Популярная анатомия. Строение и функции человеческого тела

Двуокись углерода и вода

Как я уже объяснял, кислород попадает в кровь через дыхательную систему, а пища – через пищеварительную. И то и другое переносится к отдельным клеткам организма с помощью системы кровообращения. Пища и кислород сочетаются в клетках, чтобы обеспечить организм энергией. Однако в этом процессе вещества, из которых состоит пища, и кислород не разрушаются. Что же касается организма, атомы, из которых состоят молекулы кислорода, и различные компоненты пищи постоянны. Они просто перестраиваются, создавая новые комбинации.

Молекулы углеводов и жиров состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Когда эти молекулы объединяются с дополнительными атомами кислорода (окисление), продуктами этого объединения являются углекислый газ (состоящий из атомов кислорода и углерода) и вода (состоящая из атомов кислорода и водорода). Молекулы белка гораздо более сложные по своей структуре. Они содержат не только атомы углерода, водорода и кислорода, но также многочисленные атомы азота плюс скопление атомов серы, фосфора, железа и так далее. Белки, таким образом, в сочетании с кислородом дают не только углекислый газ и воду, по и азотосодержащие смеси, а также вещества, в состав которых входят и другие упомянутые атомы.

На все эти продукты окисления можно смотреть как на аналоги отходов, в некотором смысле как на золу, оставшуюся после того, как огонь сжег все, что горит. Процесс избавления от отходов называется экскреция, или выделение (от греческого слова «отделять»), и органы, первично участвующие в экскреции отходов, составляют экскреторную (выделительную) систему.

Двуокись углерода – это газ (углекислый), и у всех животных он перерабатывается, как и кислород, с тем лишь исключением, что этот газ движется в обратном направлении. У животных достаточно простых, чтобы существовать за счет прямой диффузии кислорода из богатой кислородом окружающей среды в бедные им клетки, происходит обратная диффузия двуокиси углерода изнутри клетки, богатой этим газом, во внешнюю среду, бедную углекислым газом.

Более сложные организмы со специальными органами для поглощения кислорода и с системой кровообращения для транспорта кислорода используют те же самые приемы для экскреции двуокиси углерода. Таким образом, по мере того как клетки усваивают пищу и кислород, двуокись углерода, которая выделяется, диффундирует из клетки во внутритканевую жидкость и в конечном итоге в кровь. В определенном смысле кровь может перерабатывать двуокись углерода гораздо легче, чем кислород, поскольку углекислый газ растворим гораздо лучше. В то время как 100 кубических сантиметров воды при температуре тела растворят только 2,5 кубического сантиметра кислорода, углекислого газа в том же объеме растворится 53 кубических сантиметра. Кроме того, некоторая часть двуокиси углерода может свободно прикрепляться к участкам молекулы гемоглобина, которые не задействованы в транспорте кислорода.

Частично растворенный в воде, частично вступивший с ней в реакцию, образовав угольную кислоту, частично в соединении с гемоглобином, углекислый газ перемещается в конечном счете в капилляры, выстилающие альвеолы легких. Здесь, в то время как кислород попадает из альвеол в кровоток, углекислый газ попадает из кровотока в альвеолы. Вдыхаемый воздух содержит только 0,03 процента двуокиси углерода, выдыхаемый воздух – около 5 процентов углекислого газа.

Выделение воды – проблема гораздо более простая. На самом деле это вовсе не проблема, поскольку вода, выделяемая при окислении пищи, присоединяется к воде, которая и так составляет 60 процентов человеческого тела. Действительно, воду нельзя считать отходами жизнедеятельности, поскольку она абсолютно необходимый компонент живой ткани, и для любого существа, живущего на сухой земле, проблема состоит не в том, как избавиться от воды, а в том, как ее сохранить. Организм, к сожалению, не может не терять воду по множеству причин. Во-первых, альвеолы водопроницаемы и всегда влажные. Они должны быть влажными, потому что диффузия кислорода и двуокиси углерода может происходить только после того, как газы растворятся в водяной пленке, покрывающей альвеолы. Сухая альвеола не будет функционировать. Выдыхаемый воздух поэтому всегда насыщен водными парами, за исключением редких случаев, когда местная атмосфера сама по себе случайно бывает насыщена водяными парами, но в этом случае наш организм теряет воду с каждым вдохом. Кроме того, мы поддерживаем температуру нашего тела постоянной, несмотря на изменения температуры окружающей среды, во многом при помощи потоотделения. Это эффективная система кондиционирования воздуха, она может с большим размахом использовать воду, которая в этом случае потеряна для нас. В последнюю очередь вода нужна нам как растворитель, поскольку отходы возникают из белков, поэтому некоторое количество воды неизбежно теряется в процессе избавления от этих отходов.

