Зачем мозгу кислород

От первого крика новорожденного и до последнего вздоха умирающего — дыхание как процесс сопровождает нас всю жизнь. Стоит лишиться его даже на короткое время, и мозг объявляет паническую атаку, требуя отдать за глоток воздуха что угодно. Почему это происходит, как кислород влияет на работу организма, а также на нашу психику и поведение?

sepalika.com
Считается, что человек может обходиться без воды от 2 до 14 дней в зависимости от состояния его здоровья, погодных условий и уровня физической активности. Без воздуха — всего от 2 до 5 минут в зависимости от объема легких (фридайверы и прочие натренированные экстремалы, способные не дышать в два раза дольше, не в счет). Если кислородное голодание продолжается, происходят необратимые изменения в органе, казалось бы, вообще не имеющем отношения к процессу дыхания: гибнут нейроны головного мозга, и человек может превратиться, что называется, в овощ. Да, кислород необходим всем клеткам тела, но именно наш управляющий центр является его основным получателем.

Поскольку самостоятельно мозг дышать не может и не способен накапливать запасы «топлива», он выходит из положения, получая кислород весьма хитроумным способом — через третьи (или даже десятые) руки. Как это происходит? Сначала кислород в составе воздуха попадает в организм через верхние дыхательные пути (носовую и ротовую полость). Оттуда по нижним дыхательным путям (трахее и бронхам) достигает легких, состоящих из множества пузырьков — альвеол. С внутренней стороны они покрыты сурфактантом — особым веществом, которое облегчает проникновение молекул кислорода в кровь. В ней он соединяется с гемоглобином — белком в составе эритроцитов. Кстати, эритроциты человека максимально приспособлены для переноса кислорода: при созревании они теряют ядра, чтобы уместить как можно больше молекул гемоглобина. Кроме того, потеря ядра дает кровяной клетке возможность приобрести двояковогнутую форму — это позволяет удобно просачиваться через стенки самых мелких кровеносных сосудов — капилляров. А вот здесь уже можно объяснить «порог 5 минут»: в крови взрослого здорового человека содержится всего около 600 граммов гемоглобина, поэтому количество кислорода, находящегося с ним в связи, небольшое. Как раз на эти 5 минут его и хватает. А потом требуется новое поступление.

Итак, кислород путешествует по организму на гемоглобине, как на «Восточном экспрессе», запуская самые разнообразные химические реакции в клетках органов и мышц, обеспечивая их энергией. Дорога достаточно длинная, тем не менее самая большая часть кислорода (около 25%) благополучно добирается до мозга.

Мозг дирижирует всем в организме, в том числе и жизненно важным для него процессом дыхания. Как это происходит? Побочный продукт химических реакций (во время них клетки преобразуют кислород в энергию) — углекислый газ, который затем «сбрасывается» в венозную кровь. Его процентное соотношение с кислородом отслеживается специальными рецепторами. Информация в режиме онлайн передается в дыхательный центр продолговатого мозга. Избыток углекислого газа сигнализирует о том, что пора выдохнуть, а недостаток кислорода — вдохнуть.

Когда мы дышим, то не отдаем себе отчета в том, как именно это делаем, — все происходит автоматически. При этом подавляющее большинство людей (исключая разве что приверженцев йоги) дышат неправильно. Считается, что полезнее всего делать это, максимально задействовав диафрагму. Такой способ можно наблюдать у новорожденных: на вдохе брюшная полость расширяется, грудная клетка поднимается, и воздух поступает через нос в легкие, а на выдохе мышцы живота сокращаются. Почему же по мере взросления мы начинаем делать все с точностью до наоборот: на вдохе втягиваем живот, на выдохе — расслабляем? Непонятно. Есть версия, что причина — в постоянных стрессах и волнениях: дыхание становится в основном поверхностным, и организм подстраивает под него общую схему, хотя она и выходит «корявая».

gidfon.com
В том, как именно мы дышим и что при этом происходит, есть масса интересных нюансов, о которых обычные люди не догадываются. Например, недавно ученым (соответствующее исследование опубликовано в Journal of Neuroscience) удалось проследить закономерность между ритмами дыхания и способностью мозга к запоминанию. Выяснилось, что люди лучше фиксируют в памяти лица и предметы, если видят их на вдохе носом. На выдохе (тоже носом) — гораздо хуже. А самые слабые показатели запоминания — при дыхании через рот.

Казалось бы, полный бред. Какая вообще разница? Но тут есть объяснение: именно вдох через нос стимулирует мозговую активность в гиппокампе. А этот отдел мозга в числе прочего отвечает за механизмы формирования эмоций и консолидации памяти (то есть перехода кратковременной памяти в долговременную). Вроде как логика есть. Но за какой надобностью матушке-эволюции нужно было придумывать такую заковыристую схему, физиологи пока не разобрались.

Мозг ужасно не любит грязный воздух, поскольку из него очень хлопотно добывать кислород. Поэтому начинает выказывать недовольство. Днем у нас просто болит голова, а ночью еще и ухудшается качество сна. Ученые из Вашингтонского университета провели исследование и выяснили, что хуже всего мозг реагирует на два компонента: диоксид азота (NO2 — самый распространенный загрязнитель атмосферы на сегодняшний день) и мелкодисперсную пыль. Чем выше их процентное содержание в воздухе, тем беспокойнее люди ведут себя по ночам — часто просыпаются и видят кошмарные сны.

Итак, грязный воздух мозгу категорически не нравится, что в конечном счете отражается (кто бы мог подумать) даже на общественной морали. Исследователи из Колумбийского университета вместе с коллегами из Гарварда и Университета Мичигана обнаружили любопытную связь между загрязненностью городского воздуха и количеством преступлений. Сбор информации проводился в более чем 9 тысячах населенных пунктов США и занял девять лет. Оказалось, что чем хуже воздух в городе, тем опаснее в нем жить. Экологическую обстановку оценивали по концентрации в воздухе диоксида серы, угарного газа, мелкодисперсных частиц и еще некоторых известных загрязнителей. Криминальную — по количеству убийств, ограблений, нападений и так далее. Что любопытно, связь с мозгом тут самая прямая: при недостатке кислорода (а в грязном воздухе его катастрофически мало) у людей постоянно болит и кружится голова, понижается умственная работоспособность и повышается раздражительность. В таких условиях даже самый позитивный человек начинает вести себя неадекватно.

ФАКТ

Мозговая ткань потребляет в 20 раз больше кислорода, чем мышечная, и в 5 раз больше, чем отдельная сердечная мышца.

ЛЮБОПЫТНО

Главное — не переборщить

Приезжая на горные курорты, мы замечаем, что настроение улучшается и даже кровь как будто бежит быстрее. Секрет прост: воздух в горах разреженный, кислорода в нем меньше. Мозг начинает приспосабливаться к существованию в таких условиях. Он передает соответствующий сигнал от дыхательного центра мышцам, усиливая работу грудной клетки, — человек начинает дышать чаще, соответственно улучшается вентиляция легких. Рост сердечных сокращений усиливает кровообращение — происходит выброс в кровь новых эритроцитов, а следовательно, и содержащегося в них гемоглобина. Таким образом, кислород быстрее доходит к тканям, и мы чувствуем себя способными свернуть горы. Ну или прыгнуть выше головы.

Однако во всем нужна мера. Чем выше в горы, тем кислорода становится меньше. Если его не хватает для поддержания работы мозга, человек теряет сознание. А сильная гипоксия (кислородное голодание) может привести даже к смерти.

 bebenina@sb.by