Ciało człowieka

Ciało w pigułce

Stań prosto, patrz przed siebie, opuść ręce wzdłuż tułowia i odwróć dłonie do przodu: oto pozycja anatomiczna, punkt odniesienia dla każdego anatoma. Z niej pochodzą słowa, dzięki którym da się czytać mapę ciała: przedni i tylny, górny (bliżej głowy) i dolny (bliżej stóp), przyśrodkowy (bliżej linii pośrodkowej) i boczny (dalej od niej). Wyobrażona pionowa płaszczyzna przechodząca przez nos i pępek, płaszczyzna strzałkowa, dzieli ciało na prawą i lewą połowę, które wyglądają jak lustrzane odbicia. „Lewa strona” zawsze oznacza lewą stronę samego ciała, dlatego na rysunku osoby zwróconej do nas twarzą jej serce znajduje się po naszej prawej.

Z zewnątrz symetria jest przekonująca. W środku już nie. Wątroba, największy narząd wewnętrzny, ważąca około 1,5 kilograma, leży głównie po prawej stronie pod żebrami; żołądek i śledziona są po lewej; lewe płuco ma dwa płaty, a prawe trzy, co zostawia miejsce na serce. Mniej więcej jedna osoba na 10 000 ma situs inversus, całkowicie lustrzane ułożenie narządów, i bywa, że dowiaduje się o tym dopiero przy badaniu obrazowym.

Narządy są upakowane w chronionych przedziałach, czyli jamach ciała. Czaszka mieści mózgowie, od 1,3 do 1,4 kilograma tkanki, która zużywa około jednej piątej energii ciała w spoczynku. Jama klatki piersiowej, osłonięta 24 żebrami, zawiera serce i płuca. Kopuła mięśnia, przepona, oddziela ją od jamy brzusznej, w której leżą żołądek, wątroba, jelita i nerki, a która przechodzi w jamę miednicy z pęcherzem moczowym i narządami rozrodczymi.

Czy wiesz, że serce leży niemal pośrodku klatki piersiowej, za mostkiem, a w lewo odchyla się tylko jego koniuszek, i właśnie tam czujemy bicie?

Inwentarz robi wrażenie: 206 kości u typowego dorosłego, ponad 600 mięśni szkieletowych, około pięciu litrów krwi i skóra o powierzchni od 1,5 do 2 metrów kwadratowych. Woda stanowi około 60 procent masy ciała dorosłego mężczyzny, nieco mniej u kobiet, które przeciętnie mają więcej tkanki tłuszczowej.

Tę mapę narysowano zaskakująco późno. Przez mniej więcej 1300 lat medycyna europejska opierała się na Galenie, greckim lekarzu działającym w Rzymie, który sekcjonował głównie zwierzęta, takie jak świnie i małpy. W 1543 roku Andreas Vesalius, czyli Andrzej Wezaliusz, wydał dzieło De humani corporis fabrica, oparte na sekcjach ludzkich zwłok, i poprawił wiele błędów Galena, od płatów wątroby po żuchwę, która u człowieka jest pojedynczą kością. Mapa wciąż przydaje się każdego dnia: chirurdzy orientują się według punktów na powierzchni ciała, a ból przy zapaleniu wyrostka robaczkowego zwykle zaczyna się w okolicy pępka, by potem przenieść się w prawy dół brzucha. Ciało jest dobrze zorganizowanym budynkiem, a wiedza o tym, gdzie są pokoje, to pierwszy krok do zrozumienia, jak działa.

Trzydzieści siedem bilionów komórek

Policzenie komórek w ludzkim ciele brzmi jak zadanie niewykonalne i w dosłownym sensie nikt go nie wykonał. Naukowcy szacują je narząd po narządzie, mnożąc objętość każdej tkanki przez typową wielkość lub gęstość jej komórek. W 2013 roku zespół kierowany przez Evę Bianconi doszedł do około 37 bilionów u przeciętnego dorosłego. Poprawione szacunki z 2016 roku, autorstwa Rona Sendera, Shaia Fuchsa i Rona Milo, oparte na modelowym mężczyźnie ważącym 70 kilogramów, mówią o około 30 bilionach. Tak czy inaczej, to kilka tysięcy razy więcej, niż jest ludzi na Ziemi.

Zaskakuje to, jak nierówno komórki są rozdzielone. Mniej więcej pięć na sześć to czerwone krwinki, maleńkie krążki o średnicy zaledwie 7–8 mikrometrów (mikrometr to tysięczna część milimetra). Są tak małe i tak liczne, że dominują w spisie, choć stanowią tylko kilka procent masy ciała. Dalej idą płytki krwi, fragmenty komórek, które łatają przecieki; jest ich około 1,5 biliona. Osiemdziesiąt sześć miliardów neuronów mózgu, mimo całej swojej wagi, to w tym spisie zaledwie błąd zaokrąglenia. Pod względem masy obraz się odwraca: komórki mięśniowe i tłuszczowe, nieliczne, ale duże, stanowią większość masy komórkowej ciała.

Rozmiary są bardzo różne. Ludzka komórka jajowa, o średnicy około 0,1 milimetra, jest największą komórką i ledwie widać ją gołym okiem; główka plemnika ma około 5 mikrometrów długości. Neuron ruchowy poruszający dużym palcem stopy ma ciało komórkowe w dolnym odcinku rdzenia kręgowego i jedno włókno, akson, które u wysokiego dorosłego może mieć blisko metr.

Czy wiesz, że w ciele żyje mniej więcej tyle bakterii, ile jest komórek ludzkich, około 38 bilionów, głównie w okrężnicy, a dawne twierdzenie, że drobnoustroje przewyższają nas liczebnie dziesięciokrotnie, opierało się na zgrubnym szacunku z lat 70.?

Komórki są też nieustannie wymieniane. Według nowszych szacunków każdego dnia odnawia się około 330 miliardów komórek, mniej więcej 1 procent wszystkich, w ogromnej większości komórki krwi i nabłonka jelit. Czerwona krwinka żyje około 120 dni, a komórki na powierzchni jelita cienkiego zaledwie kilka dni. Inne zostają z nami na całe życie, między innymi większość neuronów kory mózgowej i włókna w samym środku soczewki oka.

Idea, że organizmy zbudowane są z komórek, jest młodsza niż teleskop. Robert Hooke ukuł słowo komórka w 1665 roku, gdy pod mikroskopem zobaczył drobne przegródki korka. W latach 1838–1839 Matthias Schleiden i Theodor Schwann ogłosili, że wszystkie rośliny i zwierzęta składają się z komórek, a Rudolf Virchow spopularyzował później zasadę, że każda komórka pochodzi od innej komórki. Gdy ten uporządkowany podział się psuje, a komórki mnożą się bez hamulców, powstaje nowotwór. Tymczasem jedna kropla krwi o objętości mikrolitra zawiera około pięciu milionów czerwonych krwinek: ludność małego kraju w punkcie, który można zetrzeć opuszkiem palca.

Wnętrze komórki

Typowa komórka człowieka ma średnicę od 10 do 30 mikrometrów, więc kilkadziesiąt takich komórek zmieściłoby się obok siebie w kropce na końcu tego zdania. W środku nie przypomina worka galarety, lecz ruchliwą fabrykę. Jej zewnętrzną ścianą jest błona komórkowa, podwójna warstwa tłuszczowych cząsteczek zwanych fosfolipidami, gruba zaledwie na 7–10 nanometrów i nabita białkami, które działają jak bramy, pompy i odbiorniki. Wszystko, co znajduje się w jej obrębie poza jądrem, to cytoplazma, zatłoczony, wodnisty żel, w którym zawieszone są części robocze komórki, czyli organelle.

Jądro jest centralą. Przechowuje DNA za podwójną błoną przebitą tysiącami porów i zawiera gęsty obszar, jąderko, w którym montowane są części rybosomów. Instrukcje opuszczają jądro w postaci cząsteczek przekaźnikowych; samo DNA zostaje w domu.

Produkcja odbywa się na rybosomach, maszynach molekularnych, które budują białka. Wiele z nich siedzi na szorstkiej siateczce śródplazmatycznej, labiryncie pofałdowanych błon, gdzie nowe białka są wprowadzane i zwijane. Małe pęcherzyki przenoszą je dalej do aparatu Golgiego, stosu spłaszczonych woreczków, który przycina białka, opatruje je etykietami i sortuje do użytku w komórce albo na eksport. Odpady trafiają do lizosomów, woreczków z enzymami trawiennymi działającymi przy kwasowości około pH 5, które rozkładają zużyte części i schwytanych intruzów. Całość trzyma w kształcie cytoszkielet, rusztowanie z białkowych włókien, które służy też jako tory, po których białka motoryczne ciągną ładunki.

Energię dostarczają mitochondria, organelle w kształcie fasolki, które łączą tlen z paliwem z pożywienia, wytwarzając ATP, energetyczną walutę komórki. Komórka wątroby może ich mieć tysiąc lub więcej. Mitochondria mają własną małą pętlę DNA z 37 genami, dziedziczoną niemal wyłącznie po matce. To wskazówka co do ich pochodzenia: uważa się, że wywodzą się od bakterii pochłoniętych przez komórkę przodka ponad miliard lat temu, a ideę tę od 1967 roku propagowała Lynn Margulis.

Czy wiesz, że dojrzałe czerwone krwinki pozbywają się jądra i nie mają mitochondriów, więc nie zużywają ani odrobiny tlenu, który przenoszą?

Większość tego świata pozostawała niewidoczna aż do wynalezienia mikroskopu elektronowego. Camillo Golgi dostrzegł swój aparat w 1898 roku dzięki barwieniu srebrem, ale niektórzy wątpili w jego istnienie, dopóki sprawy nie rozstrzygnęły zdjęcia elektronowe z lat 50. Albert Claude, Christian de Duve i George Palade, którzy opisali szlak wydzielniczy komórki i odkryli lizosomy, podzielili się Nagrodą Nobla w 1974 roku. Gdy zawodzi jedna część, skutki są bardzo konkretne: w chorobie Taya-Sachsa brak jednego enzymu lizosomalnego sprawia, że w komórkach nerwowych gromadzi się tłuszczowa substancja. Lepsza wiadomość jest taka, że trening wytrzymałościowy skłania komórki mięśniowe do budowania większej liczby mitochondriów, co jest jednym z powodów, dla których kondycja rośnie z ćwiczeniami. Każda z twoich komórek to fabryka, która nigdy nie zamyka bram.

DNA: instrukcja obsługi

Niemal każda komórka twojego ciała nosi pełną kopię instrukcji, według których powstałeś. Zapisane są w DNA, kwasie deoksyrybonukleinowym, długiej cząsteczce w kształcie skręconej drabiny, czyli podwójnej helisy. Każda poręcz to łańcuch cukrów i fosforanów, a każdy szczebel to para chemicznych liter, czyli zasad. Są cztery: adenina, tymina, cytozyna i guanina, a łączą się w pary według ścisłej reguły, A z T i C z G. Ponieważ jedna nić wyznacza drugą, cząsteczka ma wbudowany szablon do własnego kopiowania.

Pełny zestaw ludzkich instrukcji, genom, liczy około 3,1 miliarda par zasad, a większość komórek ma dwa zestawy, po jednym od każdego z rodziców, rozdzielone między 46 chromosomów tworzących 23 pary. Rozciągnięte DNA jednej komórki miałoby około 2 metrów długości, a mimo to mieści się w jądrze o średnicy mniej więcej 6 mikrometrów. Udaje się to dzięki nawinięciu na szpulki z białek zwanych histonami; powstają nukleosomy, jak koraliki na sznurku, które dalej fałdują się i tworzą pętle gęstej chromatyny. Sama helisa ma zaledwie około 2 nanometrów szerokości.

Gen to odcinek DNA niosący przepis na białko lub na czynną cząsteczkę RNA. Człowiek ma około 20 000 genów kodujących białka, znacznie mniej, niż oczekiwało wielu naukowców, i mniej więcej tyle, co maleńki nicień. Części kodujące białka stanowią tylko 1–2 procent genomu; duża część reszty pomaga decydować, kiedy i gdzie geny się włączają, a część nie ma znanej funkcji.

Czy wiesz, że dowolne dwie osoby mają wspólne około 99,9 procent sekwencji DNA, a mimo to pozostałe 0,1 procent to wciąż miliony liter?

Droga do helisy była długa. W 1869 roku Friedrich Miescher wyodrębnił z zaropiałych bandaży substancję, którą nazwał „nukleiną”. W 1952 roku Rosalind Franklin i jej student Raymond Gosling uzyskali zdjęcie rentgenowskie, słynną Fotografię 51, ujawniające helikalny wzór. Korzystając między innymi z jej danych, James Watson i Francis Crick opublikowali w 1953 roku model podwójnej helisy, zauważając ze słynnym niedopowiedzeniem, że takie parowanie od razu sugeruje możliwy mechanizm kopiowania materiału genetycznego. Projekt poznania ludzkiego genomu ogłosił w 2003 roku, że sekwencja jest w zasadzie kompletna, a ostatnie uparte luki zamknięto w 2022 roku.

Przy każdym podziale komórka kopiuje wszystkie mniej więcej sześć miliardów liter, a enzymy korekcyjne ograniczają błędy do około jednego na miliard. Jedna zła litera może jednak mieć znaczenie: anemia sierpowata wynika z pojedynczej zmiany w genie części hemoglobiny, przez którą czerwone krwinki sztywnieją i wyginają się. Większość zmian jest jednak nieszkodliwa i stanowi surowiec indywidualności. To niemal doskonałe kopiowanie sprawia, że dziecko może odziedziczyć podbródek po babci: instrukcja przechodzi z pokolenia na pokolenie, strona po stronie, z zadziwiająco nielicznymi literówkami.

Białka: robotnicy organizmu

Jeśli DNA jest instrukcją obsługi, to białka są siłą roboczą. Przenoszą tlen, trawią pokarm, kurczą mięśnie, budują włosy, kopiują DNA, zwalczają zakażenia i przekazują wiadomości między komórkami. Po wodzie stanowią największą część masy komórki, a organizm wytwarza ich wiele tysięcy rodzajów.

Każde białko to łańcuch cegiełek zwanych aminokwasami, których organizm używa dwudziestu. Produkcja przebiega w dwóch etapach. Najpierw w jądrze enzym zwany polimerazą RNA przepisuje gen na ruchomą kopię roboczą, informacyjny RNA, czyli mRNA; to transkrypcja. Przekaźnik wymyka się przez por jądrowy do cytoplazmy, gdzie rybosom chwyta go i odczytuje po trzy litery naraz. Każda trójka, czyli kodon, oznacza jeden aminokwas, dostarczany przez pasującą cząsteczkę adaptorową, transportujący RNA. Rybosom łączy aminokwasy jeden po drugim, w komórkach człowieka z szybkością kilku na sekundę, aż natrafi na kodon stop. To translacja. Przy czterech literach czytanych trójkami istnieją 64 kodony, aż nadto dla dwudziestu aminokwasów oraz sygnałów startu i stopu.

Łańcuch nie jest jeszcze działającym białkiem. Musi się zwinąć, zwykle w znacznie krócej niż sekundę, w precyzyjny trójwymiarowy kształt. Niektóre odcinki skręcają się w spirale zwane helisami alfa, inne układają się w płaskie harmonijki beta, a całość pakuje się w zwartą formę. Niektóre białka łączą się potem w zespoły. Hemoglobina, która przenosi tlen w czerwonych krwinkach, składa się z czterech łańcuchów liczących razem 574 aminokwasy, a każdy z nich obejmuje grupę hemową zawierającą żelazo. Kształt to funkcja: kieszeń enzymu pasuje do celu jak zamek do klucza.

Czy wiesz, że największe znane białko człowieka, tytyna, która działa w mięśniach jak molekularna sprężyna, może liczyć ponad 34 000 aminokwasów?

Białka bardzo różnią się wielkością i rolą. Insulina ma zaledwie 51 aminokwasów; Frederick Sanger ustalił jej pełną sekwencję do 1955 roku, było to pierwsze w historii zsekwencjonowane białko, za co otrzymał Nagrodę Nobla w 1958 roku. Pierwsze trójwymiarowe struktury, mioglobiny i hemoglobiny, rozwiązali metodą krystalografii rentgenowskiej John Kendrew i Max Perutz w latach 1958–1960. Najobficiej występującym białkiem w organizmie jest kolagen, przypominające linę włókno skóry, ścięgien i kości, stanowiące mniej więcej od jednej czwartej do jednej trzeciej wszystkich białek.

Gdy zwijanie zawodzi, skutki mogą być poważne. W mukowiscydozie najczęstsza wadliwa wersja białka kanałowego zwija się nieprawidłowo i zostaje zniszczona, zanim dotrze do powierzchni komórki. W chorobach prionowych źle zwinięte białko zmusza prawidłowe kopie do takiego samego, błędnego zwinięcia. Zmianę kształtu białek można obejrzeć we własnej kuchni: ciepło rozwija białka jaja, zamieniając przezroczysty, płynny białek w jędrne białe ciało stałe, i żadne schłodzenie tego nie odwróci. Gen to tylko przepis; białko jest daniem, a jego kształt jest wszystkim.

Komórki macierzyste

Każdy z mniej więcej 200 typów wyspecjalizowanych komórek twojego ciała, od neuronów po komórki tłuszczowe, wywodzi się z jednej komórki: zapłodnionej komórki jajowej. Komórka macierzysta to każda komórka, która zachowała coś z tej pierwotnej obietnicy. Ma dwa wyróżniające ją talenty. Potrafi się samoodnawiać, dzieląc się na kolejne komórki macierzyste, i potrafi się różnicować, dając początek komórkom wyspecjalizowanym.

Komórki macierzyste różnią się stopniem wszechstronności, czyli potencjałem. Zapłodniona komórka jajowa i jej kilka pierwszych komórek potomnych są totipotentne: mogą utworzyć całe ciało wraz z łożyskiem. Około pięciu dni po zapłodnieniu zarodek jest pustą kulą złożoną z co najmniej stu komórek, czyli blastocystą, z wewnętrznym skupiskiem zwanym węzłem zarodkowym. Te komórki są pluripotentne: mogą stać się dowolnym typem komórek ciała. W miarę rozwoju zarodka układają się w trzy listki zarodkowe. Z ektodermy powstają skóra i układ nerwowy, z mezodermy mięśnie, kości, krew i serce, a z endodermy nabłonek przewodu pokarmowego i płuc oraz narządy takie jak wątroba.

Dorośli zachowują mniejsze zapasy multipotentnych dorosłych komórek macierzystych, z których każda ograniczona jest do swojej tkanki. Najpracowitsze żyją w szpiku kostnym, gdzie krwiotwórcze komórki macierzyste i ich potomstwo wytwarzają około dwóch milionów czerwonych krwinek na sekundę, a także białe krwinki i płytki krwi. Komórki macierzyste w głębokich zagłębieniach nabłonka jelita odnawiają jego powierzchnię co kilka dni, a te u podstawy naskórka odnawiają go mniej więcej co miesiąc. Inne tkanki są znacznie oszczędniejsze: komórki mięśnia sercowego wymieniają się u młodych dorosłych w tempie zaledwie około 1 procent rocznie, a z wiekiem jeszcze wolniej.

Czy wiesz, że szacunek dotyczący serca opiera się na węglu-14 uwolnionym podczas próbnych wybuchów jądrowych w czasie zimnej wojny, który zostawił datowalny ślad w DNA każdej komórki powstałej od tamtej pory?

Istnienie krwiotwórczych komórek macierzystych wykazali w 1961 roku w Toronto James Till i Ernest McCulloch, którzy zauważyli guzki na śledzionach napromienionych myszy, z których każdy był kolonią wyrosłą z jednej komórki szpiku. Przeszczepianie szpiku kostnego, którego pionierem był E. Donnall Thomas, pozostaje najlepiej ugruntowaną terapią komórkami macierzystymi. W 2006 roku Shinya Yamanaka pokazał, że włączenie zaledwie czterech genów może przywrócić dorosłe komórki myszy do stanu pluripotencji; nazwano je indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi. W 2012 roku podzielił się Nagrodą Nobla z Johnem Gurdonem, który przeprogramował komórki żaby dziesiątki lat wcześniej.

Gdy komórki krwiotwórcze nabywają szkodliwych mutacji, może z nich powstać białaczka. Wiele proponowanych terapii komórkami macierzystymi poza przeszczepami krwi i szpiku pozostaje eksperymentalnych i wciąż jest badanych w kontrolowanych próbach klinicznych. Codzienna praca komórek macierzystych nigdy jednak nie ustaje: po oddaniu krwi szpik po cichu uzupełnia utracone czerwone krwinki w ciągu mniej więcej czterech do sześciu tygodni. W bardzo dosłownym sensie jesteś nieustannie odbudowywany od środka.

Cztery rodzaje tkanek

Przyjrzyj się z bliska dowolnemu narządowi, a znajdziesz w nim te same cztery materiały, zmieszane w różnych proporcjach. Tkanka to grupa podobnych komórek wraz z materiałem, który je otacza, wykonująca wspólnie jedno zadanie. Francuski anatom Xavier Bichat, pracując w latach 90. XVIII wieku niemal bez mikroskopu, rozdzielał narządy przez gotowanie, suszenie i moczenie i wyróżnił 21 rodzajów tkanek; francuskie słowo tissu oznacza tkaninę. Mikroskopy zredukowały później jego listę do czterech.

Tkanka nabłonkowa pokrywa i wyściela. Tworzy zewnętrzną warstwę skóry, wyściółkę przewodu pokarmowego i dróg oddechowych oraz ściany gruczołów. Jej komórki są ciasno upakowane w warstwy i zakotwiczone na cienkiej macie zwanej błoną podstawną; nie mają własnych naczyń krwionośnych i są odżywiane przez dyfuzję od spodu. Ich kształty zdradzają funkcje: płaskie komórki tworzą cienkie bariery, na przykład w pęcherzykach płucnych, sześcienne występują w kanalikach nerkowych, a wysokie walcowate w jelicie. Ponieważ nabłonek nieustannie się zużywa, szybko się odnawia; zewnętrzna warstwa skóry wymienia się w ciągu mniej więcej miesiąca.

Tkanka łączna spaja ciało i określa ją nie tyle jej komórki, ile to, co leży między nimi, czyli pozakomórkowa macierz. Zmień macierz, a zmienisz tkankę: twarde włókna kolagenu tworzą ścięgna, sprężysty żel chrząstkę, kryształy mineralne kość, a płynna macierz krew. Tkanka tłuszczowa również jest tkanką łączną.

Tkanka mięśniowa się kurczy. Mięśnie szkieletowe, poprzecznie prążkowane pod mikroskopem, poruszają kośćmi pod kontrolą woli. Mięsień sercowy, także prążkowany, występuje wyłącznie w sercu i pracuje bez świadomego polecenia. Mięśnie gładkie, bez prążków, ściskają jelita, pęcherz i ściany naczyń krwionośnych. Tkanka nerwowa przewodzi sygnały: neurony wysyłają impulsy elektryczne z prędkością do około 120 metrów na sekundę w najszybszych włóknach, a komórki glejowe odżywiają je, izolują i chronią.

Czy wiesz, że krew zalicza się do tkanki łącznej, bo jej komórki unoszą się w płynnej macierzy, osoczu, które stanowi nieco ponad połowę jej objętości?

Cztery rodziny tkanek wyjaśniają też wiele o chorobach. Około 80–90 procent nowotworów złośliwych powstaje w nabłonku, tkance dzielącej się najintensywniej, i nazywa się je rakami; znacznie rzadsze nowotwory tkanki łącznej to mięsaki. Codzienne urazy także odsłaniają warstwy. Pęcherz na skórze to płyn zbierający się w obrębie naskórka; otarcie, które krwawi, sięgnęło do tkanki łącznej pod spodem, gdzie biegną naczynia krwionośne, a skaleczenie kartką papieru piecze, bo dociera do zakończeń nerwowych. Ułóż te same cztery tkaniny na różne sposoby, a otrzymasz wargę, ścięgno albo wątrobę.

Narządy i układy

Ciało zorganizowane jest jak zestaw pudełek wkładanych jedno w drugie. Atomy łączą się w cząsteczki, cząsteczki budują komórki, podobne komórki tworzą tkanki, tkanki łączą się w narządy, a narządy współpracują w układach narządów. Narząd to wyodrębniona struktura zbudowana z co najmniej dwóch rodzajów tkanek, która wykonuje określone zadanie. Dobrym przykładem jest żołądek: nabłonek go wyściela i wydziela kwas, mięśnie gładkie mieszają jego zawartość, tkanka łączna spaja warstwy i prowadzi naczynia krwionośne, a nerwy koordynują całość.

Anatomowie zwykle dzielą narządy na 11 układów. Układ powłokowy (skóra, włosy i paznokcie) stanowi zewnętrzną barierę. Układy kostny i mięśniowy nadają kształt i umożliwiają ruch. Układy nerwowy i hormonalny to dwie sieci sterowania, jedna szybka i elektryczna, druga wolniejsza i chemiczna. Układ sercowo-naczyniowy pompuje krew; układ limfatyczny i odpornościowy drenuje płyny i zwalcza zakażenia; układ oddechowy wymienia gazy; układ pokarmowy rozkłada pożywienie; układ moczowy filtruje krew i usuwa odpady, a układ rozrodczy wydaje na świat kolejne pokolenie.