Существуют некоторые животные, нашедшие способы сократить эти потери воды до такой степени, что воды, образующейся при окислении пищи, хватает для возмещения потерь. Такие животные (обычно адаптированные к жизни в пустыне) никогда не пьют, но прекрасно существуют на одной только пище, поскольку, прежде всего, пища в действительности никогда не бывает сухой. Растительность на 80–90 процентов состоит из воды, а в свежем мясе 70 процентов воды. Если уж на то пошло, хлеб по меньшей мере на 30 процентов состоит из воды, если он свежий, и даже столь сухой продукт, как сухие бобы, содержит более чем 10 процентов воды. Добавьте к этому воду, появляющуюся в результате окисления пищи, и вас не удивит, что некоторым пустынным животным никогда не приходится пить.

Человеческий организм, напротив, не может сохранить достаточно воды, чтобы одна только пища адекватно восполняла жидкость. Среднестатистический взрослый теряет до 2 литров жидкости в день через легкие, кожу и в виде мочи. (При рвоте, поносе, повышенном потоотделении в жаркие дни и во время непривычно тяжелой работы он может потерять и значительно больше.) По этой причине необходимо, чтобы взрослый человек выпивал около 2 литров воды ежедневно. Обычно это не составляет труда, при условии, что вода доступна. Когда потеря воды достигает 1 процента веса тела, человек испытывает чувство жажды и не нуждается в дополнительных стимулах, чтобы пить.

Жажда, на первый взгляд, возникает, когда пересыхает глотка, а слюноотделение частично приостанавливается из-за нехватки воды. Однако более глубокая причина состоит в повышении концентрации растворенных веществ в крови. Таким образом, простое смачивание рта и горла не устраняет симптомов жажды более чем на минуту. Но введение воды непосредственно в желудок устраняет жажду, хотя рот непосредственно не смачивается.

Жажда – состояние более неприятное, нежели голод, и переносится тяжелее. Это можно понять, поскольку среднестатистический хорошо питающийся человек имеет значительный пищевой запас на случай крайней необходимости, а запас воды значительно меньше. Если вода недоступна, человек приближается к состоянию коллапса, когда потеря воды переходит 5-процентную границу веса тела, и находится при смерти, когда потеря воды превышает 10 процентов веса тела. Эти показатели могут показаться более благоприятными по сравнению с показателями веса жира, который теряется во время голодания, но потеря воды происходит гораздо быстрее. Предел человеческой выносливости при жажде исчисляется днями, в то время как голодать человек может неделями. Вода при проглатывании попадает во внутренние органы довольно быстро и не менее быстро там всасывается, разжижая загустевшую кровь. Следовательно, жажда вскоре исчезнет, если попить.

А как обстоят дела с выделениями других отходов, помимо двуокиси углерода и воды, которые образуются при сочетании белков с кислородом? Как организм избавляется от использованных атомов азота, который вслед за углеродом, водородом и кислородом наиболее распространен в белковых молекулах? Может показаться, что логичным будет дать ему возможность образовать газ и, подобно двуокиси углерода, выделять через легкие. Увы, логика тут бессильна! Образование газообразного азота – процесс, требующий таких больших энергозатрат, на которые не способен ни один организм выше уровня некоторых бактерий. А если даже такой азот и образуется, он гораздо хуже растворим в воде, чем кислород, и его транспортировка в большом количестве кровотоком создаст большую проблему.

Альтернатива этому – образование аммиака в качестве продукта, сочетающего белок с кислородом. Аммиак, подобно азоту, газ (с молекулярной формулой, содержащей атомы азота и кислорода) и может образовываться с помощью процессов, которые не требуют энергетических затрат. Более того, он чрезвычайно легко растворяется в воде, и его перемещение кровотоком не вызывает никаких проблем. И на самом деле многие морские организмы выделяют азот в форме аммиака.

Однако для нас с вами есть одна проблема, и довольно серьезная. Аммиак чрезвычайно токсичен для всех форм жизни. Тысячной доли миллиграмма аммиака на литр крови достаточно, чтобы убить человека. Морские создания, которые выделяют аммиак, способны избавляться от него, поскольку в их распоряжении безбрежный океан, в котором можно топить газ по мере его образования. В океане аммиак образует раствор гораздо менее концентрированный, чем даже то крошечное количество, что губительно для жизни. И со временем концентрация аммиака в океане не повысится, поскольку в нем существуют микроорганизмы, которые используют аммиак, сочетая его с другими соединениями и строя из него белок.

Сухопутные существа с ограниченным запасом воды в организме не могут извлекать пользу из аммиака в качестве отхода. Многие организмы используют вместо него легкорастворимое твердое вещество, называемое мочевина. Молекула мочевины состоит из фрагментов двух молекул аммиака и молекулы двуокиси углерода. Использование ее в качестве отхода азота на пару процентов эффективнее, чем использование аммиака, потому что, с одной стороны, процесс образования мочевины требует энергетических затрат, с другой – мочевина гораздо менее токсична, чем аммиак, и это компенсирует небольшую потерю эффективности.

Мочевину можно довести до подходящей концентрации. 100 миллилитров крови будет содержать до 33 миллиграммов мочевины, что в сто тысяч раз превышает количество аммиака, которое будет смертельным. Следовательно, для того чтобы выделить дневной запас мочевины, потребуется сто тысячных количества воды, которое потребуется для выделения дневного запаса аммиака. Вполне водосберегающая технология.

Бросается в глаза перемена у амфибий, которые начало жизни проводят в водной среде, а затем ведут сухопутный образ жизни. Головастик имеет жабры и хвост, потом теряет и то и другое и обзаводится легкими и лапками. Эта перемена заметна и удивительна. От нашего взгляда скрыта, и другая перемена, столь же важная, перемена, без которой все другие изменения были бы бессмысленны в том, что касается выживания. Поскольку, в то время как головастик выделяет аммиак, взрослая лягушка выделяет мочевину.

Рептилии и птицы испытывают гораздо более острую нехватку воды, чем амфибии. Амфибии откладывают свою икру в воду, а рептилии и птицы откладывают яйца на сухой земле. Запас воды внутри яйца, который находится в распоряжении развивающегося зародыша, ограничен, и даже мочевина не будет служить средством избавления от азота. Мочевина относительно нетоксична, но далеко не безвредна – она смертельно опасна, если ее концентрация достаточно высока. Рептилии и птицы, следовательно, выделяют азот в форме мочевой кислоты. Это составляющая относительно сложной молекулы, состоящей из фрагментов четырех молекул аммиака и трех молекул двуокиси углерода (плюс несколько дополнительных атомов). Мочевая кислота совсем нерастворима, поэтому в крайних случаях, как в яйце, ее можно запрятать в излишки отходов организма без привязки к какому-либо значительному количеству воды.

У млекопитающих нехватка воды не столь острая. Развивающийся зародыш, для которого у птиц и рептилий нехватка воды – чрезвычайно насущная проблема, остается у млекопитающих среди богатых водой тканей матери. По этой причине мочевина подходит в качестве формы выделения азота, и человек, подобно другим млекопитающим, выделяет мочевину.

Выделительная система

Мочевина конечно же не может оставаться в крови. Она должна каким-то образом попадать во внешний мир. У многих нехордовых, а также у некоторых примитивных хордовых это делается посредством отдельных микроскопических трубочек, где вода фильтруется из плазмы. Отходы, сопровождающие воду, направляются через трубочки к поверхности тела и выбрасываются в водную окружающую среду. У позвоночных количество этих трубочек возросло до неимоверного количества, и они срослись в пару специальных органов, называемых почками.

У человека почки расположены у задней стенки брюшной полости, но выше, чем полагает большинство людей. Если попросить среднестатистического человека показать, где у него располагаются почки, он, по всей видимости, укажет на поясницу. В действительности почки находятся чуть ниже диафрагмы, напротив нижних ребер и позади печени и желудка. Правая почка, которая теснится над печенью, обычно расположена чуть ниже, чем левая. Характерно, что человеческая почка – орган темно-красного цвета, длиной 4–5 дюймов, шириной 2–3 дюйма и толщиной 1–2 дюйма. Она весит около 0,5 фунта и имеет бобовидную форму. Почки расположены вне брюшины, но поддерживаются в неподвижном состоянии на месте соединительной тканью и подушкой из жира. Они состоят из внешнего кортекса (коры) (от латинского слова «кора», используемого по аналогии с корой дерева как внешней оболочки) и внутреннего мозгового слоя почки, или медуллы (от латинского слова «мозг», которое используется по аналогии с костным мозгом для обозначения внутренней части объектов).

Почка состоит из множества фильтровальных трубочек, или нефронов (от греческого слова «нефрос» – почка). Они также называются выводящими мочу канальцами. В каждой почке приблизительно миллион нефронов, и это количество значительно превышает то число, которое нам необходимо. Человек в состоянии перенести потерю множества нефронов при болезни или даже удаление одной почки целиком и при этом вести нормальную жизнь.

Кровь поступает в почки непосредственно из аорты через короткие и толстые почечные артерии. О важности почек говорит тот факт, что в любой момент почти четверть всего количества крови может проходить через них; через 1 фунт обеих почек проходит столько же крови, сколько проходит почти через 100 фунтов мускульной массы тела. Почечная артерия разделяется на многочисленные артериолы (кровеносные сосуды, которыми заканчивается ветвление артерий), каждая из которых по всей своей длине разветвляется далее на множество извитых и переплетающихся капилляров, образующих крошечный клубочек. Затем они снова образуют артериолу, которая далее разделяется на капилляры как обычно. Эти последние капилляры питают почечную ткань.

Отрезок артериолы перед этим клубочком капилляров называется афферентная (приносящая) артериола (от латинского «несущий вперед»), а отрезок за ним – эфферентная (выносящая) артериола (от латинского слова «уносящий»). Сам клубочек капилляров называется glomerulus (что по-латыни означает «клубочек шерсти», на который он и походит). Кровь выходит из почек через почечную вену к нижней полой вене.

Кровь, проходящая из артериолы к клубочку, неожиданно сталкивается с тем, что общая площадь поперечного сечения сосудов сильно увеличилась и, следовательно, скорость потока замедлилась. Для воды, ионов и маленьких растворимых молекул, таких, как моча, достаточно времени, чтобы диффундировать из клубочка в участок нефрона, который окружает клубочек капилляров подобно сжимающейся ладони. Этот замкнутый участок называется капсула Боумена в честь сэра Уильяма Боумена, английского хирурга, который первым ее описал.

Совершенно необходимо, чтобы кровь непрестанно фильтровалась таким образом; действительно, это настолько необходимо, что почки имеют собственное устройство для поддержания потока крови, проходящего через них с надлежащей скоростью. Если по какой-то причине кровяное давление падает до такой степени, что поток крови, проходящий через почку, убывает и становится ниже нормального предела, почка стимулируется и продуцирует вещество, называемое ренин, которое выбрасывается в кровь. Он, в свою очередь, стимулирует сокращение артериол, снижая объем кровеносной системы и повышая кровяное давление до безопасного уровня. Там, где поток крови через почки перекрывается по причинам иным, чем низкое кровяное давление, – таким, например, как аномальное утолщение стенок почечной артерии, – почкибудут вызывать более или менее постоянное повышение кровяного давления, чтобы справиться с этим.

В трудолюбивой почке иногда возникает воспалительный процесс из-за бактериальной инфекции или других причин. Он называется нефрит (от греческого «воспаление почки»). Когда ткань почки подвергается перерождению или разрушению без воспаления, заболевание называют нефроз. Ввиду важности почек обе болезни могут быть чрезвычайно опасными. Иногда оба заболевания называют болезнь Брайта в честь английского патолога Ричарда Брайта, который впервые систематизировал их симптомы.

Жидкость, которая диффундирует из клубочка в капсулу Боумена, в этот момент покидает организм и проходит через группу трубочек, выделяющих ее во внешнюю среду. Однако работа почек этим не ограничивается; действительно важный этап еще и не начинался. То, что попадает в капсулу Боумена, – это почти сплошь нитраты плазмы. Здесь содержится не только моча, которую желательно вывести из организма, но также большое количество воды, плюс полезные ионы, плюс глюкоза, плюс множество других веществ, избавляться от которых нежелательно.

От капсулы Боумена отходит извитой каналец – несколько изогнутая трубочка, где вещества, присутствие которых желательно, вновь абсорбируются. К тому времени, как жидкость проходит через этот каналец, она становится относительно сконцентрированным раствором, несущим только отходы.

У животных, живущих в пресной воде и, следовательно, не испытывающих нехватки жидкости, как в случае с лягушкой, извитой каналец сравнительно короткий, а повторная абсорбция воды умеренная. Удаляемая жидкость сильно разведена водой. У наземных животных, таких, как человек, повторная абсорбция воды должна быть более интенсивной, поскольку воду нельзя расходовать зря. Поэтому у человека извитой каналец разделен на две части: ведущую из капсулы Боумена – это проксимальный извитой каналец – и более отдаленную часть – дистальный извитой каналец. Между этими двумя частями находится соединяющий их длинный, прямой и особенно узкий отрезок, который изгибается, подобно шпильке для волос. Это – петля Генле, названная в честь немецкого анатома Фридриха Генле, который первым описал ее.

За счет этой дополнительной длины канальца увеличивается эффективность повторной абсорбции воды и делается регулируемой. У человека около 80 процентов воды и ионов, которые выходят из капсулы Боумена, повторно абсорбируются в проксимальном извитом канальце. Такова минимальная повторная абсорбция воды, и, если человек потребляет много жидкости, дополнительное ее количество абсорбируется в петле Генле. Жидкость, выделяемая в конце концов, довольно сильно разведена водой. Однако при обычных обстоятельствах значительно больше абсорбируется в петле Генле. Чем сильнее обезвоживание человека, тем сильнее (до определенного предела) повторная абсорбция.

Из клубочка каждую минуту фильтруется 120 кубических сантиметров жидкости. Это составляет до 50 галлонов в день, но 99 процентов жидкости повторно абсорбируется через извитой каналец и петлю Генле. Эту способность повторно абсорбировать воду регулирует гормон, вырабатываемый питуитарной железой, небольшим органом у основания мозга. У некоторых индивидуумов выработка этого гормона сокращена, точно так же сокращается и способность к повторной абсорбции воды. Жидкость, выделяемая почкой (моча), следовательно, и обильна, и разведена водой.

Болезнь, характеризующаяся ненормальным количеством мочи, или полиурией (от греческого «много мочи»), называется диабет (что по-гречески означает «сифон»), потому что создается такое впечатление, что вода вливается в организм с одного конца и вскоре выходит из другого, как через сифон. Именно эта разновидность заболевания и есть несахарный диабет (diabetes insipidus) (от латинского слова «безвкусный»), поскольку сильно разбавленная и водянистая моча действительно безвкусна по сравнению с мочой больных другой формой диабета, которая имеет сладковатый вкус. Человек, больной несахарным диабетом, непременно должен компенсировать потерянную воду, и, следовательно, его мучает непрекращающаяся жажда.

Почки утрачивают способность повторно абсорбировать воду при болезни Брайта. Эту способность можно компенсировать частым питьем, как при несахарном диабете. Однако сбой в функционировании почек может прогрессировать до состояния, когда мочевина не сможет эффективно фильтроваться в первую очередь из кровотока. Концентрация мочевины в крови повышается, наступает состояние, называемое уремия (по-гречески «моча в крови»), и в результате наступает смерть.

Но вернемся к канальцам. В конце концов, миновав два отрезка извитого канальца и петлю Генле между ними, жидкость входит в собирательную трубочку, которая в действительности всего лишь канал для отходов, куда впадают многочисленные извитые канальцы. Жидкость теперь уместно считать мочой, или уриной (от греческого слова неизвестного происхождения). Составляющие мочи мочевина и мочевая кислота названы так потому, что впервые были обнаружены в моче. Отдельные трубочки почки – микроскопические, но не короткие, поскольку, если их распрямить, имеют длину 1 дюйм или даже больше. Длина всех трубочек в обеих почках достигнет около 40 миль. И хотя каждая собирательная трубочка получает сущий пустяк общего количества мочи – отдельному нефрону потребуется два года, чтобы переправить 1 кубический сантиметр мочи, – но все они, работая сообща, переправляют около 1 кубического сантиметра мочи каждую минуту.

Трубочки собираются в несколько большие протоки до тех пор, пока в итоге не сольются в почечную лоханку – внутреннее пространство почки. Почечная лоханка сужается в трубку длиной 10–12 дюймов, называемую мочеточник, который ведет вниз вдоль задней стенки брюшной полости. Сразу перед нижним отделом кишечника два мочеточника, по одному из каждой почки, входят в мешок с мускульными стенками – мочевой пузырь. Мочевой пузырь служит хранилищем мочи. Хотя почки образуют жидкость непрерывно, нам не нужно постоянно удалять ее, мы можем делать это с перерывами, когда нам удобно. Мышцы мочевого пузыря медленно расслабляются по мере попадания в него мочи до тех пор, пока он не увеличится в объеме, напоминая шар, выпячивающийся в брюшную полость. При максимальном расширении он может вместить более 0,5 литра мочи.

Мочеточники входят в мочевой пузырь рядом с его дном. На самом дне мочевого пузыря находится более толстая трубка, уретра, или мочеиспускательный канал. Через уретру моча выводится во внешний мир. Уретра значительно различается по длине у женщин и мужчин. У женщин ее длина не превышает 1,5 дюйма. У мужчин она имеет длину почти 8 дюймов и проходит вдоль всего пениса. У мужчин рядом с уретрой находится предстательная железа, или простата, о которой я расскажу позже.

Выход из мочевого пузыря в уретру закрыт парой сфинктеров; по этой причине при обычных обстоятельствах моча не покидает мочевого пузыря. Однако по мере наполнения мочевого пузыря наступает момент, когда мускульная стенка начинает ритмически сокращаться, увеличивая давление жидкости на основание уретры, что дает человеку ощущение позыва к мочеиспусканию. Это происходит с возрастающей безотлагательностью до тех пор, пока не происходит мочеиспускания.

У младенцев это ритмическое сокращение вызывает рефлекс, который расслабляет сфинктер уретры и ведет непосредственно к мочеиспусканию. По мере взросления ребенок обычно учится (при более или менее принудительном ободрении родителей) контролировать этот рефлекс. Труднее всего делать это конечно же во сне, и ребенок может мочиться в постели до тех пор, пока не приучится проситься на горшок. В некоторых случаях непроизвольное мочеиспускание в постели может продолжаться вплоть до подросткового возраста и бывает даже у взрослых.

Мочевой пузырь может воспаляться от бактериальной инфекции, такое состояние называется цистит (от греческого «воспаление мочевого пузыря»). Оно иногда связано с воспалением почки, но именно на воспаление мочевого пузыря пострадавший скорее обратит внимание, поскольку его самым заметным симптомом является болезненное мочеиспускание.

Моча

В день образуется и выводится приблизительно 1,5 литра мочи. Это – жидкость янтарного цвета, со специфическим запахом, не слишком раздражающим, когда моча свежая. Начнем с того, что она не содержит бактерий (конечно, при отсутствии инфекции в мочевом пузыре или почках), но, если ее оставить на открытом воздухе, бактерии наводнят ее, и последующее гниение вызовет неприятный зловонный запах.

Благодаря повторному абсорбированию воды в канальцах, моча находится в относительно концентрированном состоянии, но в лучшем случае все-таки почти на 95 процентов состоит из воды. Выделительной системе человека не по силам снизить содержание воды еще больше; и поскольку отходы должны быть удалены, пока жизнь продолжается, моча продолжает истощать водные запасы организма, даже если человек испытывает сильнейшую жажду. Именно по этой причине человек, оказавшийся в лодке в океане, не может удержаться от того, чтобы не напиться морской воды. Соль, содержащаяся в морской воде, должна выводиться, а это требует гораздо больше воды, чем ее было в составе выпитой морской воды. В результате – обезвоживание организма и быстрая смерть. (Морская вода содержит около 3,5 процента соли и других неорганических составляющих. Моча содержит их около 1 процента, поэтому за каждый миллилитр морской воды человек должен поплатиться 3 миллилитрами мочи – проигрышный вариант.)

Основные твердые вещества, растворенные в моче, конечно, неорганические, но мочевина – вещество органическое; и именно концентрация мочевины в моче доходит до 5-процентной отметки. Фактическое количество мочевины, выделяемой за день, зависит от количества белков в рационе, поскольку именно из белка получается мочевина. При хорошем, богатом белками рационе ежедневно может выделяться более 40 граммов мочевины.

Выделяются также и небольшие количества других азотосодержаших составляющих. К примеру, мочевая кислота. Мы, в отличие от птиц и рептилий, не образуем ее из белков, но тем не менее образуем из других строительных блоков нуклеиновых кислот (основных составляющих, обнаруживаемых во всех клетках). Также креатин (от греческого слова «мышца») и креатинин в небольшом количестве образуются при распаде белков; в частности, как следует из названия, из мышечного белка. Немного аммиака образуется в процессе образования мочи. Кроме того, есть различные неорганические ионы, продукты распада гормонов, продукты, образуемые печенью из чужеродных молекул, и так далее.

Моча служит не только хранилищем отходов, но также регулятором концентрации многих составляющих организма. Любое вещество, обычно полезное, которое присутствует в избытке, вполне вероятно, находит себе путь из организма через мочу. Однако, когда выработка того же самого вещества недостаточна, потери его с мочой снижаются, в некоторых случаях, почти до нуля. Самым наглядным примером этого может служить сдвиг в нормальной выработке гормона, называемого инсулин. Этот гормон, вырабатываемый поджелудочной железой, необходим для правильного распада глюкозы в организме. При недостатке инсулина накапливаются не соответствующие норме продукты распада, называемые кетоновыми телами.

Кетоновые тела довольно опасны, поскольку при превышении определенной минимальной концентрации они повышают кислотность крови до такой степени, что больной впадает в кому и умирает. Если болезнь не лечить, это в конце концов неизбежно, но почки откладывают роковой день, удаляя все кетоновые тела, какие только в состоянии удалить. Для этой цели объем мочи возрастает сверх нормы, поэтому такая болезнь является разновидностью диабета (но полиурия в этом случае не столь сильная, как при несахарном диабете). Человек с запущенным и нелеченым случаем этой болезни, естественно, испытывает чрезмерную жажду и также чрезмерный голод, поскольку, хотя и принимает пищу, его организм неэффективно ее использует. Несмотря на то что хорошо питается, он непременно теряет вес.

Неэффективный способ, которым такой человек извлекает пользу из пищи, критически проиллюстрирован участью глюкозы, содержащейся в его организме. Жидкость, выходящая из клубочка, конечно, всегда содержит глюкозу, но в процессе ее прохождения через каналец вся глюкоза повторно абсорбируется так, что нормальная моча не содержит глюкозы. Однако при этой форме диабета концентрация глюкозы в крови возрастает до высокого уровня, и канальцам становится все труднее и труднее повторно абсорбировать ее. Наконец наступает момент, когда повторная абсорбция осуществляется не полностью. Тогда говорят, что концентрация глюкозы поднялась выше почечного порога, и она появляется в моче. Присутствие формы сахара в крови, как оказалось, было открыто в древние времена, когда было замечено, что такая моча привлекает мух. Тщательные анализы должны показать присутствие сахара в моче, и такая болезнь, следовательно, называется сахарный диабет – по-латыни diabetes mellitus (что значит «мед»). Сахарный диабет – болезнь гораздо опаснее и встречается гораздо чаще, чем несахарный диабет. Когда говорят «диабет», обычно подразумевают сахарный диабет.

То, что с мочой выбрасываются полезные пищевые продукты, – а это малоэффективно, – не проходит без компенсации. Если позволить концентрации глюкозы в крови повышаться бесконтрольно, то вязкость крови возрастет так, что циркуляция ее нарушится, что приведет к фатальному результату. Удаление глюкозы из организма – вещь расточительная, но продлевает жизнь.

