Но некоторые животные используют поверхностное натяжение напрямую. Одно из них – вы, и в следующем примере действие будет развиваться внутри вас – при каждом вашем вдохе.
7 августа 1963 года у президента США Джона Кеннеди и первой леди Жаклин Кеннеди на пять с половиной недель раньше срока родился сын Патрик Бувье. Два дня он боролся за жизнь, пытаяясь дышать, но не справился. Эта трагедия опечалила миллионы людей, но, хотя статус президентского сына и делал этого ребенка особенным, причина его смерти оказалась пугающе распространенной. Патрика убил респираторный дистресс-синдром новорожденных (РДСН). Это главная причина смерти недоношенных младенцев, и связана она с проблемой поверхностей4.
При каждом вдохе вы тратите немало сил на наполнение легких воздухом. Легкие часто изображают как эластичные мешки, подобные воздушным шарикам и растягиваемые мышцами. Но ваши легкие не просто шарики, а влажные шарики. Клетки, выстилающие каждый из сотен миллионов крошечных альвеолярных мешочков, составляющих ваши легкие, покрывают себя тонким слоем жидкости (на рисунке это темный слой внутри альвеолы)5. При вдохе эластичная ткань растягивается, увеличивая площадь поверхности жидкости, то есть площадь ее взаимодействия с вдыхаемым воздухом. Однако жидкость, как всегда, «хочет», чтобы эта площадь оставалась минимальной, и потому противостоит ее увеличению.
И растяжение легочной ткани, и расширение ее жидкой пленки требуют усилий – и энергия на оба процесса тратится примерно одинаковая. Чтобы измерить это, можно накачать свежевскрытые легкие воздухом или водой. При наполнении водой не возникает интерфейса вода – воздух, а значит, и поверхностного натяжения, потому энергия расходуется исключительно на работу по растяжению ткани. При наполнении воздухом мы растягиваем ткань и увеличиваем площадь контакта воды и воздуха, на что уходит примерно вдвое больше энергии, чем при наполнении легких водой. Иными словами, около половины энергии, необходимой для дыхания, тратится на поверхностное натяжение. И это, в общем-то, неудивительно: как мы отмечали, площадь поверхности наших легких огромна.
Дыхание обходится нам дорого, но его цена возрасла бы еще, будь легочная выстилка покрыта чистой водой. Все жидкости натягиваются, но одни натягиваются сильнее, чем другие. У воды одно из самых сильных поверхностных натяжений среди распространенных жидкостей: оно примерно вдвое выше, чем у масел и спиртов, что связано с большой силой притяжения между ее молекулами. Мы можем снизить поверхностное натяжение воды, добавив в нее немного мыла. Чтобы продемонстрировать это, вернемся к скрепке, которую мы положили на поверхность воды несколько страниц назад: если добавить в воду хоть каплю жидкости для мытья посуды, скрепка утонет, поскольку сила натяжения мыльной поверхности не справится с ее весом. Этот эффект объясняется молекулярной структурой мыла. Мы помним из главы 5, что у каждой молекулы мыла, как и у липида, один конец гидрофобный, другой – гидрофильный. Следовательно, молекулы мыла охотно распределяются по поверхности воды гидрофобными хвостами в воздух. В результате поверхность перестает быть местом, которого молекулы воды стремятся избегать, и больше не требует высоких энергетических затрат. Соответственно, поверхностное натяжение сильно снижается.
В легких природа хитроумно снижает цену их расширения, тоже добавляя мыла. Выделения клеток легочной выстилки по-научному называются легочными сурфактантами[46], но термин «мыло» нагляднее описывает эти преимущественно липидные вещества. И снова мы сталкиваемся с примером самосборки: не получая никаких инструкций извне, выделяемые молекулы мыла выстраиваются на границе жидкости и воздуха и формируют слой, помогающий работать целому органу.
Критически важная способность снижать поверхностное натяжение в легких появляется у вас далеко не сразу после зачатия: легочные сурфактанты начинают вырабатываться на поздних стадиях эмбриогенеза. Когда недоношенные дети появляются на свет, у них – в зависимости от того, насколько раньше срока это случается, – сурфактантов либо мало, либо нет вовсе, и такие новорожденные дышат с трудом или совсем не могут дышать, поскольку их мышцам тяжело преодолевать поверхностное натяжение.
Патрик Кеннеди, конечно, не был единственным, кто в то время умер от респираторного дистресс-синдрома новорожденных. В одних только США в 1960-е РДСН уносил по 25 тысяч жизней в год. Но к 2005 году показатель ежегодной смертности от этого синдрома упал ниже 900. РДСН возникает, как и прежде, но теперь мы знаем, как с ним бороться: в легкие младенца нужно впрыскивать мыло. На самом деле это, разумеется, легочный сурфактант – либо полученный от животных, либо синтезированный в лаборатории, – но это не умаляет поразительной простоты и эффективности лечения, замешенного не на зубодробительной биохимии или генетике, а на физике дыхания. В основе этой простоты лежит самосборка: молекулы сурфактанта сами занимают нужные места в двухмерном интерфейсе воздух – жидкость. Ну а знания о поверхностном натяжении спасают жизни.