Liczba narządów zależy od tego, kto liczy. Często podaje się 78, ale listy bardzo się różnią w zależności od tego, czy każdą kość, gruczoł lub mięsień liczy się osobno. Nawet sama definicja się zmienia: w 2016 roku chirurg J. Calvin Coffey i współpracownicy dowodzili, że krezka, fałd tkanki mocujący jelita, jest jednym ciągłym narządem, i ten pogląd jest dziś szeroko akceptowany. Największym narządem ze wszystkich jest skóra, a największym narządem wewnętrznym wątroba.

Czy wiesz, że można żyć bez zaskakująco wielu narządów, między innymi bez śledziony, pęcherzyka żółciowego, wyrostka robaczkowego, jednej nerki, jednego płuca oraz dużych części wątroby i jelit?

Układy rzadko działają w pojedynkę. Gdy biegniesz do autobusu, układ nerwowy pobudza mięśnie, które ciągną za szkielet; układ hormonalny uwalnia adrenalinę; serce i płuca przyspieszają, by dostarczyć tlen, a skóra się poci, aby oddać nadmiar ciepła. Niektóre narządy mają nawet podwójne członkostwo: trzustka należy zarówno do układu pokarmowego, jak i hormonalnego.

Ta współzależność wyjaśnia, dlaczego awaria w jednym miejscu się rozprzestrzenia. Niewydolność nerek zaburza ciśnienie krwi i gospodarkę solami; niewydolne serce sprawia, że płyn gromadzi się w płucach i nogach. Wyjaśnia też, dlaczego wymiana narządu wydawała się kiedyś nie do pomyślenia. W 1954 roku w Bostonie chirurg Joseph Murray przeszczepił nerkę od Ronalda Herricka jego bliźniakowi jednojajowemu Richardowi, który przeżył jeszcze osiem lat; Murray otrzymał później Nagrodę Nobla. Dziś nerki, wątroby, serca i płuca przeszczepia się rutynowo na całym świecie. Lekcja płynąca z planu budowy ciała jest prosta: żaden narząd nie jest samotną wyspą.

Z czego jesteśmy zbudowani

Rozłóż ludzkie ciało na pierwiastki, a lista okaże się krótka. Pod względem masy około 65 procent to tlen, 18 procent węgiel, 10 procent wodór i 3 procent azot. Dodaj wapń, około 1,5 procent, oraz fosfor, około 1 procent, a te sześć pierwiastków stanowi mniej więcej 99 procent ciebie. Potas, siarka, sód, chlor i magnez to większość reszty, razem znacznie poniżej 1 procent.

Tlen prowadzi głównie za sprawą wody. Woda stanowi około 60 procent masy dorosłego człowieka, czyli mniej więcej 42 litry u mężczyzny ważącego 70 kilogramów, a cząsteczka wody to wagowo niemal w dziewięciu dziesiątych tlen. Gdy zamiast ważyć, policzysz atomy, kolejność się zmienia: wodór, najlżejszy pierwiastek, stanowi około 62 procent wszystkich atomów w ciele, tlen około 24 procent, a węgiel około 12 procent. Osoba ważąca 70 kilogramów zawiera mniej więcej 7 tryliardów atomów, czyli siódemkę z dwudziestoma siedmioma zerami.

Węgiel jest gwiazdą konstrukcji. Każdy jego atom może związać się jednocześnie z czterema innymi, tworząc długie łańcuchy i pierścienie białek, tłuszczów, cukrów i DNA. W podziale na cząsteczki typowy dorosły to około 60 procent wody, 15–17 procent białka, bardzo zmienny udział tłuszczu, około 6 procent składników mineralnych, głównie w kościach, i tylko około 1 procent węglowodanów, magazynowanych jako glikogen w wątrobie i mięśniach.

Czy wiesz, że tłuszcz, który tracisz, opuszcza ciało głównie jako wydychany dwutlenek węgla, a obliczenia z 2014 roku wykazały, że płuca usuwają około 84 procent jego masy?

Niektóre pierwiastki znaczą o wiele więcej, niż ważą. Dorosły ma zaledwie około 4 gramów żelaza, w większości w hemoglobinie, gdzie wiąże tlen; jego niedobór powoduje niedokrwistość. Tarczyca potrzebuje jodu, którego w całym ciele jest około 15–20 miligramów, by wytwarzać hormony, a gdy go brakuje, gruczoł może się powiększyć, tworząc wole. Cynk, miedź, selen i kilka innych pierwiastków potrzebne są w śladowych ilościach, często jako robocze części enzymów.

Francuski chemik Antoine Lavoisier był jednym z pierwszych, którzy spojrzeli na ciało w ten sposób. Na początku lat 80. XVIII wieku, wraz z Pierre'em-Simonem Laplace'em, zmierzył ciepło wydzielane przez świnkę morską umieszczoną w kalorymetrze lodowym i doszedł do wniosku, że oddychanie jest powolnym spalaniem węgla w tlenie. Niemal każdy atom tej chemii ma kosmiczną przeszłość. Wodór pochodzi z Wielkiego Wybuchu, a węgiel, tlen, wapń i żelazo wykuły się we wnętrzach gwiazd i rozproszyły, gdy te umierały. Jak ujął to Carl Sagan, jesteśmy zrobieni z gwiezdnej materii. Każdy oddech i każdy posiłek to wymiana najstarszych materiałów we wszechświecie.

Homeostaza: utrzymanie równowagi

Na zewnątrz pogoda może się zmieniać od mrozu po upał, a w środku temperatura głęboka ciała trzyma się w granicach około stopnia od 37 °C. Ta stałość to homeostaza, zdolność organizmu do utrzymywania warunków wewnętrznych w wąskich granicach bez względu na to, co dzieje się wokół. Temperatura jest najbardziej znanym przykładem, ale to samo dotyczy poziomu cukru we krwi, który między posiłkami wynosi zwykle około 4–6 milimoli na litr, kwasowości krwi, utrzymywanej między pH 7,35 a 7,45, a także wody, soli, tlenu i dwutlenku węgla.

Większość tej kontroli działa na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, czyli tak jak domowy termostat. Każda pętla ma trzy elementy. Czujniki wykrywają zmianę: zakończenia nerwowe w skórze i wrażliwe na temperaturę komórki mózgu nieustannie monitorują ciepło. Ośrodek sterujący porównuje odczyt z wartością zadaną; w przypadku temperatury jest to podwzgórze, obszar wielkości migdała u podstawy mózgu. Efektory działają następnie tak, by odwrócić zmianę, a gdy warunki wracają do normy, reakcja wygasa.

Gdy się przegrzewasz, podwzgórze nakazuje naczyniom krwionośnym w skórze rozszerzyć się, by ciepła krew mogła oddawać ciepło przy powierzchni, i dlatego rozgrzana twarz czerwienieje. Włącza też gruczoły potowe; parujący pot odprowadza ciepło, a w upale człowiek może wypocić ponad litr na godzinę. Gdy jest ci zimno, naczynia skóry się zwężają, zatrzymując ciepłą krew we wnętrzu ciała, przez co palce bledną, a mięśnie zaczynają drżeć, wytwarzając ciepło szybkimi, drobnymi skurczami. Kurczą się też maleńkie mięśnie u nasady każdego włosa, wywołując gęsią skórkę, pozostałość po bardziej owłosionych przodkach, u których nastroszone włosy zatrzymywały izolującą warstwę powietrza.

Czy wiesz, że słynne 37 °C pochodzi od Carla Wunderlicha, który w 1868 roku opublikował średnie z około miliona pomiarów pod pachą, a współczesne pomiary wskazują typową wartość nieco niższą, około 36,6–36,8 °C?

Idea ma francuskie korzenie. Od lat 50. XIX wieku fizjolog Claude Bernard dowodził, że stałość milieu intérieur, czyli środowiska wewnętrznego, jest warunkiem wolnego i niezależnego życia. W 1926 roku amerykański fizjolog Walter Cannon ukuł słowo „homeostaza” i rozwinął tę ideę w książce The Wisdom of the Body z 1932 roku. Nie każda pętla jest ujemna. Podczas porodu skurcze wywołują uwalnianie hormonu oksytocyny, który z kolei wzmacnia skurcze; to pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego, która trwa aż do narodzin dziecka.

Gdy homeostaza zostaje przeciążona, konsekwencje mogą być poważne. Temperatura głęboka powyżej około 40 °C grozi udarem cieplnym, a poniżej 35 °C mówimy o hipotermii. Cukrzyca jest w gruncie rzeczy awarią kontroli poziomu cukru we krwi. Gdy więc następnym razem zadrżysz na przystanku autobusowym, pamiętaj, że to nie słabość, lecz pracujący termostat, który utrzymuje cię przy życiu z dokładnością do kilku stopni.

Szkielet

Gdyby usunąć wszystko, co miękkie, z dorosłego człowieka zostałoby około 206 kości, rusztowanie ważące mniej więcej 15 procent masy ciała. W rzeczywistości są to dwa szkielety w jednym. Szkielet osiowy, czyli centralna kolumna złożona z czaszki, kręgosłupa, żeber i mostka, liczy 80 kości i chroni mózg, rdzeń kręgowy, serce oraz płuca. Szkielet kończyn, 126 kości ramion, nóg i obręczy, które łączą je z tułowiem, odpowiada za większość ruchu. Co ciekawe, ponad połowa wszystkich naszych kości, aż 106, znajduje się w dłoniach i stopach.

Szkielet działa jak układ dźwigni. Kości są sztywnymi prętami, stawy osiami obrotu, a mięśnie, przyczepione ścięgnami, ciągną ponad nimi. Kość udowa jest najdłuższa i najmocniejsza, mierzy mniej więcej jedną czwartą wzrostu człowieka; strzemiączko w uchu środkowym, długie na około 3 milimetry, jest najmniejsze. Obojczyk odsuwa bark od klatki piersiowej niczym rozpórka i właśnie dlatego należy do najczęściej łamanych kości przy upadku na wyprostowaną rękę.

Rusztowanie jest zarazem magazynem i fabryką. W kościach zgromadzone jest około 99 procent wapnia w organizmie, uwalnianego, gdy we krwi go brakuje, a czerwony szpik w kościach biodrowych, żebrach, mostku i kręgach wytwarza krwinki. Liczba kości nie jest też stała. Noworodek ma blisko 300 elementów kostnych, z których wiele jest jeszcze częściowo chrzęstnych; zrastają się w dzieciństwie, a ostatnie chrząstki wzrostowe zamykają się około dwudziestego roku życia.

Czy wiesz, że kość gnykowa, niewielka kość w kształcie litery U, położona w szyi i stanowiąca zaczep dla języka, jest jedyną kością ciała, która nie tworzy stawu z żadną inną kością?

Przez mniej więcej 1300 lat europejska anatomia opierała się na Galenie, greckim lekarzu działającym w Rzymie, którego opisy powstawały głównie na podstawie sekcji małp i innych zwierząt. W 1543 roku Andrzej Wezaliusz, wykładowca w Padwie, wydał dzieło De humani corporis fabrica, ilustrowane znakomitymi drzeworytami wykonanymi na podstawie sekcji ludzkich zwłok. Poprawił w nim dziesiątki błędów, w tym twierdzenie Galena, że ludzka żuchwa składa się z dwóch kości.

Ponieważ kość jest żywą tkanką, reaguje na to, jak jest używana. Chodzenie, bieganie i dźwiganie utrzymują jej gęstość; długie leżenie w łóżku czy pobyt w kosmosie ją przerzedzają. W osteoporozie, częstej w starszym wieku, zwłaszcza u kobiet po menopauzie, kość ubywa szybciej, niż jest odbudowywana, więc nadgarstek, biodro czy kręg mogą pęknąć po niegroźnym upadku. Szkielet w muzealnej gablocie wygląda na suchy i skończony. Ten, który nosisz w sobie, po cichu przebudowuje się, kawałek po kawałku, przez całe życie.

Wnętrze kości

Przetnij kość długą, na przykład udową, w połowie, a okaże się, że przypomina raczej rurę niż pełny pręt. Z zewnątrz otacza ją wytrzymała błona, okostna, bogata w nerwy i naczynia krwionośne; dlatego uderzenie w goleń tak bardzo boli. Pod nią leży gęsta ściana istoty zbitej, gruba na kilka milimetrów, a w środku jama szpikowa, wypełniona u dorosłych tłuszczowym szpikiem żółtym. Ku końcom kości ściana się ścieńcza, a wnętrze wypełnia istota gąbczasta, plaster miodu z drobnych beleczek.

Kość jest kompozytem, trochę jak żelbet. Mniej więcej dwie trzecie jej masy stanowią minerały, kryształy fosforanu wapnia zwane hydroksyapatytem, które opierają się zgniataniu. Większość pozostałej jednej trzeciej to kolagen, białko włókniste odporne na zginanie i pękanie. Jeśli zostawisz kość kurczaka na kilka dni w occie, minerał się rozpuści, a kość będzie się giąć jak guma; jeśli wypalisz ją tak mocno, że kolagen ulegnie zniszczeniu, rozkruszy się.

Istota zbita zbudowana jest z milionów osteonów, maleńkich walców o średnicy około 0,2 milimetra, złożonych z koncentrycznych blaszek otaczających kanał centralny z naczyniami i nerwami. Angielski lekarz Clopton Havers opisał te kanały w 1691 roku i do dziś noszą jego imię. W drobnych jamkach między blaszkami tkwią osteocyty, dojrzałe komórki kostne, które łączą się ze sobą kanalikami cieńszymi od włosa i wyczuwają naprężenia. Istota zbita stanowi około 80 procent masy szkieletu; resztę tworzy istota gąbczasta, lekka, lecz wzmocniona wzdłuż linii obciążeń.

Kość nigdy nie jest gotowa. Nieustannie pracują nad nią dwie ekipy komórek. Osteoklasty, duże komórki o wielu jądrach, rozpuszczają starą kość kwasem i enzymami; osteoblasty podążają za nimi, odkładając świeży kolagen, który następnie ulega mineralizacji. Dzięki tej przebudowie dorosły człowiek wymienia co roku mniej więcej jedną dziesiątą szkieletu. W 1892 roku niemiecki chirurg Julius Wolff dowodził, że kość dostosowuje się do działających na nią obciążeń; zasadę tę nazywamy dziś prawem Wolffa. Ręka, w której zawodowy tenisista trzyma rakietę, ma wyraźnie grubsze kości niż druga.

Czy wiesz, że czerwony szpik, który u dorosłych występuje głównie w kościach płaskich i na końcach kości długich, wytwarza około dwóch milionów nowych czerwonych krwinek na sekundę?

Kiedy równowaga się chwieje, pojawiają się kłopoty. Astronauci w stanie nieważkości mogą tracić około 1 procenta masy kostnej bioder miesięcznie, a osteoporoza to powolna, ziemska wersja tego samego zaburzenia. Złamanie natomiast pokazuje system z najlepszej strony: tworzy się skrzep, szczelinę wypełnia miękka kostnina z chrząstki, zastępuje ją twarda kość, a przebudowa w ciągu miesięcy wygładza spoinę. Niewiele materiałów stworzonych przez inżynierów potrafi samo się naprawić. Kość robi to rutynowo.

Czaszka

Czaszka to hełm, twarz i komplet szczęk połączone w jedną całość. Zwykle liczy się w niej 22 kości: mózgoczaszka składa się z ośmiu kości tworzących sklepienie wokół mózgu, a czternaście kości twarzoczaszki otacza oczy, nos i usta. Sklepienie tworzą kość czołowa, dwie kości ciemieniowe, budujące strop i boki, dwie kości skroniowe, kość potyliczna z tyłu oraz dwie mniej widoczne kości w podstawie, klinowa i sitowa. Swobodnie porusza się tylko jedna kość: żuchwa.

Kości sklepienia stykają się wzdłuż falistych linii zwanych szwami, połączeń z mocnej tkanki włóknistej, które zazębiają się jak elementy układanki. Przy narodzinach są jeszcze luźne, a miejsca, gdzie spotyka się kilka kości, pokrywa błona: to ciemiączka. Ta elastyczność pozwala czaszce lekko się odkształcić podczas przechodzenia dziecka przez kanał rodny i zostawia miejsce dla mózgu, który w pierwszym roku życia ponad dwukrotnie zwiększa swoją objętość. Duże ciemiączko przednie zamyka się zwykle między 18. miesiącem a drugim rokiem życia.

Czaszka dorosłego mieści około 1300 centymetrów sześciennych, dość dla mózgu ważącego 1,3–1,4 kilograma i zanurzonego w płynie. W jej podstawie duży otwór wielki przepuszcza rdzeń kręgowy w dół, do kręgosłupa, a dziesiątki mniejszych otworów prowadzą nerwy i naczynia. Wypełnione powietrzem zatoki odciążają kości twarzy i nadają głosowi rezonans. Żuchwa obraca się i przesuwa w stawie skroniowo-żuchwowym, tuż przed każdym uchem: połóż tam palce i otwórz usta, a poczujesz, jak wysuwa się do przodu. Napędzane przez żwacz, jeden z najsilniejszych mięśni w stosunku do swojej wielkości, zęby trzonowe mogą zaciskać się z siłą kilkuset niutonów.

Czy wiesz, że kość skroniowa, w której mieszczą się delikatne narządy słuchu i równowagi, zawiera najgęstszą kość w ciele, czyli część skalistą, której nazwa dobrze oddaje jej twardość?

Na początku XIX wieku niemiecki lekarz Franz Joseph Gall spopularyzował frenologię, przekonanie, że guzy na czaszce zdradzają charakter i talenty. Było to błędne: zewnętrzny kształt czaszki nie mówi prawie nic o mózgu, a doświadczenia zdyskredytowały tę ideę w oczach uczonych już w połowie stulecia. Intuicja Galla, że różne części mózgu pełnią różne funkcje, okazała się jednak z grubsza słuszna: dobry pomysł ukryty w złym.

Urazy czaszki są groźne głównie ze względu na to, co znajduje się w środku. Uderzenie może wywołać stłuczenie mózgu lub krwawienie nawet bez złamania, dlatego kaski projektuje się tak, by rozkładały i wyhamowywały siłę uderzenia. W kraniosynostozie jeden lub więcej szwów zrasta się zbyt wcześnie w niemowlęctwie i zniekształca rosnącą głowę; chirurdzy potrafią je uwolnić. Na co dzień czaszka daje o sobie znać subtelniej: trzaskiem żuchwy, uczuciem ucisku w zatkanej zatoce podczas przeziębienia. Cienka, lekka i niezwykle mocna, jest najlepiej strzeżonym pomieszczeniem ciała.

Kręgosłup

Kręgosłup, czyli kolumna kręgowa, zaczyna się jako stos 33 kręgów. Siedem kręgów szyjnych tworzy szyję, dwanaście piersiowych dźwiga żebra, a pięć dużych kręgów lędźwiowych przenosi ciężar dolnej części pleców. Poniżej pięć kręgów zrasta się w kość krzyżową, wklinowaną między kości biodrowe, a od trzech do pięciu drobnych kręgów tworzy kość guziczną. U dorosłego pozostają więc 24 ruchome kręgi w kolumnie długości około 70 centymetrów.

Każdy kręg ma dwie główne części. Z przodu znajduje się trzon kręgu, krótki walec z istoty gąbczastej, który przenosi obciążenie; trzony są coraz większe ku dołowi, bo każdy dźwiga więcej niż ten nad nim. Z tyłu łuk kręgu zamyka pierścień, a ułożone jeden na drugim pierścienie tworzą kanał kręgowy, w którym biegnie rdzeń kręgowy. Kostne wyrostki sterczą na boki i do tyłu, służąc za przyczepy mięśni; guzkowaty grzbiet, który wyczuwasz pośrodku pleców, to szereg wyrostków kolczystych. Między trzonami leżą 23 krążki międzykręgowe, z mocnym pierścieniem włóknistym na zewnątrz i galaretowatym jądrem miażdżystym w środku.

Widziany z boku zdrowy kręgosłup nie jest prosty, lecz tworzy łagodne podwójne S. Szyja i lędźwie wyginają się do przodu, a odcinek piersiowy i krzyżowy do tyłu. U noworodka kręgosłup ma kształt pojedynczej litery C; krzywizna szyjna kształtuje się, gdy dziecko uczy się trzymać głowę, a lędźwiowa, gdy zaczyna stać i chodzić. Krzywizny działają jak sprężyna, amortyzują wstrząsy i utrzymują głowę nad biodrami niewielkim wysiłkiem mięśni. Na samej górze dwa pierwsze kręgi są wyspecjalizowane: kręg szczytowy pozwala kiwać głową, a kręg obrotowy, z zębem, wokół którego obraca się szczytowy, pozwala nią potrząsać.

Krążki składają się głównie z wody i zachowują się jak gąbki. Pod obciążeniem przez dzień spędzony w pozycji pionowej powoli tracą płyn, dlatego większość ludzi wieczorem jest o około centymetr niższa niż rano, a w nocy odzyskuje tę różnicę. Uwolnieni od grawitacji astronauci mogą urosnąć na orbicie nawet o około 5 centymetrów, często płacąc za to bólem pleców.

Czy wiesz, że żyrafa ma tyle samo kręgów szyjnych co ty, czyli siedem? Ma je niemal każdy ssak; u żyrafy są po prostu znacznie dłuższe.

Rdzeń kręgowy jest krótszy niż kręgosłup i kończy się mniej więcej na wysokości pierwszego lub drugiego kręgu lędźwiowego, a niżej biegnie już tylko pęk korzeni nerwowych. Dzięki temu można wkłuć igłę w dolnej części pleców, by pobrać płyn mózgowo-rdzeniowy; zabieg ten wprowadził niemiecki lekarz Heinrich Quincke w 1891 roku. Gdy coś zawodzi, przyczyny są zwykle mechaniczne. Pierścień krążka może pęknąć, a jądro uwypuklić się i uciskać korzeń nerwowy: to przepuklina krążka, która potrafi promieniować bólem do nogi. Skolioza to boczne skrzywienie, często pojawiające się w okresie dojrzewania, a ból krzyża należy do najczęstszych dolegliwości dorosłego życia. Giętki, nośny i ochronny zarazem, kręgosłup jest kompromisem, który przeważnie się sprawdza.

Stawy

Wszędzie tam, gdzie spotykają się dwie kości, powstaje połączenie, a dorosłe ciało ma ich od 250 do 350, zależnie od sposobu liczenia. Anatomowie dzielą je według tego, co spaja kości. Połączenia włókniste, takie jak szwy czaszki, związane są zbitą tkanką i prawie się nie ruszają. Połączenia chrzęstne, jak krążki międzykręgowe i spojenie łonowe z przodu miednicy, pozwalają na niewielkie ugięcie. To, co zwykle nazywamy stawami, czyli kolana, biodra i kłykcie palców, to stawy maziowe, stworzone do ruchu.

Staw maziowy jest zamkniętą komorą. Końce kości pokrywa gładka, szklista chrząstka stawowa, w kolanie gruba na kilka milimetrów. Otacza je włóknista torebka stawowa, wyściełana błoną maziową, która wydziela maź stawową, śliski płyn o konsystencji surowego białka jaja. Przy każdym ruchu chrząstka wciska i wypycha maź jak gąbka, co smaruje staw i odżywia chrząstkę, pozbawioną własnych naczyń krwionośnych. Efekt: tarcie mniejsze niż przy ślizganiu się lodu po lodzie.

Stawy maziowe występują w sześciu kształtach, a każdy pozwala na inne ruchy. Stawy kuliste w biodrze i barku poruszają się we wszystkich kierunkach i umożliwiają obrót. Stawy zawiasowe w łokciu i między paliczkami zginają się w jednej płaszczyźnie, jak drzwi. Staw obrotowy pozwala kości promieniowej obracać się wokół łokciowej, gdy przekręcasz klucz, a głowie obracać się na szyi. Staw siodełkowy u podstawy kciuka kołysze się w dwóch kierunkach, staw kłykciowy nadgarstka pozwala na zginanie i odchylanie na boki, a stawy płaskie między drobnymi kośćmi nadgarstka i stępu po prostu się ślizgają. Bark wymienia stabilność na zakres ruchu: to najruchliwszy staw ciała i najczęściej zwichany.

Strzelanie kłykciami to także sprawa stawu. Rozciągnięcie kości obniża ciśnienie w mazi, aż nagle tworzy się pęcherz gazu; moment ten zarejestrowano w rezonansie magnetycznym w 2015 roku, a ten sam staw nie strzeli ponownie przez około 20 minut. Amerykański lekarz Donald Unger przez około 60 lat strzelał kłykciami lewej ręki, ale nie prawej, i nie stwierdził zmian zwyrodnieniowych w żadnej z nich; ten jednoosobowy eksperyment przyniósł mu w 2009 roku Nagrodę Ig Nobla.

Czy wiesz, że wchodzenie po schodach obciąża każde kolano siłą odpowiadającą mniej więcej trzy- lub czterokrotności masy ciała?

Ponieważ chrząstka nie ma naczyń, goi się słabo. W chorobie zwyrodnieniowej stawów, najczęstszej chorobie stawów, chrząstka przez lata ściera się i strzępi, kość pod nią grubieje, tworzą się wyrośla, a staw staje się sztywny i bolesny. W reumatoidalnym zapaleniu stawów układ odpornościowy atakuje samą błonę maziową. Zużyte biodra i kolana zastępuje się dziś rutynowo implantami z metalu, ceramiki i tworzywa, co jest jednym z wielkich sukcesów chirurgii. Najczęściej jednak stawy działają tak gładko, że zauważamy je dopiero wtedy, gdy zaczynają skrzypieć.

