-N-метамфетамин (метилендиоксиметамфетамин), производная амфетамина.

(обратно)

21

Этот довод относится только ко взрослым. У детей повышенная температура может вызвать судороги, поэтому рекомендуется охлаждение.

(обратно)

22

При интенсивной нагрузке в жарком климате для предотвращения обезвоживания требуется потреблять до 18 л воды в день.

(обратно)

23

Жиры содержат больше калорий, чем белки и углеводы, поэтому рацион путешественников состоял в основном из жиров: 57 % жира, 35 % углеводов и 8 % белка. Даже горячий шоколад они пили с маслом. Возможно, именно из этих соображений тибетские монахи в гималайских монастырях добавляют в чай ячье масло (отвратительное на вкус западного человека сочетание).

(обратно)

24

При гипотермии поведение иногда становится неадекватным. Один из переплывавших Ла-Манш, например, попросил платок, чтобы вытирать глаза, но зачем-то его съел. Другой пловчихе мерещилось, что ее преследуют косматые звери.

(обратно)

25

О нем и обо всей майской экспедиции на Эверест рассказал в своей книге «В разреженном воздухе» (Into Thin Air) Джон Кракауэр. Цитаты взяты из этого захватывающего повествования.

(обратно)

26

Энергозатраты приводятся для спортсменов мужского пола, у женщин они меньше. Килокалория, использующаяся для подсчета энергетического содержания пищи, в тысячу раз больше обычной калории, единицы измерения тепла. Одна калория – это количество энергии, требующейся для того, чтобы увеличить температуру 1 грамма воды на 1° С, поэтому дневной расход в 2000 ккал – это примерно столько же тепла, сколько понадобится, чтобы вскипятить с 0° С 20 л воды. Неудивительно, что при беге нам становится жарко.

(обратно)

27

На Олимпийских играх 1908 г. в Лондоне марафон проходил на 26-мильном отрезке от Виндзорского замка до Уайт-сити. Этот отрезок и определил длину современной марафонской дистанции

(обратно)

28

Частота сердечных сокращений уменьшается с возрастом. Чтобы подсчитать собственную максимальную частоту, достаточно вычесть свой возраст из 220.

(обратно)

29

На Олимпиадах древности замужним женщинам не разрешалось не то что участвовать, но даже присутствовать на состязаниях под страхом смертной казни. Каллипатере, по свидетельству Павсания, пришлось маскироваться под тренера-мужчину, так велико было ее желание посмотреть на соревнующегося сына. Ее разоблачили, но из уважения к отцу, братьям и сыну, одержавшим победу в состязаниях, не стали казнить. Однако после этого греки издали указ, предписывающий всем тренерам раздеваться перед заходом на арену, чтобы предотвратить повторение инцидента.

(обратно)

30

Признания бывших восточногерманских спортсменов и тренеров в приеме допинга имели далеко идущие последствия. В 1998 г. четыре американские пловчихи, уступившие первое место в эстафете на Олимпиаде 1976 г. в Монреале спортсменкам из ГДР, потребовали замены своих серебряных медалей на золотые. Британка Шарон Дэвис, проигравшая с небольшим отрывом Петре Шнайдер на Олимпиаде-80, тоже потребовала пересмотра своего зачета.

(обратно)

31

Для выхода на орбиту требуется скорость около 29 000 км/ч. Точная цифра зависит от того, какую именно орбиту предстоит занять – низкую или высокую.

(обратно)

32

Со скоростью 1670 км/ч вы вращаетесь на экваторе. В Великобритании она составляет всего 1075 км/ч, поскольку окружность Земли на этой широте уже меньше. На полюсе скорость вращения будет стремиться к нулю.

(обратно)

33

В прошлом законодательные нормы не учитывали радиацию из естественных источников (она ведь естественная) и носили рекомендательный характер. Однако по новым нормам, принятым в Евросоюзе, космическое облучение, которому подвергаются экипажи самолетов, будет считаться вредным производственным фактором, требующим различных мер защиты (которые уже введены на британских авиалиниях). Риск неизбежного развития рака при дозе 1 мЗв (среднегодовая допустимая норма для обычного населения) составляет 1 к 20 000. Для тех, кто выбирает профессию, связанную с риском радиационного облучения, рекомендованная допустимая норма составляет 20 мЗв (опасность смерти от облучения – 1:1000 в год).

(обратно)

34

«Высокий полет» Джона Гиллеспи Маги. Маги был пилотом канадских ВВС во время Второй мировой. Он начал сочинять этот сонет на высоте 9000 метров и закончил вскоре после приземления. Погиб он совсем молодым, в возрасте 19 лет.