Поверхности и особенности их масштабирования определяют многие аспекты живой природы и служат отличным примером для объяснения, как масштабирование связывает микроскопическое (вроде структуры липидных молекул) с макроскопическим (например, с механикой расширения ваших легких). Масштабирование в очередной раз помогает нам разобраться в феноменах, которые мы наблюдаем внутри себя и прочих организмов. Масштабирование, однако, не панацея, и теперь мы рассмотрим пример, который до конца понять еще не можем.
Глава 12. Загадки размера и формы
В предыдущих главах мы рассматривали примеры зависимостей, описывающих масштабирование, – связи между свойствами вроде прочности костей и габаритами тела. Эти зависимости часто выходят за рамки простой пропорциональности: на удивление распространены взаимосвязи, когда одна величина пропорциональна другой, возведенной в какую-то степень, – это называется степенным законом (порой зависимости даже переходят в разряд экспоненциальных). Масштабирование проливает свет на многие особенности живой природы, и тому есть масса примеров – на суше, в воздухе и в море. Измеряя скорость плавания и частоту гребков у множества водных организмов, мы обнаруживаем между этими показателями экспоненциальную зависимость, объяснимую гидродинамикой. У способных к бегу животных, от тараканов до лошадей, степенным законом связаны энергия, затрачиваемая на движение, и масса тела, а задается эта зависимость более глубинными физическими механизмами, чем особенности походки. Скорость полета, мощность и масса подчиняются законам аэродинамического масштабирования, применимым не только к летающим животным, но и к реактивным самолетам. Мы могли бы изучать все это и дальше, но лучше примем свои успехи как должное и рассмотрим кое-что не столь понятное (если вас заинтересовали перечисленные здесь примеры, в примечании я указал, где о них почитать1). Мы обратимся к загадке масштабирования, разгадка которой, вероятно, поможет нам понять, чем определяются темп сердцебиения, биоразнообразие лесов и даже пределы продолжительности жизни.
Наша загадка стара и неоднозначна, но описать ее на удивление легко. Каждый организм извлекает энергию из химических связей. Эти связи заложены в пище, потребляемой животными, в питательных молекулах, поглощаемых бактериями, а также в сахарах, производимых фотосинтетиками с помощью солнечного света. Высвобождаемая энергия направляется на все задачи, связанные с жизнью: рост, развитие, движение, размножение и так далее. Скорость расхода энергии называется интенсивностью метаболизма, а метаболизм, или обмен веществ, – это совокупность химических реакций, осуществляемых клетками в процессе жизнедеятельности. Интенсивность обмена не постоянна – во время бега энергия тратится гораздо быстрее, чем во сне, – и никогда не падает до нуля. Даже в покое каждый организм расходует химическую энергию в рамках основного обмена[47]. Интенсивность основного обмена меняется от организма к организму. Отдыхающий слон, например, потребляет в минуту больше калорий, чем отдыхающая мышь. Но больше насколько? Или, если сформулировать общий вопрос, как масштабируется интенсивность основного обмена в зависимости от массы животного?
Можно предположить, что вывести общую закономерность для всего многообразия жизненных форм не удастся, поскольку скорость метаболизма у каждого организма задается его уникальной анатомией. Или можно предположить, что интенсивность основного обмена пропорциональна массе тела: если животное вдвое крупнее, то и его ежеминутный расход энергии вдвое больше.
Однако ни одна из этих гипотез не верна. Зависимость между интенсивностью основного обмена и массой тела действительно есть, но она не так проста. Рассматривая форму костей в главе 10, мы наблюдали у крупных животных тенденцию к формированию непропорционально толстых костей. Измеряя интенсивность основного обмена, мы замечаем у крупных животных тенденцию к расходованию непропорционально малого количества энергии. Величина основного обмена часто выражается в скорости потребления кислорода, поскольку он необходим для метаболических реакций. В покое мышь использует примерно 40 миллилитров кислорода в час. Слон, превосходящий ее по массе в 100 тысяч раз, использует кислорода больше не в 100, а в 10 тысяч раз (и даже меньше этого). В покое грамм слона в среднем расходует энергию в 20 раз медленнее, чем грамм мыши. Яркое сравнение предложил биохимик и писатель Ник Лэйн: «Куча мышей, соответствующая по размеру слону, каждую минуту потребляла бы в 20 раз больше пищи и кислорода, чем настоящий слон»2. Слоны и мыши в этом не уникальны. Как правило, чем больше организм, тем ниже интенсивность его обмена в пересчете на грамм массы тела.