Ręka

Każda ręka zawiera 27 kości: osiem drobnych kości nadgarstka, ułożonych w dwa rzędy po cztery, pięć kości śródręcza w dłoni i czternaście paliczków w palcach, po trzy w każdym palcu i dwa w kciuku. Obie ręce mieszczą razem ponad jedną czwartą kości ciała. Łączą je dziesiątki stawów i gęsta sieć więzadeł, a mimo to każdy palec potrafi na zawołanie się zgiąć, wyprostować, odwieść i przywieść.

Zaskakujące, ale w palcach nie ma ani jednego mięśnia. Silne mięśnie, które je zginają i prostują, leżą w przedramieniu i pociągają za długie ścięgna biegnące przez nadgarstek jak sznurki marionetki; zaciśnij pięść i zobacz, jak napina się przedramię. Po stronie dłoniowej dziewięć ścięgien i nerw pośrodkowy przeciska się przez kanał nadgarstka, wąski tunel utworzony przez kości nadgarstka i rozpięte nad nimi mocne więzadło. Obrzęk w tym miejscu uciska nerw i wywołuje zespół cieśni nadgarstka, z mrowieniem kciuka i pierwszych palców. Drobne mięśnie wewnątrz dłoni, zwane mięśniami własnymi, odpowiadają za precyzyjne poprawki, na przykład rozsuwanie palców.

Kluczem do ręki jest kciuk. Jego kość śródręcza łączy się z kością nadgarstka, czworoboczną większą, w stawie siodełkowym, przypominającym dwa siodła ułożone na krzyż, który pozwala kciukowi przejść w poprzek dłoni i dotknąć opuszka każdego palca. To przeciwstawienie umożliwia dwa rodzaje chwytu, opisane w 1956 roku przez brytyjskiego anatoma Johna Napiera. W chwycie siłowym palce obejmują przedmiot, dociskając go do dłoni, jak przy trzymaniu młotka; w chwycie precyzyjnym kciuk i opuszki palców chwytają szczypcowo, jak przy nawlekaniu igły. Szympansy również mają przeciwstawny kciuk, lecz jest on krótki w porównaniu z ich długimi palcami, więc chwyt precyzyjny wychodzi im gorzej.

Sterowanie ręką wymaga sporej części mózgu. Od lat trzydziestych XX wieku kanadyjski neurochirurg Wilder Penfield, delikatnie drażniąc odsłonięty mózg przytomnych pacjentów podczas operacji, mapował obszary poruszające poszczególnymi częściami ciała. Ręce i palce zajęły zaskakująco szeroki pas kory ruchowej, znacznie większy niż plecy czy udo. Niektóre palce nie są jednak w pełni niezależne. Zegnij palec środkowy do dłoni i spróbuj unieść serdeczny: ledwie drgnie, bo oba mają wspólny mięsień, a ich ścięgna prostowników łączą pasma tkanki.

Czy wiesz, że linie papilarne tworzą się w łonie matki mniej więcej między dziesiątym a szesnastym tygodniem ciąży, a nawet bliźnięta jednojajowe mają różne odciski palców?

Ręce łatwo też zranić. Upadek na wyprostowaną rękę często kończy się złamaniem dalszego końca kości promieniowej albo kości łódeczkowatej, kości nadgarstka o słabym ukrwieniu, która potrafi długo się zrastać. Choroba zwyrodnieniowa często pojawia się najpierw u podstawy kciuka i w stawach palców. Za każdym razem, gdy zapinasz koszulę albo piszesz wiadomość, przedramię, nadgarstek i plątanina ścięgien dokonują wyczynu, któremu żadna robotyczna dłoń jeszcze w pełni nie dorównała.

Stopy i chodzenie w pionie

Każda stopa ma 26 kości, 33 stawy i ponad sto mięśni, ścięgien i więzadeł. Siedem kości stępu tworzy staw skokowy i piętę, wśród nich kość skokowa, która wraz z kośćmi goleni tworzy staw skokowy, oraz kość piętowa. Pięć kości śródstopia wypełnia środek stopy, a czternaście paliczków tworzy palce. W przeciwieństwie do stopy małpy człekokształtnej nasz paluch leży w jednej linii z pozostałymi palcami: zrezygnowaliśmy z chwytania gałęzi na rzecz odpychania się od ziemi.

Kości układają się w trzy łuki: wysoki łuk przyśrodkowy wzdłuż podbicia, niższy łuk boczny i łuk poprzeczny w przodostopiu. Więzadła i gruba warstwa tkanki na podeszwie, rozcięgno podeszwowe, spinają łuki jak cięciwa łuk. Gdy pod koniec kroku palce zginają się ku górze, rozcięgno nawija się na przodostopie, unosi łuk i zamienia stopę w sztywną dźwignię; ten trik, zwany mechanizmem kołowrotu, opisał anatom J. H. Hicks w 1954 roku. Przy lądowaniu łuk lekko się spłaszcza i pochłania wstrząs.

Chód to cykl powtarzany przy każdym kroku. Cykl jednej nogi zaczyna się kontaktem pięty z podłożem, przechodzi przez fazę podporu, gdy ciało przetacza się nad postawioną stopą, i kończy oderwaniem palców, gdy mięśnie łydki odpychają się od przodostopia i palucha. Potem stopa przemieszcza się w powietrzu do przodu. Faza podporu zajmuje około 60 procent cyklu, a faza przenoszenia około 40, więc w każdym kroku przez chwilę obie stopy stoją na ziemi. Biomechanicy opisują chód jako odwrócone wahadło: ciało wznosi się i opada nad każdą nogą, zamieniając prędkość na wysokość i z powrotem, co pozwala zaoszczędzić dużą część energii.

Działające siły są niemałe. Przy chodzeniu każdy krok naciska na podłoże z siłą nieco większą od ciężaru ciała, a przy biegu dwu- lub trzykrotnie większą. Wymachy rąk w przeciwfazie do nóg równoważą skręcanie tułowia, dlatego chód z jednoczesnym wysuwaniem ręki i nogi tej samej strony wydaje się tak dziwny. Najstarszym bezpośrednim dowodem chodzenia w pionie są ślady stóp z Laetoli w Tanzanii, odciśnięte w popiele wulkanicznym około 3,6 miliona lat temu i odkryte przez zespół Mary Leakey w 1978 roku. Widać na nich kontakt pięty i paluch ułożony w linii, prawie tak jak u nas.

Czy wiesz, że mniej więcej jedna czwarta wszystkich kości ciała znajduje się w stopach, czyli 52 z 206?

Stopy protestują, gdy system jest przeciążony. Zapalenie rozcięgna podeszwowego, czyli podrażnienie jego przyczepu do pięty, wywołuje ostry ból przy pierwszych krokach rano. Płaskostopie, w którym łuk przyśrodkowy jest obniżony lub go brak, zdarza się często i nierzadko nie sprawia żadnych kłopotów, a paluch koślawy spycha duży palec na bok. Przeważnie jednak architektura stopy pozostaje niezauważona, niosąc swojego właściciela przez tysiące kroków dziennie na platformie wielkości książki w miękkiej okładce.

Jak kurczą się mięśnie

Ciało ma ponad 600 mięśni szkieletowych, które stanowią około 40 procent masy ciała typowego mężczyzny i nieco mniej u typowej kobiety. Każdy mięsień to wiązka wiązek. Pod jego powięzią leżą pęczki, a w każdym pęczku setki włókien mięśniowych, długich wielojądrowych komórek, które mogą mieć po kilka centymetrów. Każde włókno wypełniają miofibryle, a każda miofibryla jest łańcuchem drobnych, powtarzających się jednostek, sarkomerów, o długości około 2,5 tysięcznej milimetra. To w sarkomerze naprawdę rodzi się ruch.

Pod mikroskopem mięsień szkieletowy wygląda na prążkowany. Prążki to nakładające się na siebie układy dwóch białek: cienkich nitek aktyny, zakotwiczonych na końcach sarkomeru w liniach Z, oraz grubych nitek miozyny pośrodku, najeżonych drobnymi główkami. Podczas skurczu żadna z nitek się nie skraca. Główki miozyny wciągają nitki aktyny do środka, tak że obie przesuwają się względem siebie, a linie Z zbliżają się do siebie. Teorię ślizgowego mechanizmu skurczu opublikowały w 1954 roku dwie niezależnie pracujące pary: Andrew Huxley i Rolf Niedergerke oraz Hugh Huxley i Jean Hanson.

Wszystko zaczyna się od nerwu. Neuron ruchowy uwalnia przekaźnik chemiczny, acetylocholinę, w miejscu styku z włóknem, wywołując falę elektryczną, która mknie wzdłuż błony i w głąb komórki. Sygnał ten uwalnia wapń z wewnętrznego magazynu, siateczki sarkoplazmatycznej. Wapń przesuwa dwa białka blokujące, troponinę i tropomiozynę, odsłaniając miejsca wiązania na aktynie. Główki miozyny przyczepiają się, obracają i przeciągają aktynę o 5 do 10 nanometrów, czyli milionowych części milimetra: to ruch roboczy. Cząsteczka ATP, energetycznej waluty komórki, odczepia następnie każdą główkę i napina ją do kolejnego pociągnięcia. Powtarzane wiele razy na sekundę przez miliardy główek, te drobne szarpnięcia składają się na podniesienie ciężaru czy skok. Gdy nerw milknie, wapń zostaje wpompowany z powrotem, a mięsień się rozkurcza.

Związek elektryczności z mięśniem pokazał po raz pierwszy w latach osiemdziesiątych XVIII wieku Luigi Galvani w Bolonii: preparowane żabie udka drgały po dotknięciu metalem. Mięśnie potrafią tylko ciągnąć, nigdy pchać, dlatego działają w przeciwstawnych parach: biceps zgina łokieć, a triceps go prostuje. Sztywność stężenia pośmiertnego to ta sama maszyneria, która stanęła: bez ATP główki miozyny pozostają zablokowane na aktynie, dopóki białka nie zaczną się rozkładać.

Czy wiesz, że najdłuższym mięśniem ciała jest mięsień krawiecki, pas biegnący od biodra do przyśrodkowej strony kolana, a jego nazwa nawiązuje do krawców, którzy dawniej szyli, siedząc ze skrzyżowanymi nogami?

Kłopoty zaczynają się, gdy zawodzi którekolwiek ogniwo łańcucha. W dystrofiach mięśniowych wadliwe geny sprawiają, że włókna są kruche i stopniowo ulegają rozpadowi; w miastenii układ odpornościowy blokuje sygnał acetylocholiny, co powoduje osłabienie nasilające się z wysiłkiem. Na co dzień granicę wyznacza zwykle paliwo: gdy ATP nie nadąża się odnawiać, siła słabnie. Każdy twój ruch, od mrugnięcia po sprint, to miliardy molekularnych wioślarzy ciągnących w jednym rytmie.

Ścięgna i więzadła

Mięśnie i kości potrzebują łączników. Ścięgna łączą mięsień z kością i przenoszą siłę skurczu; więzadła łączą kość z kością, spinając stawy i nie pozwalając im wyginać się za daleko. Jedne i drugie to gęste, srebrzystobiałe pasma zbudowane głównie z kolagenu, najobficiej występującego białka w ciele, ułożonego w równoległe wiązki jak włókna liny. Pod mikroskopem włókna są lekko pofalowane; fale prostują się przy pierwszym rozciągnięciu i dają odrobinę luzu, zanim tkanka się napnie.

Jak na swoje rozmiary ścięgno jest niezwykle wytrzymałe: znosi mniej więcej jedną czwartą naprężenia, przy którym pęka stal miękka. Ścięgno Achillesa, łączące mięśnie łydki z kością piętową, jest najgrubsze i najmocniejsze w ciele, a podczas biegu przy każdym kroku przenosi wielokrotność ciężaru ciała. Zawdzięcza nazwę greckiemu herosowi, którego matka trzymała za piętę, zanurzając go w Styksie, przez co pozostał mu jeden słaby punkt. Nazwę tę ukuł flamandzki anatom Philip Verheyen w 1693 roku.

Ścięgna są nie tylko linami, lecz także sprężynami. Rozciągane w chwili lądowania stopy, ścięgno Achillesa magazynuje energię sprężystą i oddaje dużą jej część podczas odbicia; zasadę tę badał brytyjski zoolog R. McNeill Alexander, który pokazał, jak kangury i biegający ludzie odbijają się na swoich ścięgnach. Więzadła natomiast mają powstrzymywać. Dobrze widać to w kolanie. Dwa więzadła krzyżowe krzyżują się wewnątrz stawu: przednie nie pozwala goleni przesunąć się do przodu, a tylne do tyłu, natomiast dwa więzadła poboczne wzmacniają stronę przyśrodkową i boczną. Między kośćmi dwie półksiężycowate chrzęstne poduszki, łąkotki, rozkładają obciążenie.

Obie tkanki są słabo ukrwione, co nadaje im blady kolor i sprawia, że goją się powoli; poważny uraz może wymagać wielu miesięcy. Skręcenie to naciągnięcie lub naderwanie więzadła, najczęściej po zewnętrznej stronie stawu skokowego, gdy stopa wykręca się do środka. Więzadło krzyżowe przednie często zrywa się w sportach z nagłymi zwrotami i lądowaniami, a zawodniczki są na to kilkakrotnie bardziej narażone niż zawodnicy w tych samych dyscyplinach. Powtarzane przeciążenia mogą też wywołać zapalenie lub zwyrodnienie ścięgna, jak w łokciu tenisisty, który dotyczy ścięgna po zewnętrznej stronie łokcia i znacznie częściej dotyka ludzi, którzy nigdy nie grali w tenisa.

Czy wiesz, że nikt tak naprawdę nie ma „podwójnych stawów”? Osoby, które potrafią odgiąć kciuk aż do nadgarstka, mają zwyczajne stawy i wyjątkowo rozciągliwe więzadła, a cechę tę nazywa się hipermobilnością.

Ścięgnom i więzadłom rzadko przypisuje się zasługi, gdy wszystko idzie dobrze. Tymczasem każdy skok, każde zbieganie po schodach i każdy krok długiego marszu zależą od nich: przenoszą siłę, magazynują energię i nie pozwalają stawom się rozpaść. To olinowanie ciała, a jak olinowanie statku zauważa się je głównie wtedy, gdy coś pęknie.

Siła, szybkość i wytrzymałość

Mięśnie nie są jednakowe, bo każdy zawiera mieszankę różnych włókien. Włókna typu I, czyli wolnokurczliwe, kurczą się dość powoli, ale niestrudzenie. Są pełne mitochondriów, komórkowych elektrowni, oraz mioglobiny, czerwonego białka magazynującego tlen, dlatego mają ciemną barwę. Włókna typu II, czyli szybkokurczliwe, kurczą się kilkakrotnie szybciej i mocniej, ale prędko się męczą; podtyp IIa zachowuje pewną wytrzymałość, a IIx służy czystej mocy. Pieczony kurczak dobrze pokazuje różnicę: ciemne mięso pochodzi z nóg używanych przez cały dzień, białe z mięśni piersiowych pracujących krótkimi zrywami.

U większości ludzi mięśnie uda składają się mniej więcej w połowie z włókien wolnych i w połowie z szybkich, ale proporcje są różne. Biopsje wybitnych maratończyków ujawniły mięśnie łydki z około 80 procentami włókien wolnych, podczas gdy najlepsi sprinterzy przechylają się w drugą stronę. Proporcje są w dużej mierze dziedziczne, choć trening może przesuwać włókna między podtypami szybkimi i poprawiać możliwości wszystkich.

Każdy skurcz zużywa ATP, ale mięsień przechowuje go tylko na sekundę czy dwie intensywnej pracy, więc musi go stale odtwarzać. Robią to trzy systemy, działające z różną szybkością i nakładające się na siebie. Przez pierwsze sekundy zapas fosfokreatyny niemal natychmiast odnawia ATP; napędza sprint na 100 metrów i w dużej mierze wyczerpuje się w ciągu około dziesięciu sekund. Następnie glikoliza beztlenowa rozkłada glukozę bez udziału tlenu, szybko, lecz w ograniczonym zakresie, wytwarzając mleczan; dominuje w wysiłkach trwających do dwóch minut, takich jak bieg na 400 metrów. Dalej metabolizm tlenowy w mitochondriach spala cukry i tłuszcze z udziałem tlenu, powoli, ale niemal bez ograniczeń, napędzając maraton. W ciągu doby organizm przetwarza mniej więcej tyle ATP, ile sam waży.

Wiele z tych zjawisk jako pierwszy rozpracował brytyjski fizjolog A. V. Hill, współlaureat Nagrody Nobla z 1922 roku za pomiary ciepła wytwarzanego przez mięśnie i opis długu tlenowego biegaczy. Jedna popularna idea nie przetrwała: kwas mlekowy nie powoduje sztywności odczuwanej dzień lub dwa po ciężkim wysiłku, choć potoczna nazwa „zakwasy” sugeruje coś innego. Opóźniona bolesność wynika z mikrouszkodzeń włókien i następującej po nich naprawy, a mleczan znika z mięśni w ciągu mniej więcej godziny i bywa nawet wykorzystywany jako paliwo.

Czy wiesz, że siła mięśnia zależy głównie od jego przekroju poprzecznego, a nie od długości, i dlatego trenowane mięśnie stają się grubsze, a nie dłuższe?

Trening dopasowuje mięsień do zadania. W pierwszych tygodniach treningu siłowego większość postępów ma podłoże nerwowe, bo układ nerwowy uczy się rekrutować więcej włókien naraz; dopiero później grubieją same włókna. Trening wytrzymałościowy zwiększa natomiast liczbę mitochondriów i naczyń włosowatych. Skrajności robią wrażenie: Usain Bolt osiągnął około 44 kilometrów na godzinę podczas biegu na 100 metrów w 9,58 sekundy w 2009 roku, a Kelvin Kiptum przebiegł maraton w 2 godziny 0 minut 35 sekund w 2023 roku. Od wieku średniego mięśni powoli ubywa, co nazywa się sarkopenią, ale reagują one na trening w każdym wieku. Siła, szybkość i wytrzymałość to nie trzy dary, lecz jedna tkanka nastrojona na trzy sposoby.

Serce

Przyłóż dwa palce tuż na lewo od mostka, a poczujesz je: serce, pusty w środku mięsień wielkości zaciśniętej pięści, ważący u dorosłego około 250–350 gramów. Leży pośrodku klatki piersiowej, między płucami, otulone mocnym, dwuwarstwowym workiem, osierdziem, a jego dolny, zaostrzony koniuszek skierowany jest w dół i w lewo. Ściany serca zbudowane są z mięśnia sercowego, tkanki niespotykanej nigdzie indziej: jego rozgałęzione komórki, połączone końcami, nie męczą się tak jak nogi sprintera.

Wewnątrz ściana zwana przegrodą dzieli serce na dwie pompy w jednym ciele. Każda strona ma u góry cienkościenną komorę przyjmującą, przedsionek, a pod nim grubościenną komorę tłoczącą, komorę. Prawa strona odbiera zużytą krew z ciała przez dwie żyły główne i wysyła ją niedaleko, do płuc. Lewa przyjmuje świeżą krew z płuc i tłoczy ją przez aortę do całej reszty organizmu. Ponieważ ta druga droga jest znacznie dłuższa, ściana lewej komory ma około centymetra grubości, mniej więcej trzy razy więcej niż prawej.

Cztery zastawki pilnują ruchu jednokierunkowego. Zastawka trójdzielna i mitralna strzegą przejść z przedsionków do komór, przytrzymywane cienkimi strunami jak linki spadochronu; zastawki pnia płucnego i aorty zamykają wyjścia. Znane „tuk-tuk” to nie dźwięk mięśnia, lecz trzask zamykających się zastawek: najpierw wlotowych, potem wylotowych. W spoczynku serce przepompowuje około pięciu litrów krwi na minutę, czyli mniej więcej 7000 litrów na dobę, i uderza około 100 000 razy od jednego śniadania do następnego.

Czy wiesz, że komórki mięśnia sercowego odnawiają się bardzo powoli? Badania z datowaniem węglowym sugerują, że u młodych dorosłych wymienia się około 1% z nich rocznie, a w starszym wieku jeszcze mniej.

Przez wieki sądzono, że serce raczej ogrzewa krew, niż ją pompuje. Arabski lekarz Ibn an-Nafis opisał przepływ krwi przez płuca już w XIII wieku, a w 1628 roku angielski lekarz William Harvey wydał dzieło De motu cordis. Starannymi obliczeniami wykazał, że serce w ciągu godziny przetłacza znacznie więcej krwi, niż ciało mogłoby wytworzyć, a więc ta sama krew musi krążyć w kółko.

Serce najpierw karmi samo siebie, przez tętnice wieńcowe, które oplatają je jak korona. Gdy jedna z nich się zatka, mięsień za przeszkodą zostaje bez tlenu: to zawał serca. Uszkodzone zastawki mogą przeciekać lub sztywnieć i wydawać dodatkowy szmer, który lekarz słyszy przez stetoskop. W ciągu długiego życia serce uderzy około trzech miliardów razy, nie biorąc ani jednego dnia wolnego.

Bicie serca

Każde uderzenie serca zaczyna się od iskry wielkości ziarnka ryżu. W ścianie prawego przedsionka leży węzeł zatokowo-przedsionkowy, niewielkie skupisko wyspecjalizowanych komórek mięśniowych, które pobudzają się same, bez żadnego polecenia z mózgu. Przez ich błonę powoli napływają dodatnie jony, aż do osiągnięcia progu; wtedy następuje wyładowanie, powrót do stanu wyjściowego i wszystko zaczyna się od nowa. W spoczynku ten naturalny rozrusznik u większości dorosłych wyładowuje się 60–100 razy na minutę, a każde wyładowanie staje się jednym uderzeniem.

Fala elektryczna przebiega przez oba przedsionki w około jedną dziesiątą sekundy, a one kurczą się i dopełniają komory krwią. Potem fala natrafia na pierścień tkanki izolującej między piętrami serca. Jedynym przejściem jest węzeł przedsionkowo-komorowy, który przytrzymuje sygnał przez mniej więcej jedną dziesiątą sekundy, akurat tyle, by komory zdążyły się wypełnić. Stamtąd impuls pędzi pęczkiem Hisa w przegrodzie, dzieli się na odnogę prawą i lewą i rozchodzi się po włóknach Purkinjego w ścianach komór. Komory kurczą się od koniuszka ku górze, wyciskając krew do wyjść jak pastę z tubki ściskanej od dołu.

Serce samo nadaje sobie rytm, ale układ nerwowy może kręcić gałką. Sygnały nerwu błędnego zwalniają rozrusznik, a adrenalina i nerwy współczulne go przyspieszają; dlatego tętno rośnie, gdy biegniesz do autobusu, i spada, gdy siadasz w fotelu. Wytrenowany sportowiec wytrzymałościowy może mieć w spoczynku 40 uderzeń na minutę, bo każde silne uderzenie przetłacza więcej krwi.

Czy wiesz, że przeszczepione serce trafia do biorcy z przeciętymi nerwami? Dlatego w spoczynku bije szybciej niż zwykle, a podczas wysiłku przyspiesza dopiero wtedy, gdy dotrze do niego z krwią adrenalina.

Słabe prądy każdego uderzenia docierają do skóry. W 1903 roku holenderski fizjolog Willem Einthoven zarejestrował je wiarygodnie za pomocą czułego galwanometru strunowego, za co w 1924 roku otrzymał Nagrodę Nobla. Jego litery wciąż widnieją na każdym elektrokardiogramie, czyli EKG: mały załamek P, gdy pobudzają się przedsionki, wysoki zespół QRS, gdy pobudzają się komory, i łagodny załamek T, gdy wracają do spoczynku.

Gdy instalacja zawodzi, rytm się chwieje. W migotaniu przedsionków drżą one chaotycznie, a tętno staje się nieregularne; w migotaniu komór główne jamy jedynie drgają i nic nie pompują, co oznacza zatrzymanie krążenia. Defibrylator wysyła wstrząs, który ucisza chaos, aby węzeł zatokowy mógł znów przejąć dowodzenie, a od 1958 roku, gdy w Szwecji wszczepiono pierwszy w pełni wewnętrzny stymulator, niewielkie urządzenia zastępują zawodzące węzły. „Pominięte” uderzenie, które czasem zauważa niemal każdy, to zwykle niegroźne pobudzenie przedwczesne. Twoja sekcja rytmiczna wybija takt mniej więcej od szóstego tygodnia po poczęciu.

Tętnice, żyły i naczynia włosowate

Gdyby ułożyć wszystkie naczynia krwionośne dorosłego człowieka jedno za drugim, linia ta miałaby podobno około 100 000 kilometrów, czyli ponad dwa razy więcej niż obwód Ziemi. To szacunek bardzo przybliżony, ale sens jest prawdziwy: prawie żadna komórka ciała nie leży dalej niż o grubość włosa od jakiejś drogi zaopatrzenia. Sieć tworzą trzy rodzaje naczyń, każdy zbudowany do innego zadania.

Tętnice odprowadzają krew z serca pod wysokim ciśnieniem. Ich ściana ma trzy warstwy: gładką wyściółkę z płaskich komórek, śródbłonek; grubą warstwę środkową z mięśni gładkich i włókien sprężystych; oraz mocną osłonkę zewnętrzną. Aorta, największa z nich, ma około 2,5 centymetra średnicy. Jej sprężysta ściana rozciąga się przy każdym uderzeniu i kurczy między nimi, wygładzając szarpnięcie w równy przepływ; ta fala to tętno wyczuwalne na nadgarstku. Tętnice rozgałęziają się na coraz cieńsze tętniczki, których umięśnione ściany zaciskają się lub rozluźniają, kierując krew tam, gdzie jest potrzebna: do policzków kogoś, kto się rumieni, albo do jelit po obiedzie.