(обратно)

35

Тот же принцип работает в автомобильных шинах – их армируют, чтобы не лопнули, поскольку давление внутри может в шесть раз превышать давление снаружи.

(обратно)

36

Объем жидкостей организма уменьшается в космосе примерно на 0,8 л, поэтому литра подсоленной воды должно хватить для восстановления прежнего объема. Раствор, который пьют астронавты, сходен по составу с раствором для пероральной регидратации, назначаемым по возвращении на Землю для восстановления организма, обезвоженного рвотой или диареей.

(обратно)

37

Мемориал оставили тайком и не говорили о нем до самого возвращения на Землю.

(обратно)

38

Устойчивость к радиоактивности развилась у Deinococcus radiodurans как побочный эффект сопротивляемости засухе. Бактерия способна восстанавливать хромосомы, разбитые радиацией на мириады частиц. Как ей это удается, науке пока неизвестно.

(обратно)

39

На глубине 3000 м давление так велико, что вода закипает лишь при температуре 400° С.

(обратно)

40

Она стремится от полного порядка к абсолютному хаосу. Этот принцип воплощен во Втором законе термодинамики, и именно он, как остроумно подметил Том Кирквуд, описывает «тенденцию грязной посуды скапливаться в мойке».

(обратно)

41

Возможно, дело в далеких от идеала лабораторных условиях, и тогда численность глубинных бактерий в действительности намного выше.

(обратно)

42

В названии отражены место и год обнаружения: Allen Hills (Аллен-Хиллс), (19) 84.

(обратно)(обратно)

Оглавление

Благодарности

Введение

На вершину Килиманджаро

1. Жизнь на вершине

  Первые упоминания о горной болезни

  Подъем на Эверест

  Падение барометрического давления

  Чем опасна неожиданная разгерметизация

  Острая горная болезнь

  Вдох-выдох

  Акклиматизация

  Уроки больших высот

  Взгляд свысока

В омут с головой

2. Жизнь под гнетом

  Физика давления

  Первые ныряльщики

  Пузырьки в крови

  Подниматься нужно медленно

  Подводное плавание и кессонная болезнь

  На входе в воду

  Разрывы органов

  Задержка дыхания

  Плавание с аквалангом

  Экстаз глубины

  Хорошенького понемножку

  Подвиги на грани потери сознания

  Где предел?

  Жизнь на глубине

  Отсроченная опасность

  В бездну

  Пуще неволи

С легким паром!

3. Жизнь в пекле

  Температура тела

  Чувствуя жар

  Хождение по углям

  Горячие новости

  Охлаждение

  До седьмого пота

  Держи голову в холоде

  Размеры и формы

  Тепловой удар

  Лихорадка

  Жизнь без воды

  Соль земли

  Жаркая колыбель человечества

Блюз холодной воды

4. Жизнь в холоде

  Борьба с холодом

  Какой холод способен выдержать человек?

  Сопротивление холоду

  Замерзнуть насмерть

  В арктических водах

  Опасные перепады

  Жизнь после «смерти»

  Руки в цыпках и замерзшие ноги

  Обморожение

  Эскимосы и исследователи

  Польза холода

  О пингвинах и белых медведях

  Жизнь на полюсах

5. Жизнь в скоростном ряду

  Энергетические вопросы

  Потребность в кислороде

  Ты то, что ты ешь

  Скорость против выносливости

  Полный вперед!

  Не сойти с дистанции

  Упадок сил

  Тренировки

  Предел

  Гендерные различия

  Улучшить результаты

  Чудеса животного мира

  Размер имеет значение

  Проверка на выносливость

6. Последний рубеж

  Краткий экскурс в историю покорения космоса

  Желудок в пятки и глаза из орбит

  Ключ на старт!

  Жизнеобеспечение

  Свободное падение

  Невесомость

  Сон

  Инфекция

  Космическая болезнь

  Цена успеха

  Космическая радиация

  Шаг в пустоту

  Возвращение

  С небес на землю

  Куда дальше?

7. Экстремалы из экстремалов

  Древо жизни

  Некоторые любят погорячее

  Подсевшие на кислоту

  Любители щелочи

  Пуд соли

  Жизнь в камне

  Пещерные жители

  Жизнь без кислорода

  Закаленный характер

  Жизнь в морозильной камере

  Анабиоз

  Миллионное состояние на микробах

  Внеземная жизнь?

Примечание о единицах измерения

Литература для дополнительного чтения

Список иллюстраций

Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg