С каждым вдохом: Удивительная история наших легких

Интерес доктора Уэста к птицам был подогрет в 1960 г., когда он провел полгода с группой исследователей на Эвересте. Проект получил название «Экспедиция в Серебряную хижину» из-за окрашенного серебристой краской домика, в котором они жили на леднике Мингбо, на высоте 5790 м (находящаяся неподалеку вершина Эвереста имеет высоту 8848 м). На этой площадке Уэст и другие ученые исследовали влияние большой высоты на организм человека. Проведя некоторое время в тех суровых высотных условиях, Уэст начал ощущать крайнюю усталость и сильно похудел. Однажды утром, пытаясь собраться с силами, он выглянул из окна «Серебряной хижины», привлеченный шумным гоготом. Над головой, на высоте около 6500 м, он увидел стаю из 12 довольно обычных коричневых гусей, без особых усилий летящих на эшелоне, обычно зарезервированном для реактивных самолетов. Как Уэст мог объяснить разницу между собственной крайней изнуренностью и легким полетом птиц?

Ответ на его вопрос лежит в устройстве их легких. Несмотря на все явные различия между птицами и человеком, одно из важнейших различий становится очевидным не сразу, хотя именно оно, скорее всего, объясняет успехи птиц в колонизации стольких мест обитания: в их легких работа по насыщению кислородом отделена от вентиляции. Наши легкие устроены просто, в них обе эти функции объединены. Они расширяются и сжимаются, обеспечивая движение воздуха, или вентиляцию, подобно мехам для каминов. В тех же зонах, которые расширяются и сокращаются для обеспечения вентиляции, также происходит газообмен, при котором кислород переходит в кровь, а углекислый газ высвобождается.

Но по своим наблюдениям Уэст сделал вывод, что, если бы инженер проектировал дыхательную машину, он разделил бы в ней функции газообмена и движения воздуха. Птицы имеют именно такую систему. У них с каждым вдохом воздух поступает в воздушные мешки, которые являются большими, легко растягивающимися органами, где не происходит никакого газообмена. Затем этот воздух отводится в отдельную зону для газообмена, называемую воздушными капиллярами. Там, поскольку газообменным ячейкам не требуется изгибаться при дыхании, расстояние между воздухом и кровеносными сосудами невероятно мало, намного меньше, чем одна треть микрона у млекопитающих, и это еще больше облегчает обмен. Последнее различие заключается в том, что воздух в легких птицы движется по кругу, что очень похоже на кровообращение, поэтому птицы получают свежий воздух как на вдохе, так и на выдохе. Мы же, напротив, получаем свежий воздух лишь на вдохе.

Благодаря всем этим различиям, утверждал доктор Уэст, дыхательная система птицы более эффективна, чем человеческая. В то же время наша форма определяется нашей функцией. Имеющиеся у нас легкие прекрасно подходят для большинства наших потребностей. Комплект птичьих легких нам пригодился бы только при подъеме вслед за горным гусем на Эверест без дополнительного кислорода, как пытались некоторые. Биология установила пределы, которые некоторые люди пытаются игнорировать, порой в ущерб себе.

Анатомия легких птицы с воздушными мешками для вентиляции и воздушными капиллярами для газообмена^[9]

Устройство наших легких связано с нашим способом передвижения и базовыми потребностями выживания, которые значительно отличаются от тех, что характерны для птиц. Но при всех различиях между нашими классами, стандартные уровни кислорода в крови млекопитающего и птицы, как ни удивительно, являются совершенно одинаковыми – около 95 мм рт. ст. у обоих видов. Системы как птиц, так и млекопитающих, похоже, привязаны к этому оптимальному уровню кислорода, не слишком низкому, но и не слишком высокому.

Мы знаем, что низкие уровни кислорода представляют проблему, но при более высоких уровнях, выше 100 мм рт. ст., кислород может стать токсичным. Он будет захватывать электроны, что нам совершенно не нужно, в процессе, подобном окислению, от которого образуется ржавчина на машине. Законы и ограничения химии действуют во всех наших биологических системах, включая общее анатомическое строение легких.

Воздушные пути в легких устроены так, чтобы обеспечивать максимальный поток^[10]

Но нашу физиологию определяют не только законы химии. Действуют и другие силы природы. Как описано в прологе, наши легкие похожи на разветвляющееся дерево, заканчивающееся листьями наверху и корнями внизу. Легкие также можно сравнить с притоками реки, впадающими в главное русло. Нейроны мозга, расходясь усиками от главного аксона, следуют аналогичной конфигурации. Человеческое тело само по себе является еще одним примером, разделяясь от туловища на конечности, которые затем делятся на пальцы рук и ног.

Нам так привычно это разветвляющееся строение, потому что, похоже, оно подчиняется закону физики, впервые описанному в 1996 г. физиком из Университета Дьюка Адрианом Бежаном. Этот закон, названный конструктивным законом, устанавливает, что «для того, чтобы система выжила, она должна эволюционировать со временем, увеличивая доступ к потоку»^{38}. Оказывается, наши легкие имеют именно такую идеальную структуру, когда множество маленьких веточек соединяются с одной большой. Легкие увязаны с вселенной физики как никакой другой орган, идеально используя выделенное для них пространство для максимального потока. А оптимизация потока и движения определенно является одной из целей жизни с биологической точки зрения.

Глава 3
Первый вдох младенца

Легкие не только способствовали началу сухопутной жизни на нашей планете, они также способствуют началу жизни каждого отдельного человека. В последнем триместре беременности легкие остаются единственным неработающим органом у плода. Сердце совершает колоссальные 160 ударов в минуту, почки производят мочу, причем младенец писает прямо в амниотическую жидкость (которую затем снова проглатывает, повторяя цикл). Мозг и мышцы бодрствуют, младенец пинается, кувыркается и переворачивается. Но легкие остаются совершенно неподвижными и не функционируют.

Все это меняется, и резко, когда младенец появляется на свет из утробы матери. Легкие должны включиться мгновенно, чтобы приступить к своей работе по извлечению кислорода и выделению углекислого газа. Для оценки успешности такого превращения во всех больницах по всему свету используют так называемую шкалу АПГАР, названную по имени выдающегося профессора хирургии из Колумбийского университета Вирджинии Апгар. Доктор Апгар, первая женщина, получившая статус профессора в Медицинской школе Колумбийского университета, придумала этот удивительно простой и элегантный способ оценки здоровья новорожденных в 1953 г.

Спустя одну минуту и пять минут после рождения оцениваются внешний вид, пульс, мимика, активность и дыхание (APGAR – Appearance, Pulse, Grimace, Activity, Respiration), и по каждому выставляется оценка 0, 1 или 2, в сумме дающие максимум 10 баллов. Большинство младенцев легко получают 8 или 9 баллов. Цель оценки по Апгар – выявить тех младенцев, для которых существует угроза жизни, и принять активные меры по компенсации имеющихся нарушений. Можно просто тормошить младенца, пока он не оживет, или дать ему больше кислорода, или вставить эндотрахеальную трубку в легкие. В медицине иногда предпочтительнее бездействие по принципу «прежде всего не навреди». Низкая оценка по шкале Апгар не тот случай. Состояние новорожденного, получившего 6 или 7 баллов, обычно улучшается само по себе. Оценка меньше 5 означает, что пора начинать паниковать.

Шкала Апгар отражает на самом базовом уровне способность легких, сердца, мозга и мышц грудной клетки мгновенно перестроиться от жизни в жидкой среде к жизни на воздухе. Но из этих четырех систем на долю легких приходится больше всего работы, потому что, когда младенец был в утробе матери, они, как мокрая губка, были пропитаны амниотической жидкостью. Источником кислорода для плода является плацента, эта ярко-красная похожая на медузу структура, исторгаемая после рождения младенца. Плацента аккуратно забирает богатую кислородом кровь из сосудов матки и направляет ее к плоду по пупочной вене.

Попав в пупочную вену, кровь проходит через ряд открытых протоков: один, идущий через печень, а другой через сердце справа налево, в обход незадействованных легких. Затем кровь выходит с левой стороны сердца в аорту и питает органы. Забрав кислород, ткани возвращают кровь в вены, откуда она в конце концов возвращается в организм матери по пупочной артерии.

Эта бесплатная подача кислорода должна прекратиться, и она резко прекращается при рождении. В одно мгновение протоки, проходящие сквозь печень и сердце, закрываются, и кровь направляется в легкие, чтобы обогатиться кислородом. Одновременно с этим мозг должен начать подавать сигналы мышцам, отвечающим за дыхание. Глаза должны открыться и адаптироваться к залитому резким светом миру. Наконец легкие, по-прежнему заполненные амниотической жидкостью, должны мгновенно надуться с первым вздохом жизни. Альвеолы впервые расправляются, вместе с первым глубоким вдохом всасывают амниотическую жидкость и немедленно начинают извлекать кислород из атмосферы. Из наполненных жидкостью легкие превращаются в наполненные воздухом, они переходят из спящего состояния к извлечению кислорода, и все это в первые несколько секунд жизни.

К сожалению, для некоторых младенцев такой скачок из пребывания в утробе к жизни в атмосфере не проходит без серьезных осложнений. Я лично пережил такое однажды. В один невыносимо жаркий день в конце весны я гнал машину в больницу по переполненным автомобилями улицам Филадельфии со своей женой на позднем сроке беременности. В ответ на схватки в животе жена периодически сжимала мне руку до онемения, усугубляя мое беспокойство.

Мы подъехали прямиком к больнице, и я отдал служащему ключ от машины. Тут же появился человек с креслом-каталкой, и нас мгновенно увлекли в приемный покой для беременных. Медсестра в ярко-зеленом костюме сразу же надела перчатку и бесцеремонно ввела руку в мою жену. «Матка у вас уже практически полностью раскрылась, – сказала она. – Вас нужно в родовую. Срочно!»

Наши сердца принялись бешено колотиться, и мы инстинктивно схватились за руки. Медсестра ушла, но ненадолго, а вернулась в сопровождении толпы других медиков. С механической эффективностью один из них установил внутривенный катетер в руку моей жены, другой надвинул ей манжету для измерения кровяного давления, а третий застегнул вокруг ее живота монитор для измерения сердцебиения плода. Затем ее быстро доставили в родовую и уложили на кушетку в нужном положении.

«А как же эпидуральная анестезия?» – спросила моя жена, снова сжимая мне руку в момент очередной болезненной схватки. Зашла врач, молодая, со свежим лицом, в голубом хирургическом костюме и голубой шапочке. Она кивнула нам, а затем проверила сердцебиение плода на мониторе. В момент схватки оно немного замедлилось, что было вполне нормально, но замедлилось слишком сильно и долго не ускорялось. После длительного периода медленных, низкочастотных, мучительных сигналов пульс на мониторе снова стал бодрым.

«Послушайте, у нас нет времени на эпидуральную анестезию. Плод не может больше оставаться внутри. Он готов. Ваше тело готово. Нужно рожать».

«Вы уверены?» – Моя жена нервно огляделась, в панике от перспективы дополнительных страданий.

«Да, вполне, – спокойно ответила врач. – Нам нужно достать малыша. Что-то ему там внутри не нравится. Его пульс иногда падает слишком сильно. Гораздо сильнее, чем допустимо. Ему срочно нужно наружу».

Мою голову заполонили безумные мысли. Срок должен был наступить через несколько дней, и сейчас пульс малыша спорадически падал до нижних пределов. Я раздумывал, затронет ли это его мозг, будут ли его легкие готовы пробудиться в ответ на зов земной жизни.

В следующие 15 минут схватки у моей жены приходили и уходили. С каждой последующей пульс малыша замедлялся слишком сильно и слишком надолго. Но он всегда восстанавливался, даруя нам некоторое ощущение того, что все было в порядке.

Наконец в ответ на одну длительную и очень болезненную схватку и энергичные потуги в канале появилась головка младенца с мокрыми кудрявыми волосиками. «Окей, на следующей», – сказала врач, теперь уже полностью облаченная в синий одноразовый хирургический костюм и белые перчатки до локтей, излучая еще больше энергии.

Пришла следующая схватка, и, превозмогая пронзающую боль, из последних сил, моя жена кричала и тужилась, полностью погруженная в интимный процесс родов. Но боль и монументальные усилия были не зря – родилась головка моего сына. Воодушевление портили звуки фетального монитора, который снова стал издавать слабые низкие сигналы пропадающего пульса малыша. Он замедлился гораздо сильнее, чем раньше, до 40 ударов в минуту. Моя жена перестала тужиться, схватка прошла. Ее лицо расслабилось, а затем расслабились и мышцы таза. Младенец отступил туда, откуда появился, а замедлившийся пульс, который должен был начать приходить в норму, не ускорился. Он замедлялся все больше и больше, вот уже 30, 20 ударов в минуту, без всяких признаков восстановления. Затем звуки сердцебиения замедлились еще больше, трагически свидетельствуя об угасающей жизни.

«Не останавливайся! Не останавливайся! – умоляла врач, сжав руку моей жены. – Нам нужно вытолкнуть малыша. Тужься! Тужься! Тужься!» Я присоединился к заклинаниям и тоже начал кричать: «Тужься! Тужься!» В замешательстве, огражденная от факта катастрофически низкого пульса младенца, моя жена принялась тужиться снова. Один раз – ничего; второй раз – ничего.

«Еще раз, сильнее!» – завопил я. Теперь был мой черед сжимать ее руку, и я сдавил ее изо всех сил. Наконец, после невероятного усилия и визга, моя жена поднатужилась со всей мочи, и малыш выскользнул с потоком жидкости и слизи. Он был прекрасен, но совсем не шевелился. Его головка и тельце были поникшими, глазки закрыты, а кожа имела болезненный голубоватый оттенок.

Теперь стало понятно, что вызвало замедление его сердцебиения: вокруг шейки плотным тугим узлом обвивалась пуповина. Вот все и объяснилось. Когда он продвигался по родовым путям, пуповина, закрепленная на плаценте, затягивалась все туже и туже, как идеальная удавка.

Медсестра быстро обрезала ее, они с врачом проскользнули мимо меня и положили младенца на кроватку для новорожденных под яркий теплый свет.

«Кто-нибудь вызовите педиатров. Срочно! – завопила врач. – У него четыре по Апгар».

Затем она включила нагрев лампы на максимум и потеребила грудку ребенка. Он не реагировал, оставаясь вялым и синеватым. Врач схватила кислородную маску и надела ее ему на личико, но безрезультатно. Прошло 10 секунд, 20, 30, но ни одна конечность не пошевелилась.

Медсестра торопливо принесла лоток с интубационным набором, готовая вставить трубку в ротик моего сына и подключить его к аппарату ИВЛ. Если он не мог дышать самостоятельно, аппарату пришлось бы это делать за него. Я взглянул на инструменты, которые собирался использовать персонал. Чтобы раскрыть его ротик и видеть, что происходит, им нужен был блестящий серебристый клинок ларингоскопа длиной примерно 15 см. Трахеальная трубка – это простой отрезок пластика с баллоном на конце, которую можно сразу вводить в горло, чтобы открыть путь животворительному дыханию. Не было никаких сомнений, что она была ему нужна. Мы просто ждали указаний педиатров.

Подошла вторая медсестра с дыхательным мешком, чтобы подавать воздух в легкие, пока не вставлена трубка. Перед тем как нацепить его на маску, она в последний раз потрясла моего сына, и, о чудо, видимо, ей удалось подключиться к тому единственному нейрону в его мозге, который все еще подавал сигналы. Он встрепенулся, сделал глубокий вдох, мгновенно стал пунцовым и издал громкий вопль, подтверждавший, что он занял свое место в мире.

В спектре осложнений при родах проблема моего сына считается серьезной, но ситуации, когда пуповина обматывается вокруг шейки, нередки. В 1950-х и 1960-х гг. педиатры в Соединенных Штатах сталкивались со значительно более серьезной проблемой – каждый год от загадочной болезни легких в стране умирали 10 000 новорожденных, не говоря уже о тысячах в других странах. Большинство таких младенцев жили не больше недели. В Соединенных Штатах еще у 15 000, пораженных этим странным воспалительным заболеванием, легкие так и не восстанавливались полностью после выздоровления.

Обычно это были недоношенные младенцы, родившиеся иногда на несколько недель, иногда на несколько месяцев раньше срока, которые заранее были обречены на смерть. Роды протекали, как правило, без осложнений, но через несколько минут после появления младенцев на свет их дыхание становилось затрудненным и шумным. На выдохе раздавался тоненький стон, а ноздри судорожно трепетали, когда новорожденные пытались сделать достаточно глубокий вдох. Их грудная клетка энергично вздымалась и опадала, дыхание было учащенным и поверхностным. Кожа, сначала имевшая здоровый розовый оттенок, благодаря поступлению кислорода от матери, становилась землисто-синеватой, а кончики пальчиков пугающе темнели. Впоследствии развивались и другие осложнения – кровоизлияния в мозг, отказ почек и судороги.

После родового зала за новорожденными наблюдали педиатры, отчаянно пытавшиеся сохранить им жизнь. Но персонал мало что мог сделать, так как в то время никто толком не знал, как их лечить, а лекарств для борьбы с загадочным недугом не существовало. И вот у этих младенцев, часто крошечных, но с нормальными сердцем, мозгом, почками и печенью, по неизвестной причине происходил коллапс легких. Многие умирали.

Самым известным из тех младенцев с дыхательной недостаточностью был Патрик Кеннеди. Он родился на пять с половиной недель раньше срока, 7 августа 1963 г., в Кейп-Коде, и сразу после рождения у него начались проблемы с дыханием. Его перевели в отделение реанимации и интенсивной терапии в Бостоне, но он продолжал угасать, его органы отказывали один за другим. Два дня спустя его организм не выдержал, и он скончался. Если в болезни малыша и не было ничего примечательного, то его родители были некоторым образом уникальны. Его отцом был Джон Кеннеди, 35-й президент США, а матерью – Жаклин Бувье Кеннеди, первая леди.

В том августе вся нация скорбела вместе с ними, но это было все, что кто-либо мог сделать, потому что никто понятия не имел о причине этих трагедий.

Мэри Эллен Эвери, которая, в конце концов, помогла разгадать тайну респираторного дистресс-синдрома новорожденного, родилась в простой семье – ее мать была директором школы, а отец, несмотря на слепоту, открыл успешный бизнес по производству хлопчатобумажных изделий во время Великой депрессии в 1930-е гг. Урок, который он преподал своим детям, был очевидным: проблемы созданы, чтобы их решали.

Мэри Эллен рано пошла в начальную школу и окончила ее на год раньше. К началу средней школы она уже всем говорила, что хочет стать врачом. Это желание, несомненно, возникло под влиянием соседки и наставника 11-летней девочки Эмили Бейкон, профессора педиатрии в Женском медицинском колледже в Пенсильвании, Филадельфия. Доктор Бейкон, бывало, брала Мэри Эллен с собой в больницу по утрам и показывала ей младенцев в палате новорожденных. Там однажды Мэри Эллен впервые столкнулась с респираторным дистресс-синдромом у недоношенного, когда увидела стонущего, хрипящего, синеющего младенца. «Если бы это заболевание можно было вылечить, – подумала она, – то добавленные годы были бы буквально всей жизнью»^{39}.

Мэри Эллен поступила в колледж Уитон в аграрном городке Нортон, штат Массачусетс, где продолжила свой путь наверх, изучая химию и окончив колледж с отличием в 1948 г. Стремясь получить лучшее медицинское образование, она подала заявления только в Гарвардский университет и Университет Джонса Хопкинса. Она не знала тогда, что Гарвард не принимает женщин, и они ей так и не ответили. Но Медицинская школа Университета Джонса Хопкинса была основана в 1893 г. на деньги нескольких богатых женщин-меценатов, которые настаивали на том, чтобы подготовка женщин-врачей была равнозначной целью учреждения. В год поступления Мэри Эллен школа приняла 86 мужчин и 4 женщины^{40}.

Несмотря на трудности и сопротивление со стороны некоторых шовинистически настроенных профессоров, Мэри Эллен окончила университет и осталась проходить интернатуру и ординатуру в педиатрии. Через месяц после начала интернатуры диагностический тест выявил у нее туберкулез, и ее отправили в санаторий на севере штата Нью-Йорк, где ей велели лежать большую часть дня, ожидая пока антибиотики сделают свое дело. В 1954 г., после выздоровления, она вернулась в университет Хопкинса, чтобы закончить обучение. Дежурства были долгими – смены по 36 часов тогда были нормой, – но это было захватывающее время в медицине. Годом ранее, в 1953 г., Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик написали статью о структуре ДНК, нашего генетического материала. Также, примерно в это время, в кардиологии начали делать катетеризацию сердца, и точная диагностика сердечных заболеваний стала реальностью. Количество доступных антибиотиков увеличилось до пяти, затем до десяти, до двадцати. Казалось, что в медицине каждый месяц случались огромные прорывы.

В конце трехгодичного курса клинической подготовки Мэри Эллен по-прежнему сильно заботили младенцы, умирающие от легочной недостаточности, и она руководствовалась изречением итальянского ученого и философа эпохи Возрождения Галилео Галилея: «Я предпочел бы открыть единственный факт, пусть даже крошечный, чем долго обсуждать великие вопросы, не открывая ничего»^{41}. Она хотела исследовать следующие вопросы – почему легкие этих недоношенных младенцев не работали при рождении и в чем отличие легких новорожденного, родившегося на 32-й неделе, от легких новорожденного, родившегося на 40-й неделе. Она решила работать с Джеромом Мидом, который занимался эпохальной работой в области физиологии легких в Школе общественного здравоохранения при Гарвардском университете.

Болезнь, которую мы сейчас называем респираторным дистресс-синдромом у новорожденных, в 1950-х гг. называли по-разному, в том числе врожденная аспирационная пневмония, синдром асфиктических мембран, десквамативный анаэроз, врожденная альвеолярная дисплазия, синдром первородной смазки, болезнь гиалиновых мембран и гиалиновый ателектаз. Сегодня эти названия ни о чем не говорят большинству врачей. Но эти понятные лишь посвященным термины возникли из множества теорий о причине синдрома, маскируя неизвестное непонятными словами. Некоторые считали, что младенцы вдыхают в легкие жидкость, проходя по родовым путям. Другие выдвигали гипотезу о пороке сердца, из-за которого в легких накапливалась жидкость. Еще одна теория предполагала, что источником проблемы является легочное кровообращение. Неудивительно, что результаты клинических испытаний потенциальных лекарств на людях оказались отрицательными.

Хотя вся эта область медицины была далека от решения проблемы, кое-что было известно. При вскрытиях замечали, что альвеолы, те небольшие, похожие на виноград кластеры, где происходит газообмен, были забиты мертвыми воспалительными клетками и протеиновыми отходами, которые получили название – гиалиновые мембраны. Это была слегка прозрачная, стекловидная масса. Термин гиалиновая мембрана происходит от греческого слова hyalos, означающего «стекло или прозрачный камень, например кристалл». Большинство ученых сосредоточили свои исследования на этом явлении.

Мэри Эллен, теперь уже доктор Эвери, намеренно не фокусировалась на гиалиновых мембранах или любой другой существующей теории, чтобы сформировать объективное мнение, и стала углубленно изучать основы физиологии легких. Ее подход, как и подход большинства успешных ученых, заключался в изучении механизмов, лежащих в основе того или иного процесса, а не просто в наблюдении за клиническим исходом. Она сосредоточилась на базовых вопросах: почему легкие могут расширяться и сжиматься снова и снова, не разрываясь на части и без коллапса; что делает этот удивительный орган выносливым и придает ему силы совершать 20 160 вдохов в сутки, перемещая около 10 000 л воздуха, в то время как еще 5 л крови протекают по кровеносным сосудам легких каждую минуту? Сердце – это компактные, сильные мышцы. Печень – это плотная структура из каналов и фильтров. А легкое – это в основном воздух. Под микроскопом становится видна его тонкая, очень нежная кружевная структура. Для всех было загадкой, откуда они берут выносливость и силу.

Доктор Эвери изучала физиологию дыхания различных животных, от рождения до возраста несколько недель, составляя карты развития их легких, а также проявляющиеся характеристики. Помимо работы в лаборатории, она продолжала свою клиническую работу в Бостонском родильном доме, отвечая за уход за новорожденными. Акушеры передавали ей новорожденных младенцев, а она запускала секундомер и записывала данные по мере того, как ребенок делал первый вдох, определяя балл по шкале Апгар, а затем брала кровь на анализ. Она перебегала из палаты в палату, всегда начеку, выискивая хотя бы какие-то подсказки о состоянии легких этих малышей.

Когда дети умирали от таинственной болезни легких, доктор Эвери присутствовала на вскрытии, внимательно изучая гистологию, и сохраняла предметные стекла на будущее, когда сможет понять, что их связывает. Во время этих вскрытий ее внимание привлек один факт – насколько сильно были заполнены тканями легкие этих малышей, в них совершенно не было воздуха, они больше походили на печень, а не на легкие. Они не смогли наполниться воздухом.

По выходным доктор Эвери ходила в библиотеку Массачусетского технологического института в поисках публикаций из не относящихся к медицине областей, охотясь за новыми идеями, рожденными в умах химиков и математиков. В один из таких визитов ей попалась книга Чарльза Бойза «Мыльные пузыри: их цвет и силы, формирующие их» (Soap Bubbles: Their Colours and Forces Which Mould Them).