Tętniczki zasilają naczynia włosowate, właściwy cel całego systemu. Każde ma tylko 5–10 mikrometrów szerokości, jest tak wąskie, że krwinki czerwone przechodzą gęsiego i muszą się zginać, a jego ściana ma grubość jednej komórki. Tlen, glukoza i inne składniki odżywcze przenikają przez nią do tkanek, a dwutlenek węgla i produkty przemiany materii przechodzą w drugą stronę. Krew płynie tu niemal ślimaczym tempem, co daje czas na wymianę.

Naczynia włosowate łączą się w żyłki, a potem w żyły, które odprowadzają krew do serca pod niskim ciśnieniem. Ich ściany są cieńsze i wiotkie, a w każdej chwili mieści się w nich mniej więcej dwie trzecie całej krwi. W kończynach miseczkowate zastawki nie pozwalają krwi cofać się, a ucisk okolicznych mięśni przy każdym ruchu pcha ją w górę. William Harvey pokazał działanie tych zastawek w 1628 roku, uciskając żyły obandażowanego ramienia, a w 1661 roku Marcello Malpighi, oglądając pod mikroskopem płuco żaby, dostrzegł naczynia włosowate, które domknęły krąg Harveya.

Czy wiesz, że w żyłach nie płynie niebieska krew? Krew jest zawsze czerwona, ciemniejsza, gdy ma mało tlenu, a żyły wydają się niebieskie, bo skóra rozprasza i pochłania światło czerwone silniej niż niebieskie.

Skutki awarii naczyń są dobrze znane. Tłuszczowe blaszki mogą zwężać tętnice; ten proces to miażdżyca. Zużyte zastawki pozwalają krwi zalegać i rozciągają żyły nóg w poskręcane żylaki, a w głębokiej żyle może powstać zakrzep, gdy podczas długiego lotu pompa mięśniowa przestaje działać. Dlatego też żołnierze stojący nieruchomo na defiladzie czasem mdleją: bez pompy mięśniowej krew gromadzi się w nogach. Ruszaj się, a twoje żyły dotrzymają ci kroku.

Krew

Dorosły człowiek ma w sobie około pięciu litrów krwi, czyli 7–8% masy ciała, a krew ta pokonuje pełną drogę od serca do palców stóp i z powrotem w mniej więcej minutę. Wygląda jak zwykły czerwony płyn, lecz po odwirowaniu w probówce rozdziela się na warstwy niczym koktajl. Na górze, około 55% objętości, znajduje się słomkowożółty płyn, osocze. Na dole, około 45%, leżą upakowane krwinki czerwone. Pomiędzy nimi widać cienki, białawy kożuszek, w którym są krwinki białe i płytki krwi.

Osocze składa się w ponad 90% z wody i jest dostawczym autem organizmu. Przewozi rozpuszczoną glukozę, sole, tłuszcze i aminokwasy z jelit, hormony z gruczołów oraz odpady, takie jak mocznik, do nerek. Zawiera też białka: albuminę, która zatrzymuje wodę w naczyniach, przeciwciała do obrony i fibrynogen, surowiec do budowy skrzepu. Komórki mają własne zadania. Krwinki czerwone, zdecydowanie najliczniejsze, przenoszą tlen. Krwinki białe, mniej niż jedna komórka na tysiąc, patrolują ciało w poszukiwaniu intruzów. Płytki krwi, maleńkie fragmenty komórek, czekają w gotowości, by uszczelniać przecieki.

Wszystkie te komórki powstają w czerwonym szpiku kostnym, w kościach płaskich miednicy, mostka, żeber i czaszki oraz w końcach kości długich, który wytwarza około dwóch milionów krwinek czerwonych na sekundę. Mikrolitr krwi, kropla mniejsza od łebka szpilki, zawiera około pięciu milionów krwinek czerwonych, kilka tysięcy krwinek białych i od 150 000 do 400 000 płytek.

Czy wiesz, że krew jest dosłownie gęstsza od wody? Jest od trzech do pięciu razy bardziej lepka, głównie z powodu tłumu krwinek czerwonych, które niesie.

Krew wykonuje też cichszą pracę. Rozprowadza ciepło z pracujących mięśni i wątroby do skóry i utrzymuje lekko zasadowe pH, od 7,35 do 7,45; nawet niewielkie odchylenie zaburza chemię organizmu. Holenderski kupiec sukienny Antonie van Leeuwenhoek opisał czerwone „kuleczki” pod swoimi domowej roboty mikroskopami w latach siedemdziesiątych XVII wieku, wcześniej zaś Jan Swammerdam dostrzegł je we krwi żaby.

Gdy z krwią dzieje się coś złego, kłopot dociera wszędzie tam, dokąd ona płynie. Zbyt mało krwinek czerwonych lub hemoglobiny to niedokrwistość, która przynosi zmęczenie i zadyszkę. Nowotwór komórek krwiotwórczych to białaczka. W Wielkiej Brytanii jednorazowo oddaje się około 470 mililitrów krwi; organizm uzupełnia utracone osocze w dzień lub dwa, a krwinki czerwone w ciągu kilku tygodni. Na tym polega niezwykłość tej rzeki: jest nieustannie odbudowywana, a mimo to wciąż płynie.

Krwinki czerwone

Krwinki czerwone to najliczniejsze komórki ciała. Dorosły ma ich około 25 bilionów, mniej więcej cztery na każde pięć komórek ludzkich, a każda przypomina maleńki pączek bez dziurki: to dwuwklęsły krążek o średnicy około 7,5 mikrometra i grubości 2 mikrometrów, wgłębiony z obu stron. Taki kształt daje dużą powierzchnię do wymiany gazów i pozwala komórce zgiąć się niemal na pół, by przecisnąć się przez naczynia węższe od niej samej. Aby zrobić miejsce na ładunek, krwinka czerwona ssaków podczas dojrzewania pozbywa się jądra i mitochondriów. Nie może się dzielić ani naprawiać; to worek zbudowany do jednego zadania.

Tym ładunkiem jest hemoglobina, białko zawierające żelazo, upakowane w liczbie około 270 milionów cząsteczek na komórkę. Każda cząsteczka ma cztery łańcuchy, a każdy łańcuch otacza grupę hemową z atomem żelaza w środku, zdolnym związać jedną cząsteczkę tlenu, więc jedna hemoglobina przenosi cztery. Związana z tlenem w płucach staje się jaskrawoszkarłatna, a po oddaniu go w tkankach przybiera ciemniejszą, bordową barwę. W 1959 roku urodzony w Austrii chemik Max Perutz, pracujący w Cambridge, ustalił jej trójwymiarową strukturę metodą krystalografii rentgenowskiej po ponad dwudziestu latach wysiłków i w 1962 roku otrzymał za to współdzieloną Nagrodę Nobla.

Życie krwinki czerwonej trwa około 120 dni. Rodzi się w czerwonym szpiku kostnym, gdzie hormon wydzielany przez nerki, erytropoetyna, zwiększa produkcję zawsze, gdy brakuje tlenu, na przykład wysoko w górach. W ciągu życia krwinka okrąża ciało mniej więcej 170 000 razy. Z wiekiem jej błona sztywnieje, a śledziona i wątroba pełnią rolę kontroli jakości: duże białe komórki, makrofagi, połykają zużyte krwinki. Żelazo zostaje zachowane i wraca do szpiku, a hem rozkłada się do żółtej bilirubiny, którą wątroba wydala z żółcią.

Czy wiesz, że zmieniające się kolory siniaka to hemoglobina rozbierana na miejscu? Najpierw jest fioletowoniebieski, potem zielony od biliwerdyny, a na końcu żółty od bilirubiny.

Wady krwinek czerwonych należą do najlepiej poznanych chorób. W 1949 roku Linus Pauling i jego współpracownicy wykazali, że niedokrwistość sierpowatokrwinkowa wynika z nieprawidłowej hemoglobiny; była to pierwsza choroba przypisana jednej zmienionej cząsteczce. Jeden zamieniony aminokwas sprawia, że przy niedoborze tlenu białko się zlepia, a komórki wyginają się w sztywne półksiężyce, które zatykają drobne naczynia. Posiadanie jednej kopii genu daje częściową ochronę przed malarią, dlatego jest on częsty tam, gdzie malaria występuje. Niedobór żelaza, najczęstsza przyczyna niedokrwistości na świecie, daje krwinki małe i blade. W każdej sekundzie wytwarzasz około dwóch milionów krwinek czerwonych i tyle samo przechodzi na emeryturę: to cicha linia produkcyjna o niezwykłej niezawodności.

Grupy krwi

Przez stulecia przetaczanie krwi było hazardem, który zwykle kończył się źle; niektóre eksperymenty z lat sześćdziesiątych XVII wieku wykorzystywały nawet krew jagnięcia. Przyczyna wyjaśniła się dopiero w 1901 roku, gdy austriacki lekarz Karl Landsteiner w Wiedniu zmieszał krwinki czerwone i surowicę swoich kolegów i zobaczył, że niektóre połączenia się zlepiają, a inne nie. Podzielił ludzi na trzy grupy, dziś nazywane A, B i 0; czwartą, AB, odkryto rok później. Odkrycie przyniosło Landsteinerowi Nagrodę Nobla w 1930 roku i umożliwiło bezpieczne przetaczanie krwi.

Grupy zależą od antygenów, molekularnych chorągiewek na powierzchni każdej krwinki czerwonej. W układzie AB0 są to krótkie łańcuchy cukrów. Krwinki grupy A noszą chorągiewkę A, krwinki grupy B chorągiewkę B, krwinki AB obie, a krwinki grupy 0 żadnej. Haczyk tkwi w osoczu. Od wczesnego dzieciństwa każdy wytwarza przeciwciała przeciw chorągiewkom, których nie ma: osoba z grupą A ma w osoczu przeciwciała anty-B, grupa B anty-A, grupa 0 oba rodzaje, a grupa AB żadnych. Po podaniu niewłaściwych krwinek przeciwciała się do nich przyczepiają, komórki zlepiają się i pękają, co może wywołać groźny odczyn poprzetoczeniowy.

Drugim kluczowym układem jest czynnik Rh, nazwany od małp rezusów, na których Landsteiner i Alexander Wiener prowadzili doświadczenia około 1940 roku. Osoby, których krwinki mają antygen RhD, są „dodatnie”; pozostałe są „ujemne”, co dotyczy około 15% ludzi pochodzenia europejskiego. W odróżnieniu od anty-A i anty-B przeciwciała anty-D pojawiają się dopiero po kontakcie z antygenem, na przykład gdy matka Rh-ujemna nosi dziecko Rh-dodatnie. W kolejnej ciąży jej przeciwciała mogą przejść przez łożysko i zaatakować krwinki dziecka; ten konflikt serologiczny udaje się dziś w dużej mierze zapobiegać, podając matce immunoglobulinę anty-D.

Czy wiesz, że w 1952 roku lekarze w Bombaju odkryli rzadką grupę bombajską? Osoby z nią nie mają nawet podstawowego antygenu H i mogą bezpiecznie otrzymać wyłącznie krew bombajską.

Te zasady wyjaśniają słynne określenia. Krwinki grupy 0 Rh-ujemnej nie mają chorągiewek A, B ani D, więc w nagłym wypadku można je podać niemal każdemu; pacjenci z grupą AB Rh-dodatnią mogą otrzymać krwinki czerwone dowolnej grupy. W przypadku osocza logika się odwraca i to osocze AB jest darem uniwersalnym. W Wielkiej Brytanii prawie połowa ludzi ma grupę 0, a najrzadsza jest AB, około 3%, choć proporcje różnią się w różnych częściach świata.

Dziś znanych jest ponad 40 układów grupowych krwi, a szpitalne laboratoria przed planowym przetoczeniem wykonują próbę krzyżową krwi dawcy i biorcy. Jedno popularne przekonanie nie wytrzymuje krytyki: modna w Japonii idea, że grupa krwi kształtuje osobowość, nie ma żadnego oparcia w nauce. Twoja grupa mówi obcemu człowiekowi, czy twoją krew można bezpiecznie dzielić, a nic o tym, czy jesteś dobrym towarzyszem.

Krzepnięcie krwi

Zatnij się w palec kuchennym nożem, a krwawienie zwykle ustanie w ciągu kilku minut, bez twojego udziału. Ten codzienny cud to hemostaza, czyli zatrzymanie krwawienia, i wymaga ona precyzyjnego wyważenia: zbyt słaba sprawi, że drobna rana stanie się groźna, zbyt silna, że krew zakrzepnie wewnątrz zdrowego naczynia. Organizm rozwiązuje ten problem szybką reakcją, która włącza się tylko w miejscu uszkodzenia, w kilku zachodzących na siebie etapach.

Najpierw zranione naczynie się zaciska. Jego mięśnie gładkie kurczą się w skurczu naczynia, który w ciągu kilku sekund zwęża otwór i spowalnia przepływ. Potem przybywają płytki krwi. To fragmenty o średnicy zaledwie 2–3 mikrometrów, odrywane od olbrzymich komórek szpiku, żyjące około 7–10 dni. Zwykle ślizgają się po gładkiej wyściółce naczynia, ale skaleczenie odsłania leżący pod nią kolagen. Płytki przyklejają się do niego, z gładkich krążków zmieniają się w kolczaste kształty i uwalniają substancje przywołujące kolejne płytki, które układają się w miękki czop płytkowy.

Trzecim etapem jest kaskada krzepnięcia, łańcuch kilkunastu czynników, w większości białek wytwarzanych przez wątrobę i oznaczanych cyframi rzymskimi. Każdy aktywny czynnik włącza wiele cząsteczek następnego, więc mały bodziec wzmacnia się w lawinę. Na końcu łańcucha enzym zwany trombiną tnie rozpuszczony w osoczu fibrynogen na lepkie nici fibryny. Nici splatają się w sieć nad czopem i łapią krwinki czerwone, a płyn w ranie zmienia się w jędrny, czerwony żel. Do wytworzenia kilku czynników potrzebna jest witamina K. Na koniec skrzep się kurczy, ściągając brzegi rany, a gdy naczynie się zagoi, rozpuszcza go enzym zwany plazminą.

Czy wiesz, że badania DNA szczątków ostatniej rosyjskiej rodziny carskiej wykazały w 2009 roku, iż młody następca tronu Aleksy chorował na hemofilię B, odziedziczoną przez matkę po królowej Wiktorii?

Kaskadę odtwarzano przez dziesięciolecia: Paul Morawitz zaproponował w 1905 roku klasyczny schemat z czterema czynnikami, a w 1964 roku dwa zespoły, Robert Macfarlane w Oksfordzie oraz Earl Davie z Oscarem Ratnoffem w Stanach Zjednoczonych, opisały kaskadę wzmacniającą się krok po kroku. Osobom chorym na hemofilię brakuje jednego czynnika, zwykle VIII lub IX, i po drobnych urazach mogą długo krwawić; ponieważ geny te leżą na chromosomie X, choroba dotyka głównie chłopców. Odwrotny problem, zakrzepica, to skrzep tam, gdzie nie powinno go być: w żyle nogi, w tętnicy wieńcowej albo w mózgu.

Na skórze zewnętrzna warstwa skrzepu zasycha w strup, tymczasowy dach, pod którym rośnie nowa tkanka. Zdrapanie go po prostu uruchamia kaskadę od nowa. Gojenie należy do innego rozdziału; zadanie skrzepu kończy się w chwili, gdy przeciek zostaje uszczelniony.

Ciśnienie krwi

W 1733 roku angielski duchowny i uczony Stephen Hales przywiązał klacz na grzbiecie, otworzył tętnicę na jej szyi i połączył ją ze szklaną rurką długości około trzech metrów. Krew wzniosła się w rurce na mniej więcej dwa i pół metra i podskakiwała z każdym uderzeniem serca. Był to pierwszy pomiar ciśnienia krwi, czyli siły, z jaką krew naciska na ściany naczyń, i pokazał on, że tętnice nigdy nie odpoczywają.

Ciśnienie w tętnicach rośnie i spada z każdym uderzeniem. Szczyt, gdy lewa komora się kurczy i wtłacza krew do aorty, to ciśnienie skurczowe; dołek, gdy serce się wypełnia, to ciśnienie rozkurczowe. Oba podaje się w milimetrach słupa rtęci, na pamiątkę dawnych rtęciowych manometrów, więc typowy wynik zdrowego młodego dorosłego, „120 na 80”, oznacza, że ciśnienie mogłoby unieść słup rtęci na 120 milimetrów w szczycie i na 80 między uderzeniami. Nowoczesna metoda z mankietem pochodzi z 1896 roku, gdy Scipione Riva-Rocci owinął ramię nadmuchiwaną opaską, oraz z 1905 roku, gdy rosyjski chirurg Nikołaj Korotkow opisał stukające dźwięki słyszalne przez stetoskop podczas wypuszczania powietrza z mankietu.

Ciśnienie nie wszędzie jest takie samo. Najwyższe jest w aorcie i spada po drodze, najbardziej stromo w umięśnionych tętniczkach, które działają jak krany regulujące opór. Gdy krew dociera do naczyń włosowatych, ciśnienie wynosi około 35 na ich początku i 15 na końcu, a w dużych żyłach przy sercu tylko kilka milimetrów. W każdej chwili zależy ono od tego, ile krwi tłoczy serce i jak mocno zaciśnięte są tętniczki.

Czy wiesz, że żyrafa potrzebuje ciśnienia mniej więcej dwa razy wyższego niż nasze, by wypchnąć krew dwa metry w górę szyi aż do mózgu?

Organizm z sekundy na sekundę utrzymuje ciśnienie w określonych granicach. Czujniki rozciągania zwane baroreceptorami, umieszczone w ścianie aorty i tętnic szyjnych, wysyłają meldunki do pnia mózgu, który dostosowuje częstość pracy serca i szerokość naczyń. Gdy gwałtownie wstajesz, krew na chwilę gromadzi się w nogach; odruch zwykle koryguje to w ciągu jednego czy dwóch uderzeń, ale jeśli się spóźni, kręci ci się w głowie. W skali godzin i dni pałeczkę przejmują nerki, regulując, ile soli i wody zatrzymuje organizm.

Utrzymujące się wysokie ciśnienie, czyli nadciśnienie tętnicze, zwykle nie daje objawów, dlatego często nazywa się je cichym zabójcą. W Wielkiej Brytanii wynik pomiaru w gabinecie wynoszący 140 na 90 lub więcej uznaje się zazwyczaj za podwyższony. Z biegiem lat nadciśnienie obciąża serce i uszkadza tętnice, zwiększając ryzyko udaru, zawału i choroby nerek. Wyniki zmieniają się też naturalnie w ciągu dnia i często rosną w gabinecie lekarskim; to tak zwany efekt białego fartucha. Pojedyncza liczba nigdy nie mówi wszystkiego; liczy się trend w czasie.

Układ limfatyczny

Naczynia krwionośne przeciekają, i tak ma być. Gdy krew przepływa przez naczynia włosowate, ciśnienie wypycha płyn między komórki, które kąpią się w składnikach odżywczych. Większość wraca do naczynia na jego drugim końcu, ale nie wszystko. Każdego dnia zostają na zewnątrz mniej więcej trzy litry, razem z zabłąkanymi białkami i komórkami. Bez sposobu na ich zebranie tkanki puchłyby jak gąbki. Sprzątaniem zajmuje się układ limfatyczny, druga sieć naczyń biegnąca prawie wszędzie obok naczyń krwionośnych.

Zaczyna się od ślepo zakończonych naczyń włosowatych chłonnych, nieco szerszych od krwionośnych, których zachodzące na siebie komórki ściany działają jak jednokierunkowe klapki: wpuszczają płyn, ale go nie wypuszczają. W środku płyn nazywa się już chłonką, czyli limfą, przejrzystą i bladą. Naczynia włosowate łączą się w większe naczynia z zastawkami, podobnymi do żylnych. Nie ma tu pompy: chłonkę przesuwa ucisk mięśni, tętnienie pobliskich tętnic i zmiany ciśnienia podczas oddychania. W błonie śluzowej jelita cienkiego szczególne naczynia chłonne, naczynia mleczne, wchłaniają strawione tłuszcze, przez co chłonka staje się tam mleczna.

Po drodze chłonka przepływa przez węzły chłonne, fasolkowate filtry o długości od kilku milimetrów do około 2 centymetrów. Dorosły ma ich kilkaset, często podaje się liczbę około 600, skupionych na szyi, pod pachami, w pachwinach, w klatce piersiowej i w jamie brzusznej. Wewnątrz stłoczone krwinki białe sprawdzają przepływający płyn i wyłapują bakterie, wirusy oraz resztki komórek. W końcu naczynia łączą się w dwa główne kanały. Przewód piersiowy, długi na około 40 centymetrów, zbiera chłonkę z większości ciała i uchodzi do dużej żyły u podstawy szyi po lewej stronie, a mały przewód limfatyczny prawy zbiera ją z prawej ręki, prawej połowy klatki piersiowej i głowy.

Układ ma jeszcze dwa narządy. Śledziona, wielkości pięści, leży pod żebrami w lewym górnym kwadrancie brzucha; filtruje krew, a nie chłonkę, usuwa stare krwinki czerwone i przechowuje krwinki białe. Grasica, za mostkiem, to szkoła młodych limfocytów T; największa jest w dzieciństwie, a potem stopniowo zamienia się w tłuszcz. Włoski anatom Gaspare Aselli jako pierwszy zauważył mleczne naczynia w 1622 roku u psa, który dopiero co zjadł, a w latach pięćdziesiątych XVII wieku Olof Rudbeck i Thomas Bartholin prześledzili resztę sieci.

Czy wiesz, że naczynia chłonne w oponach otaczających mózg opisano dopiero w 2015 roku, obalając podręcznikowy pogląd, że mózg ich nie ma?

Gdy węzły chłonne zostaną usunięte lub uszkodzone, na przykład po niektórych operacjach nowotworowych, chłonka może się gromadzić i powodować trwały obrzęk, zwany obrzękiem limfatycznym. Powiększone „gruczoły” na szyi podczas bólu gardła to wcale nie gruczoły, lecz węzły chłonne, nabrzmiałe, bo ciężko pracują. Przez większość czasu to cichy system odwadniający, który staje się polem bitwy, gdy tylko wedrze się zarazek.

Nerki

Oprzyj dłonie na talii, kciukami do tyłu: spoczną tuż pod twoimi nerkami, dwoma narządami w kształcie fasoli, przylegającymi do tylnej ściany jamy brzusznej po obu stronach kręgosłupa. Każda ma około 11–12 centymetrów długości, mniej więcej tyle co myszka komputerowa, i waży około 150 gramów; prawa leży nieco niżej, zepchnięta przez wątrobę. Razem stanowią mniej niż pół procenta masy ciała, a otrzymują około jednej piątej całej krwi tłoczonej przez serce.

Przekrój nerki wzdłuż ukazuje warstwę zewnętrzną, korę, i obszar wewnętrzny, rdzeń, ułożony w stożkowate piramidy, które uchodzą do lejka, miedniczki nerkowej, a dalej do moczowodu. Jednostkami roboczymi są mikroskopijne nefrony, zwykle około miliona w każdej nerce, choć ich liczba bardzo różni się między ludźmi. Każdy nefron zaczyna się od kłębuszka, kłębka naczyń włosowatych otulonego dwuścienną torebką nazwaną na cześć Williama Bowmana, który opisał ją w 1842 roku. Ciśnienie krwi wyciska z kłębuszka wodę i małe cząsteczki, zostawiając w krwi komórki i duże białka.

Nerki filtrują około 180 litrów płynu na dobę, a moczu oddajesz tylko około jednego do dwóch litrów. Reszta jest odzyskiwana, gdy przesącz płynie wzdłuż kanalika nefronu. Pierwszy, kręty odcinek, kanalik proksymalny, odbiera całą glukozę i około dwóch trzecich soli i wody. Przypominająca spinkę do włosów pętla Henlego zanurza się w rdzeń i buduje tam gradient soli, dzięki któremu później można odciągnąć wodę. Kanalik dystalny precyzyjnie dostraja sole i kwasowość, a w kanaliku zbiorczym hormon przysadki, hormon antydiuretyczny, decyduje, ile wody zostanie zatrzymane: dużo, gdy chce ci się pić, mało po wypiciu dużej ilości płynu. To, co zostaje, wraz z mocznikiem i innymi odpadami, staje się moczem.

Czy wiesz, że przy około 180 litrach na dobę nerki przefiltrowują całą objętość twojego osocza mniej więcej 60 razy dziennie?

Nerki nie tylko oczyszczają. Równoważą sól i wodę, co pomaga ustalać ciśnienie krwi, uwalniają erytropoetynę, sygnał nakazujący szpikowi wytwarzać krwinki czerwone, i aktywują witaminę D. Gdy zawodzą, odpady gromadzą się we krwi. W 1943 roku w okupowanej Holandii holenderski lekarz Willem Kolff zbudował pierwszą działającą sztuczną nerkę, aparat do dializy zaimprowizowany częściowo z osłonki do kiełbas i bębna. W 1954 roku w Bostonie zespół Josepha Murraya przeprowadził pierwsze udane przeszczepienie nerki, między bliźniętami jednojajowymi, Richardem i Ronaldem Herrickami.

Większość ludzi może normalnie żyć z jedną zdrową nerką, dlatego możliwe jest dawstwo od żywego dawcy. Kolor moczu to przybliżona wskazówka, jak pracują nerki: jasny po wypiciu dużej ilości wody, ciemniejszy po gorącym, suchym dniu. Dwie małe fasolki, które po cichu decydują, co we krwi zostaje, a co odchodzi.

Drogi oddechowe

Drogi oddechowe to przewody, które prowadzą powietrze ze świata zewnętrznego do płuc, a robią przy tym znacznie więcej, niż tylko je przepuszczają. Trasa zaczyna się w nozdrzach i w jamie nosowej, wysokiej, wąskiej komorze, na której bocznych ścianach leżą trzy zwinięte blaszki kostne, małżowiny nosowe. Za nią znajduje się gardło, wspólne dla powietrza i pokarmu, potem krtań, a wreszcie tchawica, rura długości około 10–12 centymetrów i szerokości mniej więcej 2 centymetrów, biegnąca przednią częścią szyi do klatki piersiowej.

Małżowiny sprawiają, że powietrze wiruje nad rozległą, ciepłą i wilgotną błoną śluzową, bogatą w naczynia krwionośne. Zanim wdech dotrze do płuc, ma już temperaturę ciała i jest niemal całkowicie nasycony parą wodną, niezależnie od tego, czy zaczerpnęliśmy go na stoku narciarskim, czy na pustyni. Włoski w nozdrzach zatrzymują większe cząstki, a lepka warstwa śluzu wyłapuje drobny pył, pyłki roślin i drobnoustroje. U wejścia do krtani listkowata klapka, nagłośnia, opada przy każdym przełknięciu i kieruje pokarm do przełyku, za tchawicę.

Tchawicę utrzymuje w stanie otwartym od 16 do 20 chrzęstnych pierścieni w kształcie litery C, otwartych ku tyłowi, w stronę przełyku. Można je wyczuć jako wypukłości poniżej jabłka Adama. Mniej więcej na wysokości czwartego lub piątego kręgu piersiowego tchawica rozwidla się przy grzebieniu zwanym ostrogą tchawicy na prawe i lewe oskrzele główne. Prawe jest szersze, krótsze i bardziej strome niż lewe, dlatego wciągnięty orzeszek ziemny zwykle trafia na prawo. W 1897 roku niemiecki chirurg Gustav Killian zajrzał do tchawicy żywego człowieka przez rurkę ze światłem i wyjął wieprzową kość tkwiącą w oskrzelu pewnego rolnika: była to pierwsza bronchoskopia.

Na całej długości błona śluzowa pokryta jest rzęskami, mikroskopijnymi włoskami, które uderzają 10–20 razy na sekundę skoordynowanymi falami. Popychają one warstwę śluzu ku górze niczym „ruchome schody”, dostarczając uwięziony brud do gardła, gdzie zostaje niepostrzeżenie połknięty. Dym tytoniowy spowalnia, a z czasem niszczy rzęski, dlatego palacze muszą wykasływać to, czego ich schody już nie przenoszą. W astmie mięśnie gładkie wokół mniejszych oskrzeli kurczą się, a śluzówka puchnie, przez co wydech staje się świszczącym wysiłkiem.

Czy wiesz, że większość ludzi oddycha w danej chwili głównie jedną dziurką nosa, a druga strona lekko puchnie i co kilka godzin obie zamieniają się rolami w rytmie zwanym cyklem nosowym?

Katar w mroźny dzień to układ pracujący w nadgodzinach: śluzówka wydziela więcej wilgoci, by ogrzać lodowate powietrze, a część jej skrapla się, zanim zdąży zostać wchłonięta z powrotem. Drogi oddechowe to nie hydraulika, lecz klimatyzacja, która nigdy się nie wyłącza.

Płuca

Płuca to para miękkich, gąbczastych narządów o kształcie stożka, które wypełniają większą część klatki piersiowej, od miejsca tuż nad obojczykami aż po kopułę przepony. Razem ważą zaledwie około kilograma, bo większość ich objętości stanowi powietrze. Nie są identyczne. Prawe płuco ma trzy płaty, górny, środkowy i dolny, a lewe tylko dwa i ma wgłębienie zwane wcięciem sercowym, które robi miejsce dla serca przesuniętego w lewo.

Wnętrze płuc zbudowane jest wokół drzewa oskrzelowego. Tchawica dzieli się na dwa oskrzela główne, te na oskrzela płatowe, potem segmentowe i tak dalej, a każdy przewód rozdziela się na dwa mniejsze łącznie około 23 razy. Pierwsze piętnaście czy szesnaście pokoleń tworzy strefę przewodzącą: oskrzela usztywnione chrząstką, a dalej węższe oskrzeliki owinięte mięśniami gładkimi. Przewodzą one powietrze, ale nie wymieniają gazów, a ich objętość, około 150 mililitrów, nazywa się przestrzenią martwą. Mniej więcej od 17. pokolenia ściany zaczynają się uwypuklać w woreczki powietrzne, a w 23. pokoleniu drzewo kończy się milionami drobnych woreczków pęcherzykowych, w których tlen wreszcie przechodzi do krwi.

Płuca nie mają własnych mięśni, które poruszałyby powietrze. Każde owinięte jest cienką błoną, opłucną, a wnętrze ściany klatki piersiowej wyściela druga. Między nimi znajduje się warstewka płynu grubości setnej, najwyżej dwóch setnych milimetra, dzięki której powierzchnie ślizgają się po sobie, a zarazem przylegają do siebie jak dwie mokre szyby. Gdy klatka piersiowa się rozszerza, pociąga płuca za sobą. W spoczynku dorosły przy każdym oddechu przesuwa około pół litra powietrza, 12–20 razy na minutę, co daje znacznie ponad 15 000 oddechów na dobę. Pełny wdech zwiększa całkowitą objętość płuc dużego dorosłego mężczyzny do około sześciu litrów, a nawet po najmocniejszym wydechu w środku zostaje ponad litr, więc płuca nigdy się nie opróżniają.

Ich znaczenie dobitnie pokazał w 1667 roku Robert Hooke, który utrzymywał przy życiu uśpionego psa, wdmuchując miechem powietrze do jego otwartych płuc. Dowiódł w ten sposób, że życie podtrzymuje świeże powietrze, a nie sam ruch płuc. Płuca przy każdym wdechu stykają się ze światem zewnętrznym, są więc narażone na zakażenia: w zapaleniu płuc przestrzenie powietrzne wypełniają się płynem i komórkami. Jeśli powietrze przedostanie się między blaszki opłucnej, powstaje odma opłucnowa: szczelność zostaje przerwana, a płuco zapada się jak wypuszczony balon.

Czy wiesz, że kawałek zdrowego płuca unosi się na wodzie, a przez stulecia lekarze sądowi używali tej „próby wodnej”, by ocenić, czy noworodek oddychał, choć dziś wiadomo, że metoda ta jest zawodna?

Czujesz to wszystko za każdym razem, gdy po głębokim wdechu wypływasz wyżej w basenie. Płuca są jednocześnie kołem ratunkowym, rozgałęzionym drzewem i miechem.

Pęcherzyki płucne: gdzie powietrze spotyka krew

Na samych końcach drzewa oskrzelowego leżą pęcherzyki płucne, maleńkie woreczki powietrzne zebrane jak kiście winogron wokół ostatnich przewodów. Każdy ma średnicę około jednej piątej milimetra, a staranne zliczenie w płucach dorosłych wykazało ich około 480 milionów, choć liczba ta różni się u poszczególnych osób. Rozpostarta na płasko, ich wewnętrzna powierzchnia zajęłaby około 70 metrów kwadratowych, prawie tyle co boisko do badmintona, a wszystko to złożone jest w przestrzeni wielkości dwóch piłek futbolowych.

Każdy pęcherzyk oplata sieć naczyń włosowatych tak gęsta, że krew przepływa po nim niemal jak ciągła warstwa. Między powietrzem a krwią leży bariera krew–powietrze, gruba zaledwie na pół mikrometra, ponad sto razy cieńsza od ludzkiego włosa. Ma trzy warstwy: płaski pneumocyt typu I wyściełający pęcherzyk, wspólną błonę podstawną i cienką komórkę ściany naczynia. Tlen po prostu dyfunduje przez nią z powietrza, gdzie jego stężenie jest wysokie, do krwi, gdzie jest niskie, a dwutlenek węgla wędruje w przeciwną stronę. W spoczynku krwinka czerwona spędza w naczyniu pęcherzykowym około trzech czwartych sekundy, a zwykle zostaje w pełni naładowana już w pierwszej jednej trzeciej tego czasu, co daje zapas na wysiłek.

Tak wilgotne powierzchnie mają pewien problem: napięcie powierzchniowe, siła, która każe wodzie tworzyć krople, zamyka małe pęcherzyki. Rozwiązują go bardziej pękate pneumocyty typu II, wydzielając surfaktant, przypominającą detergent warstewkę tłuszczów i białek, która obniża napięcie powierzchniowe i nie pozwala pęcherzykom zapadać się przy każdym wydechu. Po ich powierzchni patrolują makrofagi pęcherzykowe, zwane komórkami pyłowymi, które pochłaniają wdychane cząstki i bakterie.

Marcello Malpighi jako pierwszy zobaczył pęcherzyki i otaczające je naczynia włosowate w 1661 roku, oglądając pod mikroskopem płuca żaby, i odkrył tym samym brakujące ogniwo między tętnicami a żyłami. Niemal trzy stulecia później, w 1959 roku, Mary Ellen Avery i Jere Mead wykazali, że wcześniakom z trudnościami w oddychaniu brakuje surfaktantu; to spostrzeżenie doprowadziło do terapii, które dziś ratują życie wielu noworodków. U dorosłych rozedma, najczęściej skutek palenia, niszczy ściany między pęcherzykami i łączy je w większe, wiotkie przestrzenie o znacznie mniejszej powierzchni wymiany gazowej. We włóknieniu płuc bariera z kolei grubieje i sztywnieje.

Czy wiesz, że naczynia włosowate płuc mieszczą w każdej chwili zaledwie około 75 mililitrów krwi, mniej więcej pięć łyżek stołowych, rozprowadzonych tak cienko, że pokrywają całą powierzchnię pęcherzyków?

Dmuchanie bańki mydlanej pokazuje działającą tu fizykę: im mniejsza bańka, tym trudniej ją nadmuchać. Pierwszy oddech noworodka, który musi naraz otworzyć miliony wypełnionych płynem pęcherzyków, należy do najtrudniejszych w całym życiu. Potem dzięki surfaktantowi każdy oddech wydaje się bez wysiłku.

Przepona i oddychanie

Przepona to kopulasta płyta mięśnia szkieletowego, która oddziela klatkę piersiową od jamy brzusznej. Jej włókna biegną od dolnych żeber, mostka i kręgosłupa ku płaskiemu środkowi ścięgnistemu na szczycie kopuły, na którym spoczywa serce. Przebijają ją trzy duże otwory, dla przełyku, aorty i żyły głównej dolnej. Jej nerw, nerw przeponowy, zaczyna się wysoko w szyi, z trzeciego, czwartego i piątego nerwu szyjnego, co anglojęzyczni studenci medycyny zapamiętują rymowanką „C3, 4 i 5 utrzymują przeponę przy życiu”.

Wdech to aktywna praca. Gdy przepona się kurczy, jej kopuła spłaszcza się i przesuwa w dół, o centymetr lub dwa przy spokojnym oddychaniu, a nawet o dziesięć centymetrów przy głębokim wdechu. Jednocześnie mięśnie międzyżebrowe zewnętrzne unoszą klatkę piersiową w górę i na boki, jak podnoszone ucho wiadra. Klatka się powiększa, a ponieważ płuca przylegają do jej ścian, rozszerzają się razem z nią. Zgodnie z prawem Boyle'a gaz w większej przestrzeni ma niższe ciśnienie: powietrze w płucach spada odrobinę, o około milimetr słupa rtęci, poniżej ciśnienia na zewnątrz. Ta niewielka różnica wystarcza i powietrze wpływa do środka.

Wydech w spoczynku nie wymaga żadnego wysiłku. Przepona się rozluźnia, rozciągnięte płuca i ściana klatki piersiowej wracają na miejsce dzięki sprężystości, a powietrze zostaje wypchnięte. Dopiero gdy zdmuchujemy świeczki, krzyczymy albo biegniemy, do pracy włączają się mięśnie międzyżebrowe wewnętrzne i mięśnie brzucha, by szybciej wycisnąć powietrze. Przy spokojnym oddychaniu przepona wykonuje mniej więcej trzy czwarte pracy. Sam rytm pochodzi od skupiska neuronów w pniu mózgu, które pobudzają się automatycznie dniem i nocą, choć możemy go świadomie przejąć, by mówić, śpiewać czy westchnąć.

Mechanikę oddychania rozważano już w XVII wieku. W latach 70. tego stulecia angielski lekarz John Mayow porównał klatkę piersiową do miecha: nie zasysa ona powietrza, rozumował, tylko się powiększa, a powietrze z zewnątrz napiera, by wypełnić wolną przestrzeń. Gdy nerwy przeponowe zostaną uszkodzone albo rdzeń kręgowy ulegnie urazowi wysoko w szyi, przepona może zostać sparaliżowana i jej pracę musi przejąć maszyna.

Czy wiesz, że dzieci miewają czkawkę jeszcze w łonie matki, zwłaszcza w ostatnich miesiącach ciąży, a wiele kobiet czuje ją jako drobne, rytmiczne podrygi?

Sama czkawka to przepona, która źle zadziałała: nagły, mimowolny skurcz zasysa powietrze, a ułamek sekundy później fałdy głosowe gwałtownie się zamykają, wydając charakterystyczne „hik”. Większość napadów mija sama w ciągu kilku minut. Każdy inny oddech jest cichszy: mięsień ciągnie w dół, a potem po prostu puszcza.

Tlen i dwutlenek węgla

Każda komórka ciała spala paliwo z udziałem tlenu i wydziela dwutlenek węgla jako odpad, a oddychanie istnieje po to, by oba gazy były w ciągłym ruchu. W spoczynku dorosły pobiera około 250 mililitrów tlenu na minutę i oddaje około 200 mililitrów dwutlenku węgla. Siłą, która je przemieszcza, nie jest pompa, lecz spadek ciśnienia parcjalnego, czyli tej części całkowitego ciśnienia powietrza, która przypada na dany gaz. Gaz zawsze dyfunduje stamtąd, gdzie jego ciśnienie parcjalne jest wyższe, tam, gdzie jest niższe.

Powietrze zawiera około 21 procent tlenu, więc na poziomie morza ciśnienie tlenu wynosi w nim około 160 milimetrów słupa rtęci. Zanim powietrze dotrze do pęcherzyków, zostaje rozcieńczone parą wodną i dwutlenkiem węgla uchodzącym z krwi, a ciśnienie tlenu spada do około 100. Krew opuszczająca płuca ma ciśnienie tlenu około 95, lecz większość jej tlenu wcale nie jest rozpuszczona. Około 98 procent podróżuje na hemoglobinie, białku wypełniającym krwinki czerwone; każda jej cząsteczka może przenieść cztery cząsteczki tlenu, a krew tętnicza jest wysycona w około 98 procentach. W tkankach, gdzie ciśnienie tlenu wynosi około 40, a w mitochondriach zaledwie kilka, hemoglobina oddaje ładunek. Mimo to krew wracająca do serca w spoczynku wciąż jest wysycona w trzech czwartych, co stanowi duży zapas na wysiłek.

Dwutlenek węgla wraca trzema drogami. Około 70 procent zamienia się w krwinkach czerwonych w wodorowęglan, w reakcji ogromnie przyspieszanej przez enzym anhydrazę węglanową; około 20 procent wiąże się z hemoglobiną, a reszta płynie rozpuszczona w osoczu. W pracujących tkankach rosnący poziom dwutlenku węgla i kwasu sprawia, że hemoglobina łatwiej oddaje tlen. To efekt Bohra, dzięki któremu najciężej pracujące mięśnie same dostają najwięcej.

Historia tego odkrycia rozgrywa się w latach 70. XVIII wieku. Carl Wilhelm Scheele w Szwecji i Joseph Priestley w Anglii niezależnie wyodrębnili tlen, a Antoine Lavoisier w Paryżu nadał mu nazwę i wykazał, że oddychanie jest powolnym spalaniem, jak świeca płonąca w naszym wnętrzu. Joseph Black znalazł już wcześniej w wydychanym powietrzu „powietrze związane”, czyli dwutlenek węgla. Tę chemię można zaburzyć: tlenek węgla wiąże się z hemoglobiną około 200 razy silniej niż tlen i po cichu blokuje jego transport. Warto też obalić popularny mit: krew w żyłach nigdy nie jest niebieska; jest ciemnoczerwona, a niebieskawa wydaje się tylko przez skórę.

Czy wiesz, że gdy tracisz tkankę tłuszczową, większość jej masy opuszcza ciało jako dwutlenek węgla wydychany przez płuca, a tylko mniejsza część jako woda?

Wydychane powietrze wciąż zawiera około 16 procent tlenu, dlatego oddechy ratownicze mogą utrzymać kogoś przy życiu. Z każdym wydechem oddajesz powietrzu większość tego, co od niego pożyczyłeś, i odrobinę tego, co zjadłeś.

Głos

Głos powstaje w krtani, pustym chrzęstnym rusztowaniu na szczycie tchawicy. Jej największy element, chrząstka tarczowata, wystaje do przodu i tworzy jabłko Adama. W środku, rozpięte od przodu do tyłu, leżą dwa fałdy głosowe, często zwane strunami głosowymi, choć nie są strunami, lecz zaokrąglonymi wałami mięśnia i więzadła pokrytymi miękką błoną śluzową. U dorosłych mężczyzn mają około 17–25 milimetrów długości, u kobiet około 12–17. Małe, piramidkowate chrząstki nalewkowate z tyłu odsuwają fałdy od siebie podczas oddychania, otwierając szczelinę w kształcie litery V, zwaną głośnią, i zbliżają je do siebie, gdy mówimy.

Dźwięk powstaje krok po kroku. Fałdy się zamykają; ciśnienie powietrza z płuc narasta pod nimi, aż je rozsunie, zaczynając od dolnej krawędzi; wydostaje się porcja powietrza; potem sprężystość fałdów i nagły spadek ciśnienia w szybkim strumieniu ponownie je zamykają. Cykl powtarza się sto i więcej razy na sekundę, siekając równy strumień oddechu na brzęczenie. Gdy fałdy się napina i wydłuża, głównie mięśniem pierścienno-tarczowym, drgają szybciej, a wysokość dźwięku rośnie. Typowy dorosły mężczyzna mówi z częstotliwością około 120 drgań na sekundę, kobieta około 210, a małe dzieci jeszcze wyżej.

Samo brzęczenie brzmiałoby jak wabik na kaczki. Znajdująca się nad nim nasada, czyli gardło, jama ustna i jama nosowa, działa jak pudło rezonansowe, którego kształt wydobywa pewne częstotliwości; ruchy języka i żuchwy zmieniają te rezonanse i zamieniają brzęczenie w różne samogłoski. Język, zęby, wargi i podniebienie miękkie przerywają następnie i formują strumień w spółgłoski.

Pierwszym człowiekiem, który zobaczył pracę własnych fałdów głosowych, był nauczyciel śpiewu Manuel García. W 1854 roku w Londynie użył lusterka dentystycznego na długiej rączce, lusterka ręcznego i światła słonecznego, by obejrzeć swoją krtań: tak narodziła się laryngoskopia. Kłopoty wynikają z przeciążenia i infekcji: w zapaleniu krtani fałdy puchną, a głos chrypi albo znika, zaś śpiewacy i nauczyciele nadwyrężający głos mogą nabawić się drobnych zgrubień, guzków głosowych. W okresie dojrzewania męska krtań szybko rośnie, fałdy wydłużają się i grubieją, a głos obniża się mniej więcej o oktawę, czasem po drodze się łamiąc.

Czy wiesz, że gdy sopranistka śpiewa wysokie C, jej fałdy głosowe otwierają się i zamykają ponad tysiąc razy na sekundę?

Jeśli twój głos brzmi dziwnie na nagraniu, to nie wina mikrofonu. Zwykle słyszysz siebie częściowo przez kości czaszki, które wzmacniają niskie tony; nagranie oddaje głos, który słyszą wszyscy inni. To twój oddech zamieniony w dźwięk.

Kaszel, kichanie i ziewanie

Kaszel, kichanie i ziewanie to odruchy: manewry oddechowe sterowane przez obwody w pniu mózgu, a nie przez świadomą decyzję. Czasem można któryś z nich opóźnić, rzadko powstrzymać i nigdy całkiem przekonująco udać. Wszystkie trzy przebiegają według podobnego scenariusza, głęboki wdech, pauza i nagłe albo przeciągłe wypuszczenie powietrza, ale służą różnym celom.

Kaszel chroni dolne drogi oddechowe. Zaczyna się, gdy receptory podrażnienia w krtani, tchawicy lub oskrzelach wykryją pył, śluz, dym albo okruch, który wpadł nie tam, gdzie trzeba, i wyślą sygnał przez nerw błędny. Pień mózgu odpowiada głębokim wdechem. Potem głośnia, szczelina między fałdami głosowymi, gwałtownie się zamyka, a mięśnie brzucha i klatki piersiowej kurczą się mocno, napierając na nią, przez co ciśnienie w klatce piersiowej rośnie daleko ponad normę. Gdy głośnia nagle się otwiera, powietrze wystrzeliwuje z dużą prędkością, porywając śluz i zanieczyszczenia. Ucisk zwęża też tchawicę, co dodatkowo przyspiesza wyrzut.

Kichanie wykonuje tę samą pracę dla nosa. Podrażnienie błony śluzowej nosa przekazuje nerw trójdzielny, główny nerw czuciowy twarzy, do ośrodka kichania w pniu mózgu. Następuje głęboki wdech, klatka piersiowa się zaciska, a język i podniebienie miękkie ustawiają się tak, by strumień popłynął zarówno przez nos, jak i przez usta. Oczy zamykają się odruchowo, ale wbrew popularnemu mitowi nie wyskoczyłyby z oczodołów, gdyby pozostały otwarte. Przesadą jest też słynne twierdzenie, że kichnięcie pędzi z prędkością ponad 160 kilometrów na godzinę; szybkie nagrania wskazują na kilka metrów na sekundę, choć turbulentna chmura może nieść kropelki na odległość kilku metrów.

Ziewanie to wyjątek: długi, powolny wdech przy szeroko otwartej żuchwie, krótki szczyt i krótszy wydech, łącznie około sześciu sekund. Jego cel wciąż budzi spory. Dawną tezę, że ziewanie uzupełnia tlen, sprawdził w latach 80. XX wieku psycholog Robert Provine, który stwierdził, że oddychanie powietrzem z dodatkiem tlenu lub dwutlenku węgla nie zmienia częstości ziewania. Według jednej z obecnych hipotez ziewanie pomaga chłodzić mózg, według innej wiąże się z przejściami między snem a czuwaniem. Ziewanie jest słynne z tego, że się udziela, a nienarodzone dzieci ziewają już w macicy.

Czy wiesz, że u mniej więcej jednej osoby na sześć do jednej na trzy wyjście w jaskrawe słońce wywołuje kichnięcie, a to nieszkodliwe dziwactwo nazywa się odruchem kichania na światło?

Problemy pojawiają się, gdy odruch nie chce się wyłączyć: przewlekły kaszel trwający tygodniami wymaga diagnostyki, bo jego przyczyną może być wszystko, od astmy po refluks. Przez większość czasu to jednak drobne prace porządkowe. Nawet czytanie o ziewaniu może sprawić, że ziewniesz, i w ten sposób pień mózgu ma ostatnie słowo.

Oddychanie na dużej wysokości

Gdy wspinasz się na górę, udział tlenu w powietrzu wcale nie maleje: nawet na szczycie Everestu wynosi około 21 procent. Spada natomiast ciśnienie atmosferyczne, a wraz z nim ciśnienie parcjalne tlenu, czyli siła, która przepycha tlen przez ściany pęcherzyków do krwi. Ciśnienie powietrza spada o połowę na wysokości około 5500 metrów. Na szczycie Everestu, 8849 metrów nad poziomem morza, wynosi już tylko około jednej trzeciej wartości z poziomu morza, a ciśnienie tlenu w powietrzu spada z około 159 do około 53 milimetrów słupa rtęci.

Organizm reaguje etapami. W ciągu kilku minut czujniki zwane kłębkami szyjnymi, maleńkie skupiska komórek w miejscu rozwidlenia tętnic szyjnych, wykrywają spadek tlenu we krwi i wymuszają szybszy, głębszy oddech, a serce przyspiesza. Mocniejsze oddychanie wydmuchuje dwutlenek węgla i alkalizuje krew, dlatego w ciągu kolejnych dni nerki wydalają więcej wodorowęglanu, by przywrócić równowagę. Przez następne tygodnie nerki uwalniają też więcej hormonu erytropoetyny, który każe szpikowi kostnemu wytwarzać więcej krwinek czerwonych. Ta aklimatyzacja wyjaśnia, dlaczego wspinacze wchodzą powoli i skąd wzięła się zasada „wspinaj się wysoko, śpij nisko”.

Zbyt szybkie wejście ma swoje konsekwencje. Powyżej około 2500 metrów wiele osób zapada na ostrą chorobę górską: ból głowy, nudności, kiepski sen i zmęczenie. Rzadsze, ale groźne postacie to obrzęk płuc i obrzęk mózgu, które leczy się przede wszystkim zejściem w dół. Powyżej 8000 metrów zaczyna się tak zwana strefa śmierci, w której nikt nie może się w pełni zaaklimatyzować, a organizm stopniowo słabnie. Niektóre populacje przystosowały się w ciągu tysięcy lat: wielu Tybetańczyków nosi wariant genu EPAS1, odziedziczony po dawnych denisowianach, który chroni ich przed nadmiarem krwinek czerwonych, a mieszkańcy Andów mają własny zestaw przystosowań. Najwyżej położone stałe miasto, La Rinconada w Peru, leży na wysokości około 5100 metrów.

Droga do tej wiedzy była dramatyczna. W 1875 roku balon Zénith wzniósł się nad Francją na ponad 8000 metrów i dwóch z trzech jego aeronautów zmarło z niedotlenienia. Francuski fizjolog Paul Bert, który wcześniej im doradzał, wykazał w swojej książce La Pression barométrique z 1878 roku, że zagrożeniem jest niskie ciśnienie parcjalne tlenu, a nie samo niskie ciśnienie.

Czy wiesz, że Reinhold Messner i Peter Habeler jako pierwsi weszli na Everest bez butli z tlenem w 1978 roku, choć wielu fizjologów uważało to za niemożliwe?

Rozrzedzone powietrze spotykasz w każdym samolocie. Kabiny są hermetyzowane do ciśnienia odpowiadającego mniej więcej 1800–2400 metrom, dlatego przy wznoszeniu i lądowaniu zatykają się i odtykają uszy: powietrze uwięzione w uchu środkowym musi wyrównać ciśnienie przez wąską trąbkę słuchową. Wysokość to w gruncie rzeczy nie brak tlenu, lecz brak naporu.

Wstrzymywanie oddechu

Weź głęboki wdech i wstrzymaj oddech, a po mniej więcej minucie większość niewytrenowanych dorosłych uzna potrzebę zaczerpnięcia powietrza za nie do odparcia. Co zaskakujące, to nie brak tlenu zmusza nas do kapitulacji. Głównym alarmem jest rosnący poziom dwutlenku węgla we krwi. Dwutlenek węgla, rozpuszczając się, tworzy kwas, a chemoreceptory ośrodkowe, czujniki na powierzchni pnia mózgu, wykrywają zmianę kwasowości płynu otaczającego mózg. Mniejsze czujniki w szyi, kłębki szyjne, śledzą również tlen, ale w normalnych warunkach to dwutlenek węgla uruchamia alarm.

Bezdech przebiega etapami. Najpierw zamyka się głośnia, a przepona nieruchomieje. Dwutlenek węgla stale rośnie, a tlen spada wolniej. W punkcie przełamania, zwykle po 30–90 sekundach w spoczynku, potrzeba oddechu staje się przemożna. Ci, którzy wytrzymują dalej, czują, że przepona zaczyna drgać w mimowolnych skurczach, rytmicznych spazmach, które nurkowie na wstrzymanym oddechu uczą się znosić. Trening pozwala wydłużyć bezdech w imponujący sposób, a czołowi freediverzy wstrzymywali oddech ponad jedenaście minut na zwykłym powietrzu, leżąc nieruchomo w wodzie.

Woda pomaga. Odruch nurkowy ssaków, wywoływany przez zimną wodę na twarzy, zwalnia pracę serca, zwęża naczynia w rękach i nogach, by zachować tlen dla serca i mózgu, oraz sprawia, że śledziona się kurczy i wtłacza do krwiobiegu dodatkowe krwinki czerwone. Najsilniejszy jest u ssaków nurkujących, takich jak foki, ale wyraźnie występuje także u ludzi.

Myśl, że oddychaniem steruje dwutlenek węgla, ugruntowali John Scott Haldane i John Gillies Priestley z Oksfordu, którzy w 1905 roku wykazali, że organizm reguluje oddech tak, by utrzymać niezwykle stały poziom dwutlenku węgla w płucach. Ich odkrycie tłumaczy realne niebezpieczeństwo. Szybkie i głębokie oddychanie przed nurkowaniem, czyli hiperwentylacja, wypłukuje dwutlenek węgla z krwi, prawie nie dodając tlenu, więc potrzeba oddechu przychodzi za późno; tlen może spaść tak nisko, że pod wodą dochodzi do nagłej utraty przytomności bez żadnego ostrzeżenia, zwanej płytkowodnym omdleniem. Na lądzie natomiast nie da się wstrzymać oddechu aż do zrobienia sobie krzywdy: gdybyśmy zemdleli, pień mózgu po prostu wznowiłby oddychanie.

Czy wiesz, że Badżawowie, „morscy nomadzi” z Azji Południowo-Wschodniej, którzy spędzają dużą część dnia pracy na nurkowaniu na wstrzymanym oddechu, mają śledziony mniej więcej o połowę większe niż ich sąsiedzi rolnicy, co jest dziedzicznym przystosowaniem?

Każdy pływak, który chciał przepłynąć pod wodą jeszcze jedną długość basenu, poznał punkt przełamania i poczuł protest przepony. To palące pragnienie nie oznacza, że ciału kończy się powietrze. To alarm dwutlenku węgla, i niemal zawsze włącza się z wyprzedzeniem.

Oddychanie podczas wysiłku

W spoczynku dorosły wdycha około sześciu litrów powietrza na minutę. Zacznij biec, a liczba ta gwałtownie rośnie, powyżej 100 litrów na minutę przy ciężkim wysiłku i do 150 lub więcej u czołowych sportowców wytrzymałościowych. Pojedynczy oddech zwiększa się z około pół litra nawet do trzech, a częstość rośnie z mniej więcej 12 oddechów na minutę do 40 lub więcej. Koordynacja tej zmiany to praca zespołowa, a dyrygentem jest ośrodek oddechowy w pniu mózgu.

Pierwszymi graczami są czujniki. Oddech przyspiesza już w pierwszych sekundach wysiłku, zanim skład chemiczny krwi zdąży się zmienić. Ten wczesny wzrost pochodzi z samego polecenia ruchu wydanego przez mózg oraz z sygnałów mechanoreceptorów w poruszających się mięśniach i stawach. W miarę trwania wysiłku chemoreceptory w pniu mózgu i kłębkach szyjnych precyzyjnie dostrajają oddychanie do rosnącej produkcji dwutlenku węgla. Odpowiadają pompy: przepona kurczy się mocniej i szybciej, a mięśnie międzyżebrowe i brzucha włączają się, by wypychać powietrze, zamiast czekać na bierny odrzut. W płucach drogi oddechowe nieco się rozszerzają, a naczynia włosowate bezczynne w spoczynku, zwłaszcza w szczytach płuc, otwierają się i powiększają powierzchnię wymiany gazowej.

Dostawa liczy się tak samo jak oddychanie. Rzut serca rośnie z około 5 litrów krwi na minutę do 20–25 u wytrenowanego dorosłego, a pracujące mięśnie pobierają znacznie większą część przepływającego przez nie tlenu, więc krew wraca do serca wyraźnie uboższa. Zużycie tlenu rośnie z około ćwierć litra na minutę w spoczynku do maksimum, czyli VO2 max, zwykle 3–4 litrów na minutę u zdrowego młodego dorosłego i 5 lub więcej u najlepszych zawodników wytrzymałościowych. Brytyjski fizjolog Archibald Vivian Hill mierzył w latach 20. XX wieku pobór tlenu u biegaczy i wprowadził pojęcie maksymalnego poboru tlenu; jego prace pomogły stworzyć fizjologię wysiłku.

Gdy wysiłek rośnie dalej, mięśnie wytwarzają kwas mlekowy szybciej, niż da się go usunąć. Krew buforuje go wodorowęglanem, co uwalnia dodatkowy dwutlenek węgla, a oddech rośnie nieproporcjonalnie do wykonywanej pracy. Ten próg wentylacyjny to moment, w którym trudno już prowadzić rozmowę, na czym opiera się prosty test mowy. U zdrowych ludzi to rzadko płuca ograniczają wydolność; zwykle wcześniej poddają się serce i mięśnie. Jednak w skurczu oskrzeli wywołanym wysiłkiem, odmianie astmy, drogi oddechowe zwężają się w trakcie lub po ciężkim wysiłku, często w zimnym, suchym powietrzu.

Czy wiesz, że trening prawie nie powiększa płuc, a buduje przede wszystkim silniejsze serce i mięśnie wypełnione większą liczbą naczyń włosowatych i mitochondriów?

Zadyszka po sprincie to układ, który nadrabia zaległości: spłaca dług tlenowy, usuwa dwutlenek węgla i mleczan oraz chłodzi ciało. Brak tchu nie świadczy o porażce płuc, lecz o tym, że cały zespół pracuje.

Zęby i żucie

Trawienie zaczyna się od ugryzienia. W ustach dorosłego człowieka mieści się do 32 zębów stałych, po szesnaście w każdej szczęce, ułożonych w podkowę zwaną łukiem zębowym. Z przodu osiem siekaczy o dłutowatych brzegach odcina kęsy; obok nich cztery spiczaste kły chwytają i rozrywają; dalej osiem przedtrzonowców i dwanaście trzonowców, w tym cztery zęby mądrości, miażdży i rozciera pokarm szerokimi, guzkowatymi powierzchniami. Dzieciom wystarcza 20 zębów mlecznych, które zaczynają wypadać około szóstego roku życia, wypychane od dołu przez zęby stałe.

Każdy ząb zbudowany jest według tego samego warstwowego planu. Widoczną koronę pokrywa szkliwo, najtwardsza substancja w organizmie, w około 96 procentach mineralna, złożona głównie z kryształów fosforanu wapnia zwanych hydroksyapatytem. Pod nim leży zębina, żółtawa, podobna do kości warstwa poprzecinana tysiącami mikroskopijnych kanalików. W środku znajduje się miazga, miękka żywa tkanka z naczyniami krwionośnymi i nerwami, które wnikają przez maleńki otwór na szczycie każdego korzenia. Korzenie tkwią w zębodołach kości szczęki, pokryte cienką warstwą cementu i zawieszone na ozębnej, poduszce włókien, która pozwala każdemu zębowi lekko ustępować pod naciskiem.

Żucie to precyzyjna inżynieria. Mięsień żwacz, który czuć pod palcami przy kącie żuchwy, gdy zaciskamy zęby, wraz z mięśniem skroniowym unosi żuchwę z siłą kilkuset niutonów na wysokości trzonowców. Żuchwa przesuwa się też na boki, więc trzonowce nie tylko miażdżą, ale i rozcierają. Język i policzki bez przerwy podsuwają pokarm między zęby, a ślina, od pół litra do półtora litra dziennie, zmiękcza go w wilgotną kulkę. Ślina zawiera enzym amylazę i dlatego długo żuty kawałek chleba zaczyna smakować słodko: skrobia już rozpada się na cukier.

Czy wiesz, że szkliwo nie zawiera żadnych żywych komórek, więc w odróżnieniu od kości nigdy nie może się samo naprawić? Komórki, które je zbudowały, giną, gdy tylko ząb przebije się przez dziąsło.

Zęby przyniosły też najstarsze odkrycie mikrobiologii. W 1683 roku holenderski szlifierz soczewek Antonie van Leeuwenhoek zeskrobał biały nalot spomiędzy własnych zębów, obejrzał go pod mikroskopem i opisał maleńkie, ruchliwe „zwierzątka”, czyli pierwszą zapisaną obserwację bakterii. Te same bakterie powodują próchnicę: fermentują cukier do kwasu, a gdy w ustach robi się dostatecznie kwaśno, szkliwo zaczyna się rozpuszczać. Jeśli ubytek dotrze do zębiny, kanaliki przewodzą bodźce gorąca, zimna i słodyczy prosto ku nerwowi, dlatego uszkodzony ząb rwie przy lodach.

Z tego samego powodu nawet zdrowe zęby reagują na zimno, gdy dziąsła się cofają i odsłaniają zębinę przy szyjce. Za każdym spokojnym posiłkiem stoi zestaw narzędzi do mielenia, zaprojektowany na całe życie z materiału, którego nie da się wymienić.

Połykanie

Połykanie wygląda na proste, a jest wszystkim, tylko nie tym. W niecałą sekundę pokarm musi przejść przez jedyne miejsce w ciele, w którym krzyżują się drogi powietrza i jedzenia, czyli gardło, tak by żaden okruch nie trafił w złą stronę. Większość dorosłych przełyka mniej więcej 500 do 700 razy dziennie, głównie ślinę, i za każdym razem dziesiątki mięśni języka, podniebienia, gardła i szyi pracują w ściśle ustalonej kolejności.

Pierwsza faza jest świadoma. Gdy żucie zamieni jedzenie w miękką kulkę zwaną kęsem pokarmowym, czubek języka naciska na podniebienie twarde i przetacza kęs do tyłu, jak pasta wyciskana z tubki. Kiedy kęs dotknie tylnej części jamy ustnej, receptory uruchamiają drugą fazę, odruch gardłowy, i od tej chwili nie mamy już nad niczym kontroli. Podniebienie miękkie i zwisający języczek unoszą się, odcinając jamę nosową, żeby jedzenie nie wydostało się nosem. Cała krtań podskakuje w górę i do przodu (czuć, jak unosi się jabłko Adama), struny głosowe się zwierają, oddech zatrzymuje się, a nagłośnia, płatek chrząstki w kształcie liścia, opada na wejście do tchawicy. Kęs zsuwa się po niej do przełyku.

Trzecia faza należy do przełyku, umięśnionej rury długości około 25 centymetrów, biegnącej za tchawicą i sercem. Na obu końcach zamykają go pierścienie mięśni zwane zwieraczami. Górny rozluźnia się, by wpuścić kęs; potem za kęsem wędruje w dół pierścień skurczu, fala zwana perystaltyką, która popycha go z prędkością kilku centymetrów na sekundę. Kęs stałego pokarmu dociera do żołądka po mniej więcej 5 do 10 sekundach, płyn nieco szybciej. Na koniec dolny zwieracz przełyku na chwilę się otwiera i znów zamyka, by kwas żołądkowy pozostał tam, gdzie jego miejsce.

Po raz pierwszy zobaczono to w ruchu w 1896 roku, kilka miesięcy po odkryciu promieni rentgenowskich, gdy student medycyny z Harvardu Walter Cannon karmił zwierzęta pokarmem z dodatkiem soli bizmutu i śledził jego wędrówkę przełykiem na ekranie fluoroskopu. Ta sama zasada przetrwała w dzisiejszym badaniu kontrastowym przełyku z barytem.

Czy wiesz, że perystaltyka wyciska pokarm, zamiast pozwolić mu spadać, więc można przełykać, stojąc na głowie, a astronauci jedzą na orbicie zupełnie normalnie?

Kiedy ta sekwencja zawodzi, skutki są poważne. Po udarze mózgu odruch może osłabnąć i jedzenie lub napój wpada do dróg oddechowych, co nazywamy aspiracją. Jeśli dolny zwieracz rozluźnia się wtedy, kiedy nie powinien, kwas cofa się i pali, czyli pojawia się zgaga. A połykanie ma drobny bonus: te same mięśnie otwierają trąbki słuchowe prowadzące do ucha środkowego, i dlatego przełknięcie odtyka uszy, gdy samolot schodzi do lądowania.

Żołądek

Żołądek to umięśniony worek w kształcie litery J, ukryty pod lewą częścią przepony, między końcem przełyku a początkiem jelita cienkiego. Pusty mieści zaledwie małą filiżankę, a jego błona śluzowa układa się w głębokie fałdy. Po obfitym posiłku fałdy się wygładzają, a żołądek rozciąga się tak, by wygodnie pomieścić około 1 do 1,5 litra. Anatomowie wyróżniają w nim wpust, którym wchodzi pokarm, kopulaste dno powyżej, obszerny trzon oraz zwężającą się część odźwiernikową, prowadzącą do odźwiernika, grubego pierścienia mięśni strzegącego wyjścia.

Żołądek jest mniej trawiącym narządem, a bardziej mikserem i zbiornikiem do odkażania. Jego ściana ma trzy warstwy mięśni, podłużną, okrężną i skośną, a ta nietypowa dodatkowa warstwa pozwala mu ściskać, skręcać i ugniatać. Kilka razy na minutę przez żołądek przebiega fala w stronę odźwiernika, która rozgniata pokarm o zamknięte wyjście i odrzuca go z powrotem, aż powstanie papka zwana treścią pokarmową, czyli chymusem. Odźwiernik wypuszcza ją po kilka mililitrów naraz, więc typowy posiłek opuszcza żołądek w ciągu dwóch do czterech godzin.

W tym czasie miliony dołeczków w błonie śluzowej wydzielają około 1,5 do 2 litrów soku żołądkowego na dobę. Komórki okładzinowe wytwarzają kwas solny, obniżając pH treści do około 1,5 do 3,5, czyli na tyle, by zabić większość połkniętych drobnoustrojów. Komórki główne uwalniają pepsynogen, który kwas przekształca w pepsynę, enzym rozpoczynający cięcie białek. Komórki okładzinowe produkują też czynnik wewnętrzny, białko, bez którego witamina B12 nie mogłaby zostać wchłonięta dalej. Żołądek nie trawi samego siebie, bo pokrywa ścianę grubym, zasadowym śluzem.

Czy wiesz, że komórki powierzchni błony śluzowej żołądka żyją tylko kilka dni, a potem są złuszczane i zastępowane nowymi? Wewnętrzna powierzchnia żołądka odnawia się więc mniej więcej dwa razy w tygodniu.

Wiele z tego zobaczono najpierw przez dziurę. W 1822 roku przypadkowy strzał z muszkietu zostawił kanadyjskiemu flisakowi Alexisowi St. Martinowi trwały otwór prowadzący do żołądka, a chirurg armii amerykańskiej William Beaumont przez lata opuszczał do niego pokarm na jedwabnych nitkach, mierzył czas trawienia i pobierał soki. Jego książka z 1833 roku wykazała, że trawienie jest procesem chemicznym, a nie tylko mechanicznym rozcieraniem.

Gdy bariera śluzu zawodzi, kwas wżera się w ścianę i powstaje wrzód trawienny. Przez dziesięciolecia winą obarczano stres, aż Australijczycy Robin Warren i Barry Marshall wykazali, że większość wrzodów wywołuje bakteria Helicobacter pylori. W 1984 roku Marshall wypił jej hodowlę, by tego dowieść, nabawił się zapalenia błony śluzowej żołądka, a w 2005 roku obaj otrzymali Nagrodę Nobla. Codziennym przypomnieniem tej muskulatury jest burczenie w pustym brzuchu: fale skurczów nadal przebiegają i przepychają gazy oraz płyny, a nic nie tłumi hałasu.

Jelito cienkie

Jelito cienkie to miejsce, w którym pokarm naprawdę trafia do organizmu. „Cienkie” jest tylko z szerokości, ma około 2,5 centymetra średnicy, a długość ma ogromną: około 6 metrów zmierzonych po śmierci i raczej 3 do 5 metrów u żywego człowieka, którego mięśnie utrzymują je w napięciu i skróceniu. Wije się pośrodku jamy brzusznej, podwieszone do tylnej ściany na wachlarzowatym fałdzie tkanki zwanym krezką, w której biegną jego naczynia.

Składa się z trzech części. Dwunastnica, długa na około 25 centymetrów, owija się wokół głowy trzustki i przez wspólne ujście odbiera dwie kluczowe dostawy: żółć z wątroby i pęcherzyka żółciowego, która rozbija tłuszcz na drobne kropelki, oraz sok trzustkowy, który neutralizuje kwas żołądkowy i dostarcza enzymów do trawienia skrobi, białek i tłuszczów. Potem następuje jelito czcze, mniej więcej dwie piąte reszty, gdzie zachodzi większość wchłaniania, oraz jelito kręte, ostatnie trzy piąte, wyspecjalizowane we wchłanianiu witaminy B12 i odzyskiwaniu soli kwasów żółciowych.

Sekretem jelita cienkiego jest powierzchnia. Jego błona śluzowa tworzy okrężne fałdy; fałdy pokrywają kosmki, palcowate wypustki wysokości około milimetra; a komórki każdego kosmka niosą tysiące mikroskopijnych mikrokosmków, meszek zwany rąbkiem szczoteczkowym. Enzymy osadzone w tym rąbku, takie jak laktaza i sacharaza, kończą rozkładanie pokarmu na najmniejsze cząstki. Cukry i aminokwasy przechodzą następnie do sieci naczyń włosowatych wewnątrz każdego kosmka i płyną do wątroby żyłą wrotną. Tłuszcze wybierają inną drogę: trafiają do centralnego naczynia limfatycznego zwanego naczyniem chłonnym środkowym i dopiero później docierają do krwi. Pokarm spędza tu zwykle od dwóch do sześciu godzin.

Czy wiesz, że komórki wyściełające kosmki należą do najszybciej odnawianych w ciele? Rodzą się w kryptach u podstawy, wspinają na szczyt i po zaledwie trzech do pięciu dni zostają złuszczone.

Często powtarzane twierdzenie, że wewnętrzna powierzchnia jelit pokryłaby kort tenisowy, jest przesadzone. Staranne badanie z 2014 roku oszacowało cały przewód pokarmowy na około 30 metrów kwadratowych, mniej więcej pół boiska do badmintona, z czego większość przypada na jelito cienkie. To wciąż około piętnaście razy więcej niż powierzchnia skóry.

Dwunastnica dała też biologii pierwszy hormon. W 1902 roku londyńscy fizjolodzy William Bayliss i Ernest Starling odkryli, że kwas wpływający do dwunastnicy psa uwalnia do krwi substancję pobudzającą trzustkę do wydzielania soku, nawet po przecięciu nerwów. Nazwali ją sekretyną, a Starling ukuł później słowo „hormon”. Gdy błona śluzowa jest uszkodzona, wchłanianie cierpi: w celiakii układ odpornościowy reaguje na gluten i spłaszcza kosmki. U większości dorosłych na świecie wytwarzanie laktazy spada po dzieciństwie, dlatego mleko u tylu osób wywołuje wzdęcia i skurcze. Ta cicha rura pośrodku ciała to rozległy, szybko odnawiający się dywan.

Wątroba

Wątroba jest największym narządem wewnętrznym i chemiczną fabryką organizmu. U dorosłego waży około 1,5 kilograma: ciemny, czerwonobrązowy klin wypełniający prawą górną część jamy brzusznej pod żebrami, z dużym płatem prawym i mniejszym lewym. Nietypowe jest też jej ukrwienie. Co minutę przepływa przez nią około 1,5 litra krwi, mniej więcej jedna czwarta tego, co pompuje serce, a około trzech czwartych tej krwi napływa nie tętnicą, lecz żyłą wrotną, niosącą wszystko, co właśnie wchłonęło się w jelitach. Wątroba jako pierwsza ogląda każdy posiłek.

Wewnątrz tkanka układa się w zraziki, mniej więcej sześciokątne jednostki szerokości około milimetra. Płytki komórek wątrobowych, hepatocytów, rozchodzą się promieniście od żyły środkowej jak szprychy koła, a krew sączy się między nimi przez nieszczelne kanały zwane zatokami. Każdy hepatocyt jest niezwykle wszechstronnym pracownikiem. Podręczniki wymieniają setki odrębnych zadań, ale dają się one ująć w kilka wielkich fachów.

Wątroba jest magazynem paliwa: po posiłku odkłada glukozę w postaci glikogenu, około 100 gramów, i uwalnia ją między posiłkami. W 1857 roku francuski fizjolog Claude Bernard wykazał, że wątroba sama wytwarza cukier, a odkrycie to pomogło ugruntować ideę stałego środowiska wewnętrznego. Jest fabryką, która produkuje albuminę, główne białko osocza, większość czynników krzepnięcia i cholesterol. Jest oczyszczalnią: przekształca toksyczny amoniak z rozkładu białek w mocznik, wydalany przez nerki, oraz rozkłada alkohol i wiele leków. Wytwarza żółć, mniej więcej od pół litra do litra dziennie, która pomaga trawić tłuszcze i wynosi odpady, takie jak bilirubina, żółty barwnik pozostały po zużytych czerwonych krwinkach. Jest wreszcie spiżarnią i strażnikiem: przechowuje żelazo oraz witaminy A, D i B12, a wyspecjalizowane komórki odpornościowe zwane komórkami Kupffera wyłapują bakterie napływające z jelit.

Czy wiesz, że wątroba potrafi odrosnąć do pełnych rozmiarów z zaledwie jednej czwartej swojej masy? Dzięki temu żywy dawca może oddać jej część.

Wątroba rozkłada alkohol w mniej więcej stałym tempie, dlatego ani kawa, ani zimny prysznic, ani szybki spacer nikogo nie otrzeźwią; robi to tylko czas. Powtarzające się uszkodzenia przez alkohol, wirusowe zapalenie wątroby czy odkładanie się tłuszczu w komórkach mogą zostawić wątrobę pokrytą bliznami i stwardniałą, co nazywamy marskością, a jej liczne funkcje zaczynają zawodzić. Gdy nie nadąża z usuwaniem bilirubiny, barwnik gromadzi się i barwi skórę oraz białka oczu na żółto, czyli pojawia się żółtaczka. Ten sam barwnik, rozkładany w siniaku, wyjaśnia, dlaczego siniaki przy gojeniu żółkną i zielenieją. Po cichu, ważąc półtora kilograma, wątroba jest najbardziej zapracowanym narządem, o którym nigdy nie myślimy.

Trzustka i cukier we krwi

Trzustka to miękki, różowawy gruczoł długości około 15 centymetrów, leżący w poprzek tylnej części jamy brzusznej, za żołądkiem. Jej szeroka głowa wtula się w zagięcie dwunastnicy w kształcie litery C, a trzon i zwężający się ogon sięgają aż do śledziony. W istocie są to dwa narządy w jednym. Około 98 procent trzustki to tkanka zewnątrzwydzielnicza, która wytwarza 1 do 1,5 litra soku trzustkowego na dobę, bogatego w wodorowęglany neutralizujące kwas żołądkowy i w enzymy trawiące skrobię, tłuszcze i białka, odprowadzanego przewodem do dwunastnicy.

Rozsiane po gruczole jak wyspy na morzu leży około miliona maleńkich skupisk komórek wydzielających hormony, czyli wysp Langerhansa, nazwanych na cześć niemieckiego studenta Paula Langerhansa, który opisał je w 1869 roku, nie wiedząc, do czego służą. Razem stanowią zaledwie 1 lub 2 procent gruczołu, ale sterują zaopatrzeniem organizmu w paliwo. Ich komórki beta wytwarzają insulinę, a komórki alfa glukagon.

Te dwa hormony utrzymują stężenie glukozy we krwi w wąskim zakresie, zwykle około 4 do 6 milimoli na litr na czczo, nieco wyżej po posiłkach. Gdy jemy i cukier napływa z jelit, komórki beta wyczuwają wzrost i uwalniają insulinę. Insulina działa jak klucz: pozwala komórkom mięśni i tkanki tłuszczowej wpuścić glukozę, a wątrobie każe przestać ją uwalniać i odłożyć nadmiar jako glikogen. Kiedy poziom wraca do normy, wydzielanie insuliny słabnie. Między posiłkami lub podczas wysiłku, gdy glukoza spada, komórki alfa uwalniają glukagon, który nakazuje wątrobie rozłożyć glikogen i oddać glukozę do krwi. To klasyczna pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego, działająca minuta po minucie bez naszej wiedzy.

Czy wiesz, że cała glukoza rozpuszczona w danej chwili we krwi dorosłego człowieka waży zaledwie około 4 do 5 gramów, czyli mniej więcej tyle, co łyżeczka cukru?

Gdy ta pętla się psuje, pojawia się cukrzyca. W cukrzycy typu 1 układ odpornościowy niszczy komórki beta, więc insuliny prawie nie ma; w znacznie częstszym typie 2 komórki ciała słabo reagują na insulinę, a komórki beta nie nadążają. Przed 1922 rokiem cukrzyca typu 1 była wyrokiem śmierci. Wtedy w Toronto Frederick Banting i Charles Best, pracujący w laboratorium Johna Macleoda, wyizolowali insulinę z psich trzustek, a biochemik James Collip ją oczyścił. W styczniu 1922 roku czternastoletni Leonard Thompson jako pierwszy otrzymał leczenie, a rok później Banting i Macleod podzielili się Nagrodą Nobla.

Ta pętla tłumaczy znajome zjawisko: dlaczego można opuścić obiad i nie zasłabnąć. Gdy żołądek się skarży, glukagon po cichu sięga do zapasów wątroby, by zaopatrzyć mózg. Gruczoł, którego większość ludzi nie umiałaby wskazać, równoważy nasze paliwo w każdej chwili dnia.

Jelito grube

Jelito grube jest krótsze od cienkiego, ale znacznie szersze: ma około 1,5 metra długości i do 6 lub 7 centymetrów średnicy. Tworzy ramę wokół zwojów jelita cienkiego. Zaczyna się nisko po prawej stronie ślepym workiem zwanym kątnicą, od którego zwisa robakowaty wyrostek robaczkowy, zwykle długości 8 do 10 centymetrów. Stamtąd okrężnica wstępująca wspina się po prawej stronie brzucha, okrężnica poprzeczna przecina go pod żołądkiem, okrężnica zstępująca biegnie w dół po lewej, a esowata okrężnica esowata prowadzi do odbytnicy i kanału odbytu. Trzy wstęgi mięśni wzdłuż ściany, taśmy okrężnicy, marszczą ją w łańcuch kieszonek zwanych wypukleniami, które nadają okrężnicy pomarszczony wygląd.

Zanim pokarm tu dotrze, prawie wszystkie składniki odżywcze zostały już wchłonięte. Przez zastawkę krętniczo-kątniczą napływa około 1 do 1,5 litra dziennie, głównie wody, soli, błonnika i martwych komórek. Głównym zadaniem okrężnicy jest odzyskanie wody i soli, tak by z kałem opuszczało ciało tylko około 100 do 200 mililitrów wody. Pracuje powoli. Treść przechodzi przez nią zwykle w ciągu jednego do dwóch dni, mieszana tam i z powrotem przez wypuklenia, a potem pchana dalej przez kilka silnych ruchów masowych dziennie. Okrężnica jest też domem ogromnej rzeszy bakterii jelitowych, które fermentują resztki błonnika i wytwarzają gazy, o czym opowiada następny rozdział.

Ostatni etap jest kontrolowany. Gdy ruch masowy wypełni odbytnicę, receptory rozciągania wywołują parcie. Wyjścia strzegą dwa pierścienie mięśni: wewnętrzny zwieracz, który otwiera się odruchowo, i zewnętrzny, który można świadomie zacisnąć, dlatego parcie da się w pewnych granicach odłożyć. Kał w około trzech czwartych składa się z wody; dużą część reszty stanowią bakterie, żywe i martwe, a także niestrawiony błonnik i komórki złuszczone ze ściany jelita.

Czy wiesz, że wyrostek robaczkowy, długo uważany za bezużyteczną pozostałość, jest pełen tkanki odpornościowej, a wielu badaczy sądzi, że może służyć jako bezpieczny magazyn bakterii jelitowych, z którego okrężnica zasiedla się na nowo po chorobie?

Na początku lat 70. XX wieku irlandzki chirurg Denis Burkitt porównał masę stolca i czas pasażu jelitowego na wiejskich terenach Afryki i w Wielkiej Brytanii, dowodząc, że zachodnia dieta uboga w błonnik wiąże się z zaparciami i chorobami jelit. Szczegóły wciąż budzą spory, ale jego prace rozsławiły błonnik. Gdy okrężnica szwankuje, resztki przesuwają się za wolno, co daje zaparcie, albo za szybko, by woda zdążyła się wchłonąć, co daje biegunkę. U osób starszych przez słabe miejsca w ścianie mogą uwypuklać się małe kieszonki zwane uchyłkami, a rak jelita grubego jest na tyle częsty, że wiele krajów prowadzi badania przesiewowe.

Rytm okrężnicy zna każdy, kto musiał pójść do toalety zaraz po śniadaniu. To odruch żołądkowo-okrężniczy: pokarm trafiający do żołądka wyzwala ruch masowy niżej, robiąc miejsce na to, co nadchodzi.

Mikrobiom jelitowy

Jelita są domem bilionów mikroorganizmów, nazywanych razem mikrobiomem jelitowym: głównie bakterii, a także archeonów, grzybów i wirusów. Szeroko cytowane szacunki z 2016 roku mówią o około 38 bilionach bakterii u przeciętnego dorosłego, ważących około 200 gramów, mniej więcej tyle co jabłko. Typowy człowiek nosi w sobie kilkaset gatunków, a mieszanka w każdych jelitach jest nieco inna, jak odcisk palca, który zmienia się z dietą, wiekiem i lekami.

Ta rzesza nie jest rozłożona równomiernie. Kwaśny żołądek mieści bardzo niewiele drobnoustrojów, może tysiąc na mililitr treści. Ich liczba rośnie w jelicie cienkim i eksploduje w powolnej, pozbawionej tlenu okrężnicy, gdzie dochodzi do około 100 miliardów na gram, co czyni ją jedną z najgęstszych społeczności drobnoustrojów na Ziemi. Większość z nich to beztlenowce, organizmy nieznoszące tlenu, i to jeden z powodów, dla których tak wiele z nich przeoczono, dopóki naukowcy nie zaczęli rozpoznawać ich po DNA.

Bakterie zarabiają na swoje utrzymanie. Nasze własne enzymy nie trawią większości błonnika pokarmowego, ale bakterie jelitowe potrafią go fermentować, uwalniając krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, takie jak maślan, jedno z głównych paliw dla komórek wyściełających okrężnicę. Niektóre bakterie wytwarzają witaminę K i kilka witamin z grupy B. Stała społeczność od niemowlęctwa szkoli układ odpornościowy i wypiera szkodliwych przybyszów, po prostu zajmując miejsce i zjadając pokarm jako pierwsza. Produktami ubocznymi fermentacji są gazy, głównie wodór, dwutlenek węgla, a u niektórych osób metan, dlatego talerz fasoli działa tak, jak działa.

Czy wiesz, że dawne twierdzenie, jakoby bakterii było dziesięć razy więcej niż naszych komórek, było zgrubnym szacunkiem z lat 70., a staranne liczenie w 2016 roku dało proporcję bliższą jeden do jednego?

Pierwszego z tych lokatorów odkryto w 1885 roku, gdy niemiecki pediatra Theodor Escherich wyizolował bakterię z niemowlęcych pieluch; dziś nosi ona jego imię, Escherichia coli. Jelita dziecka są zasiedlane od narodzin, przez matkę, otoczenie i pierwsze karmienia, a społeczność staje się w przybliżeniu dorosła w ciągu pierwszych kilku lat. Nowoczesne sekwencjonowanie genów, rozwinięte na wielką skalę przez takie przedsięwzięcia jak Human Microbiome Project od 2007 roku, ujawniło prawdziwą skalę tej rzeszy.

Zaburzenie społeczności ma swoje konsekwencje. Kuracja antybiotykiem może ją przerzedzić i pozwolić, by szkodliwy gatunek, Clostridioides difficile, przejął kontrolę i wywołał ciężką biegunkę. Co niezwykłe, przeszczep mikrobioty kałowej, przywracający zdrową społeczność ze stolca dawcy, leczy większość takich nawracających zakażeń. Badacze sprawdzają związki mikrobiomu z wieloma schorzeniami, od otyłości po nieswoiste zapalenia jelit, ale wiele nagłówków wyprzedza dowody, a przyczyna i skutek często pozostają niejasne. Pewne jest jedno: nigdy nie jemy sami, bo każdy posiłek karmi także biliony gości.

Metabolizm: spalanie paliwa

Metabolizm to suma wszystkich reakcji chemicznych w organizmie. Niektóre budują, jak tworzenie białek z aminokwasów, czyli anabolizm; inne rozkładają, by uwolnić energię, czyli katabolizm. Pożywienie dostarcza paliwa, ale komórki nie potrafią wykorzystać kanapki bezpośrednio. Potrzebują małego, wielokrotnie ładowanego nośnika energii zwanego adenozynotrifosforanem, czyli ATP. Odłączenie jednej z jego grup fosforanowych uwalnia porcję energii, która napędza skurcz mięśni, impulsy nerwowe i budowę nowych cząsteczek. Organizm ma w danej chwili tylko skromny zapas ATP, więc każda cząsteczka jest odnawiana raz za razem; dorosły przerabia dziennie ilość ATP zbliżoną do masy własnego ciała.

Główna droga paliwa zaczyna się od glukozy. W wodnistej cytoplazmie komórki dziesięcioetapowy ciąg reakcji zwany glikolizą rozszczepia każdą sześciowęglową glukozę na dwie cząsteczki pirogronianu, dając na czysto dwa ATP. Pirogronian wchodzi następnie do mitochondriów, komórkowych elektrowni, gdzie zamienia się w dwuwęglową jednostkę, acetylokoenzym A. Ta zasila cykl Krebsa, pierścień reakcji opisany w 1937 roku w Sheffield przez urodzonego w Niemczech biochemika Hansa Krebsa, który odrywa atomy węgla w postaci dwutlenku węgla i ładuje bogate w energię elektrony na cząsteczki przenośnikowe.

Elektrony te wędrują wzdłuż łańcucha oddechowego, szeregu białek w pofałdowanej błonie wewnętrznej mitochondrium. Płynąc, pompują protony przez błonę, a protony wracają przez maleńki obrotowy silnik, syntazę ATP, która wytwarza ATP. Na końcu linii elektrony łączą się z tlenem, tworząc wodę. Dlatego oddychamy: tlen jest ostatecznym odbiorcą elektronów i bez niego łańcuch staje. Całkowicie spalona cząsteczka glukozy daje około 30 do 32 ATP. Tłuszcze trafiają do tego samego cyklu po pocięciu na dwuwęglowe kawałki i dostarczają około 9 kilokalorii na gram wobec mniej więcej 4 z węglowodanów czy białek. Białka również mogą być spalane, gdy usunie się z nich azot.

Czy wiesz, że gdy tracimy tkankę tłuszczową, większość jej masy opuszcza ciało jako wydychany dwutlenek węgla, a reszta jako woda?

Myśl, że istoty żywe spalają pożywienie, jest starsza od biochemii. Na początku lat 80. XVIII wieku Antoine Lavoisier i Pierre-Simon Laplace umieścili świnkę morską w kalorymetrze lodowym, zmierzyli, ile lodu stopiło ciepło jej ciała, i porównali to z wydychanym przez nią dwutlenkiem węgla. Oddychanie, uznali, jest powolnym spalaniem. W spoczynku dorosły zużywa około 1400 do 1800 kilokalorii dziennie na samo utrzymanie się przy życiu, a mózg, stanowiący około 2 procent masy ciała, pochłania mniej więcej piątą część tej energii. Większość energii zamienia się w ciepło, które utrzymuje nas w 37 °C, a gdy maszyneria jest wadliwa, jak w dziedzicznych chorobach takich jak fenyloketonuria, jeden zablokowany etap może mieć poważne skutki. Za każdym razem, gdy rozgrzewamy się podczas biegu, czujemy pracę tego pieca.

Witaminy i składniki mineralne

Oprócz paliwa i materiału budulcowego organizm potrzebuje zestawu substancji w maleńkich ilościach, mierzonych w miligramach, a nawet mikrogramach dziennie. Te mikroskładniki odżywcze dzielą się na dwie grupy. Witaminy to związki organiczne, których organizm nie potrafi wytworzyć w wystarczającej ilości i musi czerpać z pożywienia; składniki mineralne to pierwiastki chemiczne, pobierane z jedzenia i wody, które budują kości, krew i komórkową maszynerię.

Witamin jest 13. Cztery są rozpuszczalne w tłuszczach: A, D, E i K. Wchłaniają się razem z tłuszczem z pożywienia i mogą być magazynowane w wątrobie i tkance tłuszczowej, więc dobry zapas wystarcza na miesiące. Witamina A tworzy światłoczuły barwnik siatkówki; witamina D steruje wchłanianiem wapnia; witamina E chroni błony komórkowe; witamina K jest potrzebna do wytwarzania czynników krzepnięcia, a jej część dostarczają bakterie jelitowe. Pozostałe dziewięć jest rozpuszczalnych w wodzie: witamina C i osiem witamin z grupy B, które działają głównie jako pomocnicy enzymów w metabolizmie. Są słabo magazynowane, z wyjątkiem B12, a ich nadmiar zwykle wydalany jest z moczem, dlatego trzeba je dostarczać regularnie.

Składniki mineralne dzielą się na makroelementy, potrzebne w ilości ponad mniej więcej 100 miligramów dziennie, oraz mikroelementy. Ciało dorosłego zawiera około kilograma wapnia, w 99 procentach w kościach i zębach, a obok niego fosfor, magnez oraz sód i potas, które przenoszą każdy impuls nerwowy. Mikroelementy są potrzebne w znacznie mniejszych ilościach, ale są równie niezbędne: 3 do 4 gramów żelaza w organizmie, głównie w hemoglobinie, przenosi tlen; jod jest wbudowany w hormony tarczycy; cynk i selen pomagają działać setkom enzymów.

Idea składnika, którego może zabraknąć, torowała sobie drogę powoli. W 1747 roku szkocki chirurg okrętowy James Lind podawał różne środki marynarzom chorym na szkorbut na pokładzie HMS Salisbury, a ci, którzy dostali pomarańcze i cytryny, wracali do zdrowia najszybciej. Było to jedno z pierwszych badań kontrolowanych. Przyczynę, niedobór witaminy C niezbędnej do wytwarzania kolagenu, ustalono dopiero w XX wieku. W 1912 roku polski biochemik Kazimierz Funk ukuł słowo „witamina”, sądząc, że wszystkie te czynniki są „aminami życia”. Nie są, ale nazwa przetrwała.

Czy wiesz, że wątroba niedźwiedzia polarnego zawiera tyle witaminy A, że zjedzenie nawet niewielkiego kawałka może człowieka otruć? Polarnicy przekonali się o tym na własnej skórze.

Niedobory wywołują klasyczne choroby: za mało witaminy D i wapnia rozmiękcza rosnące kości w krzywicy, za mało żelaza powoduje niedokrwistość, a za mało jodu powiększa tarczycę w wole. Szkodzić może też nadmiar, zwłaszcza witamin rozpuszczalnych w tłuszczach, które się kumulują. Skóra wytwarza witaminę D pod wpływem słońca, dlatego jej poziom zwykle spada podczas północnej zimy. Brytyjskich marynarzy przezywano „limeys” od soku z cytrusów, który chronił ich przed szkorbutem. To przypomnienie, że najmniejsza część diety może przesądzić o losie całej wyprawy.

Mózg

Mózg to miękki, różowoszary narząd, który u dorosłego waży około 1,3–1,4 kilograma, czyli mniej więcej 2 procent masy ciała, i ma konsystencję twardego tofu. Unosi się w około 150 mililitrach płynu mózgowo-rdzeniowego, przejrzystej cieczy, która go amortyzuje, dlatego w czaszce waży w praktyce zaledwie kilkadziesiąt gramów. Większość tego, co widać, to kresomózgowie, podzielone na lewą i prawą półkulę połączone ciałem modzelowatym, mostem z około 200 milionów włókien nerwowych. Pod spodem, z tyłu, mieści się móżdżek, a najniżej pień mózgu przechodzi w rdzeń kręgowy.

Zewnętrzna warstwa, kora mózgowa, ma tylko 2–4 milimetry grubości, ale jest gęsto pofałdowana w zakręty i bruzdy; rozłożona na płasko zajęłaby mniej więcej ćwierć metra kwadratowego. Głębokie bruzdy dzielą każdą półkulę na cztery płaty. Płat czołowy planuje, decyduje i wysyła polecenia do mięśni; płat ciemieniowy odbiera dotyk i poczucie położenia rzeczy w przestrzeni; płat skroniowy przetwarza słuch, mowę i pamięć; a płat potyliczny, z tyłu głowy, w całości służy widzeniu. Móżdżek dopracowuje ruch i równowagę, a pień mózgu bez chwili namysłu podtrzymuje oddychanie, pracę serca i połykanie.

Liczby robią wrażenie. Mózg zawiera około 86 miliardów neuronów i zbliżoną liczbę komórek podporowych, zwanych glejem. Co zaskakujące, mniej więcej 69 miliardów tych neuronów mieści się w móżdżku, który stanowi zaledwie jedną dziesiątą objętości mózgu. Utrzymanie całości kosztuje około 20 procent energii zużywanej przez ciało w spoczynku, mniej więcej tyle, ile pobiera słaba, 20-watowa żarówka; dostarcza jej około 750 mililitrów krwi na minutę.

Wiele zawdzięczamy urazom. W 1861 roku francuski chirurg Paul Broca badał pacjenta, który potrafił wymówić tylko jedną sylabę, „tan”; po jego śmierci znalazł uszkodzenie w lewym płacie czołowym, co było pierwszym przekonującym dowodem, że konkretne zdolności mają swoje konkretne miejsca. Dzisiejsze skanery potwierdzają tę lekcję i obalają uporczywy mit: nie używamy tylko 10 procent mózgu. W ciągu dnia aktywne są niemal wszystkie jego obszary.

Czy wiesz, że mózg nie ma własnych receptorów bólu? Dzięki temu chirurdzy mogą operować niektórych pacjentów przytomnych i rozmawiających, mapując na bieżąco ich ośrodki mowy.

Gdy zawodzi dopływ krwi, szkody narastają błyskawicznie. W ciężkim udarze mózgu, wywołanym zatkaniem lub pęknięciem tętnicy, bez leczenia może ginąć szacunkowo 1,9 miliona neuronów na minutę, dlatego tak ważny jest czas. Ból głowy, co ciekawe, nie jest bólem samego mózgu, lecz otaczających go opon i naczyń. Półtora kilograma pofałdowanej tkanki, a wszystko, o czym kiedykolwiek pomyślałeś, wydarzyło się właśnie w niej.

Neurony

Neuron to komórka nerwowa zbudowana do przenoszenia informacji w postaci sygnału elektrycznego. Większość ma podobny plan. Rozgałęzione dendryty, niczym korzenie drzewa, zbierają nadchodzące wiadomości. Prowadzą do ciała komórki, czyli somy, w którym mieści się jądro i które ma zwykle od 4 do 100 mikrometrów średnicy. Z ciała komórki wychodzi pojedyncze długie włókno, akson, które odprowadza sygnał i kończy się pękiem zakończeń przekazujących go dalej. Akson bywa zdumiewająco długi: neuron ruchowy sterujący dużym palcem stopy ma ciało w dolnej części rdzenia kręgowego, a akson sięga przez nogę na odległość około metra.

Sam sygnał to potencjał czynnościowy. W spoczynku wnętrze neuronu jest naładowane ujemnie, o około 70 miliwoltów względem otoczenia; ładunek ten podtrzymują pompy wyrzucające jony sodu i wpuszczające jony potasu. Gdy bodźce podniosą napięcie błony do progu około minus 55 miliwoltów, kanały gwałtownie się otwierają, sód wlewa się do środka i wnętrze na chwilę staje się dodatnie. Potem otwierają się kanały potasowe i przywracają stan wyjściowy. Cały impuls trwa około milisekundy i działa na zasadzie „wszystko albo nic”: silniejszy bodziec nie wywołuje silniejszego impulsu, tylko częstsze, nawet kilkaset razy na sekundę.

Prędkość zależy od izolacji. Wiele aksonów owija mielina, tłuszczowa osłonka wytwarzana przez komórki glejowe, z drobnymi przerwami zwanymi przewężeniami Ranviera. Sygnał przeskakuje od przewężenia do przewężenia, więc grube włókno zmielinizowane przewodzi z prędkością do około 120 metrów na sekundę, a cienkie, nagie włókna ledwie 1 metra na sekundę. Dlatego po uderzeniu palcem w kant najpierw czujemy ostre ukłucie, a dopiero później tępy ból.

Ten obraz zawdzięczamy dwóm rywalom. Korzystając z barwienia srebrem wynalezionego przez Camilla Golgiego, hiszpański anatom Santiago Ramón y Cajal narysował w latach 80. i 90. XIX wieku tysiące neuronów i dowodził, że każdy jest odrębną komórką, a nie częścią ciągłej sieci, jak sądził Golgi. W 1906 roku podzielili się Nagrodą Nobla, a w wykładach noblowskich nadal sobie przeczyli. W 1952 roku Alan Hodgkin i Andrew Huxley wyjaśnili mechanizm potencjału czynnościowego, badając olbrzymi akson kałamarnicy o szerokości około pół milimetra.

Czy wiesz, że gdy „cierpnie” ci noga, ucisk zgniótł nerw i jego naczynia, a mrowienie to neurony wysyłające chaotyczne sygnały, gdy wracają do formy?

Kiedy mielina zostaje zaatakowana, jak w stwardnieniu rozsianym, sygnały zwalniają, rozpraszają się lub zanikają, co zależnie od miejsca uszkodzenia powoduje drętwienie, osłabienie albo zaburzenia widzenia. Każdy neuron tworzy tysiące połączeń, a ostatecznie to właśnie te skromne elektryczne błyski stają się każdym obrazem, słowem i decyzją.

Synapsy i neuroprzekaźniki

Neurony prawie nigdy się nie stykają. Tam, gdzie jeden przekazuje wiadomość następnemu, znajduje się synapsa: zgrubiałe zakończenie aksonu, szczelina zwana szczeliną synaptyczną, szeroka zaledwie na około 20–40 nanometrów, i po drugiej stronie błona odbiorcza kolejnej komórki. W zakończeniu czekają setki maleńkich pęcherzyków, z których każdy mieści tysiące cząsteczek chemicznego posłańca, neuroprzekaźnika. Ludzki mózg zawiera rzędu 100 bilionów synaps, znacznie więcej, niż jest gwiazd w Drodze Mlecznej.

Przekazanie trwa znacznie krócej niż milisekundę. Gdy potencjał czynnościowy dociera do końca aksonu, otwiera kanały wpuszczające jony wapnia. Wapń sprawia, że pęcherzyki zlewają się z błoną i wylewają zawartość do szczeliny. Neuroprzekaźnik przepływa na drugą stronę i łączy się z receptorami, jak klucz z zamkiem, otwierając tam kanały jonowe. Jedne przekaźniki zwiększają szansę, że komórka odbiorcza wygeneruje impuls, inne ją zmniejszają. Potem sygnał trzeba wyłączyć: przekaźnik jest szybko wpompowywany z powrotem do aksonu (to wychwyt zwrotny), rozkładany przez enzymy albo po prostu dyfunduje.

Głównym pedałem gazu mózgu jest glutaminian, a głównym hamulcem GABA; razem przenoszą większość szybkich sygnałów. Acetylocholina każe kurczyć się mięśniom szkieletowym. Dopamina napędza ruch, motywację i uczenie się przez nagrodę, a serotonina i noradrenalina dostrajają nastrój, uwagę i pobudzenie. Co uderzające, około 90 procent serotoniny w organizmie powstaje nie w mózgu, lecz w jelitach.