С точки зрения диагностики ценность глюкозы в моче в том, что ее присутствие может быть легко обнаружено с помощью анализа, и это верный признак основательно запущенного диабета. Эта болезнь сейчас лечится инъекциями инсулина, получаемого от домашних животных, убиваемых в пищу, и диагностировать диабет лучше как можно раньше, до того, как глюкоза появляется в моче. Это делается с помощью анализов крови.

Присутствие других несвойственных составляющих в моче также может служить показателем химических нарушений обмена в организме; эти нарушения, к счастью, не столь серьезны, как диабет. Иногда аминокислоты, строительные блоки белка, появляются в моче в превышающем норму количестве; иногда появляются определенные продукты распада. Есть, к примеру, вещество, называемое гомогентизиновая кислота, которая появляется в моче некоторых людей, от рождения лишенных способности надлежащим образом расщеплять аминокислоту тирозин. Моча, содержащая гомогентизиновую кислоту, будет при определенных условиях через некоторое время приобретать черный цвет, но, несмотря на этот потрясающий факт, болезнь эта ни в коей мере не считается серьезной.

Принцип действия почек основан на том, что все отходы, которые должны быть устранены, могут вымываться из организма потоком воды. Естественно предположить, что эти отходы растворимы в воде. К сожалению, это не совсем так. Некоторые вещества, выводимые из организма с помощью почек, не всегда растворимы в воде. К примеру, мочевая кислота. Хотя человек выводит ее из организма в небольших количествах, в моче она совершенно нерастворима. Другие млекопитающие разлагают мочевую кислоту на лучше растворимые составляющие, но приматы, включая человека, не обладают такой способностью. И опять же, некоторые неорганические ионы, обычно присутствующие в моче, могут соединяться и образовывать нерастворимые субстанции, такие, как фосфорнокислый кальций и оксалат кальция.

Тогда вопрос состоит в следующем: как выводятся эти нерастворимые вещества? Ответ состоит в том, что даже твердые вещества могут уноситься потоком воды, если присутствуют в виде достаточно небольших частиц. В моче часто содержатся микроскопические кристаллы твердого вещества, которые моча увлекает без особого труда. Эти кристаллы не имеет особой тенденции к агрегации (слипанию в единое целое) в обычном состоянии. Причины тому точно не установлены, но вполне приемлемо предположить, что отдельный крошечный кристалл покрыт тонким слоем какого-либо защитного вещества, такого, как белок мукополисахарид, который удерживает их от агрегации, даже когда они приходят в контакт друг с другом. У некоторых людей это защитное устройство не срабатывает, и тогда возникает тенденция к слипанию кристаллов в почечные камни или мочевые конкременты. Они легко становятся слишком большими, чтобы проходить через мочеточник. В некоторых случаях камни из фосфорнокислого кальция (которые растут быстро) могут заполнить почечную лоханку. Камни из оксалата кальция, которые растут гораздо медленнее, зазубренные и неправильной формы, вызывают интенсивную боль (подобно во много раз усиленной и непрекращающейся боли в желудке), когда застревают в мочеточнике. Боль от почечных камней иногда называется почечная колика из-за этого сходства с кишечными болями, хотя не имеет никакого отношения к кишечнику.

Органические вещества также могут, хотя гораздо реже, образовывать камни. Аминокислотный цистин – это обычный компонент белков и наименее растворимая из аминокислот. Он иногда экскретируется в небольших количествах в моче и может собираться, образовывая камень в мочевом пузыре. Действительно, цистин был впервые выделен из такого камня в мочевом пузыре, и его название происходит от греческого слова, обозначающего мочевой пузырь.

Мочевая кислота также может образовывать камни, и здесь возникает новая опасность. Иногда мочевая кислота откладывается в суставах конечностей, особенно большого пальца ноги, отчего возникает чрезвычайно болезненное заболевание – подагра. Подагра была более распространена в прошлом, нежели теперь, отчасти из-за того, что состояния, которые прежде диагностировались как подагра, теперь диагностируются как некая форма артрита.