Впервые опубликованная в 1912 г. и предназначавшаяся для английских школьников, эта тонкая книжка была базовым учебником по физическим свойствам, определяющим мыльные пузыри, учебником, заполненным описаниями простых экспериментов, которые демонстрировали физические свойства жидкостей и их взаимодействие с воздухом, и объяснявшим, почему мыльные пузыри способны не лопаться, как по волшебству паря в воздухе. Доктор Эвери увидела связь между мыльными пузырями и альвеолами в наших легких. К альвеолам, которые имеют круглую форму и должны оставаться открытыми, чтобы газовый обмен не прекращался, применимы и законы физики, определяющие свойства мыльных пузырей.

Ключевым фактором, помогающим мыльным пузырям сохранять сферическую форму и не лопаться, является поверхностное натяжение. Любой сферический объект, такой как мыльный пузырь или альвеола в легких, подчиняется простому закону физики. Сформулированный французским ученым Пьером-Симоном Лапласом и английским математиком Томасом Юнгом в 1805 г., этот закон гласит, что давление, действующее на круглый объект, прямо пропорционально поверхностному натяжению сферы и обратно пропорционально ее радиусу. Из него вытекает, что пузыри большего размера являются более стабильными, на них действует меньшее давление, чем на пузыри меньших размеров, и у них больше шансов не лопнуть. И аналогично сфера с меньшим поверхностным натяжением является более стабильной, и на нее действует меньшее давление, чем на сферу с более высоким поверхностным натяжением.

Радиус сферы – это просто расстояние от ее центра до поверхности. Поверхностное натяжение, однако, вещь более сложная. На поверхности раздела между жидкостью и газом молекулы жидкости связаны друг с другом сильнее, чем где-либо внутри жидкости. Например, в стакане с водой молекулы воды на поверхности располагаются гораздо более плотно, чем молекулы в середине стакана, потому что над ними нет других молекул воды, которые могли бы оказывать на них рассеивающее воздействие. Эти тесно скопившиеся на поверхности молекулы воды вызывают поверхностное натяжение, в результате поверхность немного прогибается, и это можно увидеть в стакане с водой.

Молекулы разных жидкостей по-разному ведут себя, скапливаясь у поверхности. У воды относительно высокое поверхностное натяжение, соответственно, молекулы на ее поверхности скучены довольно тесно. Поэтому из воды не получаются хорошие пузыри, она легче образует капли, например капли дождя или капли в раковине. Но если к воде добавить мыло, поверхностное натяжение существенно снижается. Кончики молекул мыла имеют разные свойства: один кончик притягивает воду (гидрофильный), а второй отталкивает ее (гидрофобный). Когда мыло попадает в воду, его молекулы поднимаются на поверхность гидрофобными концами вверх, расталкивая молекулы воды, отделяя их друг от друга и уменьшая натяжение и энергию между ними. Это позволяет сферическому объекту, такому как мыльный пузырь, сохранять свою форму до тех пор, пока он не высохнет и не лопнет.

В то время как доктор Эвери читала о пузырях и поверхностном натяжении, несколько преданных своему делу ученых, нанятых федеральным правительством в разгар холодной войны, изучали реакцию легких в случае применения химического оружия. Ядовитые газы попадают в организм главным образом через легкие, поэтому первостепенной задачей было разобраться в том, как токсины действуют на легкое и как с ними бороться. Один из исследователей, доктор Джон Клементс, на военной базе в Бетесде, Мэриленд, в 1950-х гг. провел серию экспериментов с целью количественно измерить поверхностное натяжение в легких, и эти эксперименты продемонстрировали, что ткани легких имели низкое поверхностное натяжение по сравнению с другими тканями. Затем он сделал кое-что простое, чего никто до него не делал: он измерил давление в извлеченной легочной ткани при расширении и сжатии. Как уже упоминалось, давление, действующее на сферу, такую как мыльный пузырь или альвеола в легких, пропорционально ее поверхностному натяжению, деленному на ее радиус, и более низкое давление будет означать, что у пузыря будет больше шансов не лопнуть. Примечательно, что при сокращении легких давление существенно снижалось (когда при сжатии легких альвеолы уменьшались в размере, давление должно было увеличиваться, потому что радиус уменьшался) и существенно увеличивалось при расширении (по мере увеличения альвеол давление должно было снижаться, так как радиус увеличивался). Чтобы найти этому объяснение, доктор Клементс сделал правильное предположение, что что-то должно было перевешивать влияние размера на давление, и единственной оставшейся переменной в уравнении Лапласа было поверхностное натяжение^{42}.