Pomysł przekaźnictwa chemicznego narodził się we śnie. W 1921 roku niemiecki farmakolog Otto Loewi, jak sam opowiadał, obudził się w nocy z gotowym eksperymentem: drażnił nerw błędny jednego żabiego serca, które zwolniło, a potem zanurzył drugie serce w płynie z pierwszego i ono także zwolniło. Wiadomość przeniosła jakaś substancja, którą nazwał Vagusstoff; okazała się nią acetylocholina. W 1936 roku podzielił się Nagrodą Nobla z Henrym Dale'em.

Czy wiesz, że Loewi najpierw wyśnił ten eksperyment, nabazgrał go na kartce i rano nie mógł odczytać notatek? Sen wrócił następnej nocy i wtedy pobiegł prosto do laboratorium.

Skoro w synapsach sygnały są wzmacniane lub tłumione, właśnie tam wiele może się zepsuć. W chorobie Parkinsona obumierają neurony dopaminergiczne w śródmózgowiu, co powoduje drżenie i spowolnienie. W miastenii układ odpornościowy atakuje receptory acetylocholiny w mięśniach, wywołując osłabienie. Tu działa też wiele toksyn: toksyna botulinowa blokuje uwalnianie acetylocholiny, a bojowe środki paralityczne uniemożliwiają jej usuwanie. Nawet poranna kawa działa w synapsach, blokując receptory adenozyny, cząsteczki, która gromadzi się w czasie czuwania i wywołuje senność. Myśl jest w gruncie rzeczy rozmową chemikaliów.

Rdzeń kręgowy i odruchy

Rdzeń kręgowy to główny kabel łączący mózg z ciałem. Biegnie od podstawy czaszki w kanale utworzonym przez kręgi i jest zaskakująco skromny: ma około 45 centymetrów długości, grubość mniej więcej palca i waży zaledwie około 35 gramów. Kończy się na wysokości pierwszego lub drugiego kręgu lędźwiowego, w dolnej części pleców; niżej pęk korzeni nerwowych biegnie dalej jak koński ogon, stąd jego nazwa, ogon koński. Na całej długości od rdzenia odchodzi 31 par nerwów rdzeniowych, które przez szczeliny między kręgami docierają do skóry, mięśni i narządów.

W przekroju rdzeń ukazuje motyla istoty szarej, zbudowanej z ciał neuronów, otoczonego istotą białą, czyli pęczkami zmielinizowanych aksonów biegnących w górę i w dół jak pasy autostrady. Każdy nerw rdzeniowy łączy się z rdzeniem dwoma korzeniami. Korzeń grzbietowy, z tyłu, wprowadza sygnały czuciowe, a jego zgrubienie, zwój rdzeniowy, zawiera ciała neuronów czuciowych. Korzeń brzuszny, z przodu, wyprowadza polecenia ruchowe z komórek rogów przednich motyla.

Rdzeń to nie tylko kabel: potrafi działać sam. Odruch to automatyczna reakcja poprowadzona przez rdzeń. Gdy lekarz stuka w ścięgno poniżej rzepki, mięsień uda lekko się rozciąga. Czujniki rozciągania, wrzecionka mięśniowe, wysyłają sygnał; neuron czuciowy wnosi go do rdzenia i łączy się bezpośrednio z neuronem ruchowym, który każe temu samemu mięśniowi się skurczyć, a noga podskakuje. Jednocześnie mały neuron pośredniczący rozluźnia mięśnie kulszowo-goleniowe z tyłu uda, żeby nie stawiały oporu. Dzięki jednej tylko synapsie w głównej pętli wyrzut nogi następuje kilka setnych sekundy po uderzeniu. Brytyjski fizjolog Charles Sherrington badał takie odruchy około 1900 roku i ukuł słowo „synapsa”.

Czy wiesz, że u noworodka rdzeń sięga mniej więcej trzeciego kręgu lędźwiowego, ale kostny kręgosłup rośnie bardziej niż rdzeń, więc u dorosłych kończy się on w okolicy pierwszego?

Odruch cofania jest jeszcze sprytniejszy. Dotknij gorącego garnka, a ręka odskoczy, zanim mózg zarejestruje ból, przy czym przeciwna noga usztywni się, żebyś nie stracił równowagi. Wiadomości do mózgu docierają chwilę później, dlatego „au!” pojawia się dopiero po ruchu.

Ponieważ przez rdzeń przechodzi tak duży ruch, jego uszkodzenie jest poważne. Uraz odcina wszystko poniżej miejsca uszkodzenia: w odcinku lędźwiowym może sparaliżować nogi, a w szyjnym wszystkie cztery kończyny, a nawet oddychanie. Lekarze badają odruchy, bo pokazują, które odcinki działają. Jedno stuknięcie gumowym młoteczkiem i 45-centymetrowy kabel pokazuje, co potrafi, nie pytając nikogo o zgodę.

Autonomiczny układ nerwowy

Większość tego, co utrzymuje cię przy życiu, dzieje się bez twojej zgody. Autonomiczny układ nerwowy to część układu nerwowego, która automatycznie steruje narządami: rytmem serca, ciśnieniem krwi, rytmem oddechu, trawieniem, poceniem się, wielkością źrenic i opróżnianiem pęcherza. Jego dowódcy zasiadają w podwzgórzu i pniu mózgu, a nerwy docierają do serca, mięśni gładkich naczyń i ścian jelit oraz do gruczołów.

Ma dwie główne gałęzie, które zwykle ciągną w przeciwne strony. Układ współczulny przygotowuje ciało do działania; to słynna reakcja „walcz albo uciekaj”, nazwana tak przez amerykańskiego fizjologa Waltera Cannona w 1915 roku. Jego nerwy opuszczają rdzeń kręgowy między odcinkiem piersiowym a górnym lędźwiowym i przechodzą przez łańcuch stacji przekaźnikowych, zwojów współczulnych, ułożonych jak paciorki po obu stronach kręgosłupa. Ich zakończenia uwalniają głównie noradrenalinę. Po włączeniu rozszerza źrenice i oskrzela, przyspiesza serce, kieruje krew do mięśni, spowalnia trawienie i uwalnia glukozę. Pobudza też nadnercza do wyrzutu adrenaliny do krwi, ale to temat osobnego rozdziału.

Układ przywspółczulny to gałąź „odpoczywaj i traw”. Jego włókna wychodzą z pnia mózgu i z dolnego odcinka kręgosłupa, a zakończenia uwalniają acetylocholinę. Jego gwiazdą jest nerw błędny, który niesie mniej więcej trzy czwarte wszystkich włókien przywspółczulnych z pnia mózgu do serca, płuc i jelit. Zwalnia serce, zwęża źrenice, pobudza wydzielanie śliny i kwasu żołądkowego oraz wprawia jelita w ruch. Trzeci podział, jelitowy układ nerwowy, to sieć około 400–600 milionów neuronów w ścianie przewodu pokarmowego, która potrafi w dużej mierze samodzielnie prowadzić trawienie.

Obie gałęzie przypominają raczej dwa pokrętła niż przełącznik. Pozostawiony sam sobie, naturalny rozrusznik serca biłby około 100 razy na minutę; w spoczynku nerw błędny stale go hamuje i utrzymuje bliżej 60–70 uderzeń. Brytyjski fizjolog John Newport Langley nazwał ten układ „autonomicznym” około 1898 roku, po prześledzeniu jego stacji przekaźnikowych za pomocą nikotyny.

Czy wiesz, że przeszczepione serce ma przecięte nerwy, więc pozbawione hamulca nerwu błędnego zwykle bije w spoczynku szybciej, często około 90–110 razy na minutę?

Z obiema gałęziami spotykasz się codziennie. Przed wystąpieniem zasycha ci w ustach i wali serce, bo przejmuje kontrolę układ współczulny; po obfitym posiłku robisz się ociężały, gdy do głosu dochodzi przywspółczulny. Gęsia skórka pojawia się, gdy nerwy współczulne napinają maleńkie mięśnie u nasady każdego włosa. Kłopoty zaczynają się, gdy równowaga się przechyla: nagły wzrost aktywności nerwu błędnego może obniżyć tętno i ciśnienie i doprowadzić do omdlenia. Dwie ciche gałęzie pracują dniem i nocą, żebyś nigdy nie musiał pamiętać o trawieniu.

Pamięć

Pamięć nie jest jedną rzeczą przechowywaną w jednym miejscu. To rodzina zdolności, z których każda ma własną skalę czasu i własne obszary mózgu. Pierwszym etapem jest pamięć sensoryczna, krótkie echo tego, co przed chwilą zobaczyliśmy lub usłyszeliśmy, które gaśnie w ułamku sekundy, a w przypadku dźwięków po kilku sekundach. To, na co zwrócimy uwagę, trafia do pamięci roboczej, umysłowego notatnika, w którym trzymamy numer telefonu, gdy go wybieramy. Jest mała, mieści mniej więcej cztery elementy naraz, a bez powtarzania jej zawartość znika po 20–30 sekundach.

Wszystko, co zostaje na dłużej, staje się pamięcią długotrwałą, której pojemność nie ma znanej granicy. Dzieli się ona na dwa szerokie rodzaje. Wspomnienia jawne to te, które możemy przywołać i opisać słowami: pamięć epizodyczna zdarzeń z własnego życia, na przykład ostatnich urodzin, i pamięć semantyczna faktów, na przykład stolicy Francji. Wspomnienia niejawne ujawniają się w tym, co robimy, a nie w tym, co mówimy, przede wszystkim jako pamięć proceduralna umiejętności, takich jak jazda na rowerze czy pisanie na klawiaturze.

Powstawanie wspomnienia jawnego ma trzy etapy. Kodowanie zamienia przeżycie we wzorzec aktywności w korze. Konsolidacja utrwala je następnie przez godziny, a nawet lata, pod kierunkiem hipokampa, zawiniętej struktury długości około 4 centymetrów w każdym płacie skroniowym, której nazwa oznacza „konika morskiego”. Duża część konsolidacji zachodzi podczas snu. Wreszcie przywołanie wydobywa wspomnienie. Co kluczowe, przypominanie to rekonstrukcja, a nie odtwarzanie: za każdym razem odbudowujemy zdarzenie, a szczegóły mogą się zmieniać, dlatego nawet pewni siebie świadkowie potrafią się mylić.

Najsłynniejszy pacjent neuronauki pokazał, jak ten system się dzieli. W 1953 roku Henry'emu Molaisonowi, przez dziesięciolecia znanemu jako H.M., usunięto większą część obu hipokampów, by powstrzymać ciężką padaczkę. Później potrafił prowadzić rozmowę i pamiętał dzieciństwo, ale nie tworzył już nowych wspomnień jawnych; ludzie, których poznał, po kilku minutach znów byli dla niego obcy. Psycholożka Brenda Milner wykazała jednak, że nadal uczył się nowych umiejętności.

Czy wiesz, że H.M. z dnia na dzień coraz lepiej obrysowywał gwiazdę, patrząc wyłącznie na jej odbicie w lustrze, a mimo to co dzień zapewniał, że nigdy wcześniej tego nie robił?

Umiejętności zależą głównie od jąder podstawnych i móżdżku, dlatego przetrwają uszkodzenia, które wymazują zdarzenia. W chorobie Alzheimera hipokamp należy do pierwszych zajętych obszarów, więc najpierw zawodzą nowe wspomnienia, a stare trwają. Samo zapominanie jest normalne i pożyteczne: w 1885 roku Hermann Ebbinghaus, ucząc się bezsensownych sylab, wykazał, że większość nowych informacji ulatuje w ciągu doby, jeśli do nich nie wracamy. Wejście do pokoju i zapomnienie, po co się przyszło, to system działający zgodnie z planem: zachowuje to, co ważne, a resztę po cichu wyrzuca.

Uczenie się i plastyczność

Za każdym razem, gdy czegoś się uczysz, twój mózg fizycznie się zmienia. Ta zdolność do przebudowy połączeń nazywa się neuroplastycznością i działa głównie w synapsach, czyli złączach między neuronami. W 1949 roku kanadyjski psycholog Donald Hebb zaproponował, że gdy jeden neuron wielokrotnie pomaga pobudzić inny, połączenie między nimi się wzmacnia. Ideę streszcza się często hasłem „neurony, które razem wyładowują się, razem się łączą”, i przetrwała ona próbę czasu zaskakująco dobrze.

Mechanizm przyłapano na gorącym uczynku w 1973 roku, gdy Tim Bliss i Terje Lømo drażnili szybkimi seriami impulsów pewien szlak w hipokampie królika i stwierdzili, że połączenie pozostaje wzmocnione przez wiele godzin, a jak pokazano później, nawet dni. To długotrwałe wzmocnienie synaptyczne zależy od szczególnego receptora, receptora NMDA, który otwiera się tylko wtedy, gdy komórka nadawcza uwalnia glutaminian, a komórka odbiorcza jest już aktywna. Napływający wapń skłania komórkę odbiorczą do wbudowania kolejnych receptorów, a w ciągu kilku dni drobne kolce dendrytyczne, na których siedzą synapsy, rosną, dzielą się lub wyrastają od nowa. Nieużywane połączenia słabną i znikają. Uczenie się to rzeźbienie tej sieci.

Plastyczność jest największa w dzieciństwie. U noworodka każdy neuron kory ma zapewne około 2500 synaps; w wieku dwóch, trzech lat często podaje się liczbę około 15 000, znacznie więcej, niż zachowuje dorosły. W późniejszym dzieciństwie i w okresie dojrzewania mózg przycina nieużywane połączenia, a jednocześnie dokłada izolującej mieliny, płatom czołowym na samym końcu, aż do połowy trzeciej dekady życia. Istnieją też okresy krytyczne, w których pewne obwody muszą zostać ukształtowane przez doświadczenie. W latach 60. David Hubel i Torsten Wiesel wykazali, że jeśli kociakowi we wczesnym okresie życia zasłoni się jedno oko, kora wzrokowa trwale przestawia się na korzyść drugiego oka; za te badania otrzymali w 1981 roku część Nagrody Nobla.

Czy wiesz, że londyńscy taksówkarze, którzy latami uczą się na pamięć około 25 000 ulic, mieli według badania z 2000 roku większą tylną część hipokampa niż porównywalne osoby?

Dorosły mózg pozostaje plastyczny, choć mniej spektakularnie. U osób uczących się żonglować już po kilku miesiącach widać zmiany istoty szarej w obszarach odbierających ruch. Po udarze sąsiednie rejony mogą przejąć część utraconych funkcji, na czym opiera się rehabilitacja. To, czy dorośli wytwarzają w hipokampie wiele nowych neuronów, wciąż jest przedmiotem sporu naukowców. Gdy plastyczność zbacza z kursu, jak u dziecka z nieleczonym niedowidzeniem, czyli „leniwym okiem”, mózg może nauczyć się ignorować sygnał z jednego oka, a okno na pełną korekcję z wiekiem się zamyka.

Praktyczne wnioski wynikają wprost z biologii: nauka rozłożona w czasie bije wkuwanie na ostatnią chwilę, bo każda sesja ponownie pobudza i wzmacnia te same połączenia; sen pomaga utrwalić to, czego się nauczyliśmy; a wyzwanie znaczy więcej niż samo powtarzanie. Mózg, który będziesz mieć jutro, zależy odrobinę od tego, co robisz dziś.

Emocje

Emocja to coś więcej niż uczucie. Strach, na przykład, ma trzy współdziałające składniki: błyskawiczną ocenę, że coś jest ważne, falę zmian w ciele i świadome przeżycie, które nazywamy bać się. Co pojawia się najpierw, spierano się przez ponad sto lat. W 1884 roku amerykański psycholog William James sugerował, że nie drżymy dlatego, że się boimy, lecz boimy się dlatego, że drżymy. Walter Cannon odpowiadał, że ciało reaguje na to zbyt wolno i zbyt jednakowo. Dziś większość badaczy widzi pętlę, w której ciało i mózg nieustannie się informują.

Zaangażowane obszary mózgu grupowano kiedyś jako układ limbiczny, pierścień struktur wokół pnia mózgu. Jego kluczowym członkiem jest ciało migdałowate, skupisko neuronów w kształcie migdała, długie na około 1,5 centymetra, ukryte głęboko w każdym płacie skroniowym. Działa jak wykrywacz zagrożeń: dostaje szybką, zgrubną kopię sygnałów zmysłowych prosto ze wzgórza, stacji przekaźnikowej mózgu, więc może podnieść alarm, zanim kora rozpozna, na co patrzymy. Dlatego odskakujesz od zwiniętego węża ogrodowego, zanim zrozumiesz, że to nie wąż.

Ciało migdałowate wzywa następnie podwzgórze, które uruchamia autonomiczny układ nerwowy i hormony stresu: walące serce, suchość w ustach, ścisk w żołądku, gdy krew odpływa z jelit. Sąsiedni hipokamp wiąże emocję ze wspomnieniem miejsca i czasu, dlatego silnie emocjonalne zdarzenia pamiętamy tak wyraźnie. Wyspa, fałd kory schowany głęboko w środku, odczytuje stan ciała i jest szczególnie aktywna przy wstręcie. Wreszcie kora przedczołowa, za czołem, potrafi to wszystko okiełznać i przeinterpretować sytuację tak, że kołatanie serca staje się ekscytacją, a nie trwogą.

Na ile emocje są uniwersalne, wciąż się dyskutuje. W 1872 roku Karol Darwin dowodził w dziele O wyrazie uczuć u człowieka i zwierząt, że mimika jest dziedziczna, a późniejsze prace Paula Ekmana sugerowały, że sześć podstawowych wyrazów twarzy rozpoznaje się w różnych kulturach: radość, smutek, strach, złość, zaskoczenie i wstręt. Inni twierdzą, że każdy mózg i każda kultura budują emocje z bardziej podstawowych składników.

Czy wiesz, że szczery uśmiech angażuje mięsień wokół oczu, którego większość ludzi nie potrafi napiąć na zawołanie? Opisał to w 1862 roku francuski neurolog Guillaume Duchenne i taki uśmiech wciąż nosi jego imię.

Pacjenci pokazują, jak dzielą się role. Kobieta znana jako S.M., której rzadka choroba zniszczyła oba ciała migdałowate, jest badana od dziesięcioleci, bo zdaje się nie odczuwać strachu i podchodzi do węży i pająków z ciekawością. Gdy obwody emocjonalne są nadaktywne lub się zacinają, skutkiem mogą być zaburzenia lękowe lub depresja. Rumieniec, ściśnięte gardło, nagły dreszcz na schodach: każde z nich to praca tej drużyny, szybsza niż słowa.

Sen

Sen nie jest wyłączeniem mózgu, lecz zmianą trybu pracy. W ciągu typowej nocy dorosły przechodzi przez cztery do sześciu cykli snu, każdy trwający około 90 minut, schodząc przez coraz głębsze fazy i wracając ku marzeniom sennym. Zapisy elektrycznej aktywności mózgu, czyli elektroencefalogram (EEG), zapoczątkowane przez niemieckiego psychiatrę Hansa Bergera w latach 20. XX wieku, ukazują te fazy jako różne rytmy fal mózgowych.

Zasypiając, wchodzisz w fazę N1, kilka minut płytkiego snu, w którym mięśnie się rozluźniają i można poczuć nagłe szarpnięcie przy zasypianiu. Potem przychodzi faza N2, z wybuchami aktywności zwanymi wrzecionami snu; zajmuje ona około połowy nocy. Dalej jest faza N3, czyli sen wolnofalowy: duże, powolne fale delta przetaczają się przez korę, oddech i tętno zwalniają, a organizm uwalnia hormon wzrostu. To najgłębszy sen, z którego najtrudniej się obudzić, skupiony w pierwszej połowie nocy. Na koniec przychodzi sen REM, nazwany od szybkich ruchów gałek ocznych, które mu towarzyszą. Mózg staje się niemal tak aktywny jak na jawie i pojawia się większość żywych snów, a mięśnie kończyn są aktywnie sparaliżowane. Okresy REM wydłużają się nad ranem i stanowią około jednej piątej do jednej czwartej nocy.

Sen REM odkryto w 1953 roku na Uniwersytecie Chicagowskim, gdy doktorant Eugene Aserinsky i jego promotor Nathaniel Kleitman zauważyli szybkie ruchy oczu śpiących ochotników, wśród nich małego syna Aserinsky'ego. Od tamtej pory wiemy, że sen wykonuje prawdziwą pracę. Pomaga utrwalać wspomnienia, odtwarzając przeżycia dnia w hipokampie i korze. Badania na myszach sugerują, że w głębokim śnie wypełnione płynem przestrzenie wokół komórek mózgu się poszerzają, a produkty przemiany materii są skuteczniej wypłukiwane.

Potrzeba snu narasta w ciągu dnia, w miarę jak w mózgu gromadzi się cząsteczka zwana adenozyną, współdziałając z zegarem biologicznym, który ustala, kiedy robimy się senni. Większość dorosłych potrzebuje około 7–9 godzin. W 1964 roku 17-letni Kalifornijczyk Randy Gardner nie spał przez około 264 godziny, czyli mniej więcej 11 dni, i pod koniec miał kłopoty z mową, pamięcią i nastrojem.

Czy wiesz, że podczas snu REM paraliżowi nie podlegają tylko oczy i mięśnie oddechowe, a krótkie przebudzenie, gdy paraliż jeszcze trwa, wywołuje paraliż przysenny, przerażające poczucie, że nie można się ruszyć?

Gdy system się psuje, skutki są wyraźne. W obturacyjnym bezdechu sennym gardło raz po raz się zapada i oddech ustaje; w narkolepsji utrata neuronów wytwarzających oreksynę, substancję podtrzymującą czuwanie, pozwala, by sen REM wdzierał się w dzień. Lunatykowanie zdarza się w głębokiej fazie N3, a nie podczas marzeń sennych. Każdej nocy, bez żadnego wysiłku z twojej strony, mózg przygasza światła i zabiera się do porządków.

Świadomość

Świadomość to jedyna rzecz, której doświadcza każdy, a której nikt w pełni nie wyjaśnił. Lekarze i neurobiolodzy uznają za przydatne rozróżnienie dwóch jej aspektów. Pierwszym jest poziom, czyli czuwanie: czy oczy są otwarte, a mózg pobudzony. Zależy on od sieci w pniu mózgu zwanej układem siatkowatym aktywującym, która wysyła projekcje przez wzgórze, centralną stację przekaźnikową mózgu, do kory. Drugim jest treść, czyli świadomość właściwa: to, czego faktycznie doświadczamy, co zależy od bogatej dwukierunkowej wymiany sygnałów między wzgórzem a rozległymi obszarami kory.

Zestawienie obu osi pozwala sporządzić mapę stanów umysłu. Zwykłe życie na jawie plasuje się wysoko na obu. W głębokim śnie i w znieczuleniu ogólnym oba spadają razem. We śnie REM pobudzenie jest niskie, ale świadomość wraca w postaci marzeń sennych. W śpiączce brakuje obu: oczy pozostają zamknięte, a człowieka nie da się obudzić. Najbardziej niepokojący jest stan wegetatywny, dziś często nazywany zespołem areaktywnego czuwania, w którym chory otwiera oczy i ma cykle snu i czuwania, ale nie wykazuje żadnych oznak świadomości. Lekarze oceniają reaktywność za pomocą skali Glasgow, wprowadzonej w 1974 roku, która punktuje reakcję oczu, słowną i ruchową w zakresie od 3 do 15.

Te kategorie nie zawsze są tym, czym się wydają. W 2006 roku zespół brytyjskiego neurobiologa Adriana Owena poprosił młodą kobietę w pozornym stanie wegetatywnym, leżącą w skanerze, by wyobraziła sobie grę w tenisa. W jej mózgu rozjarzył się obszar planowania ruchu, dokładnie tak jak u zdrowych ochotników, co sugerowało, że rozumiała polecenie. W zespole zamknięcia uszkodzenie pnia mózgu paraliżuje niemal całe ciało, lecz pozostawia świadomość nietkniętą.

Czy wiesz, że francuski dziennikarz Jean-Dominique Bauby, uwięziony we własnym ciele po udarze w 1995 roku, napisał wspomnienia Motyl i skafander, mrugając lewą powieką, gdy asystentka recytowała alfabet?

Eksperymenty pokazują, jak wiele dzieje się poza świadomością. U pacjentów z rozszczepionym mózgiem, którym przecięto ciało modzelowate w leczeniu padaczki, Roger Sperry i Michael Gazzaniga odkryli w latach 60., że każda półkula może wiedzieć coś, czego nie wie druga. W słynnym badaniu z 1999 roku mniej więcej połowa widzów liczących podania koszykarzy nie zauważyła osoby w kostiumie goryla przechodzącej przez scenę. A gdy jedziesz znaną trasą i dojeżdżasz bez żadnego wspomnienia drogi, twój mózg prowadził samochód, podczas gdy uwaga błądziła gdzie indziej.

Jak aktywność elektryczna staje się przeżyciem, pozostaje pytaniem otwartym. Niektóre teorie zakładają, że informacja staje się świadoma, gdy zostaje rozgłoszona w „globalnej przestrzeni roboczej” mózgu; inne wiążą świadomość ze stopniem integracji informacji. Filozof David Chalmers nazwał to „trudnym problemem”. Jakakolwiek okaże się odpowiedź, pracuje nad nią, nomen omen, właśnie to, co próbuje wyjaśnić.

Oko

Gałka oczna to lekko spłaszczona kula o średnicy około 24 milimetrów i masie mniej więcej 7 gramów, osadzona w tkance tłuszczowej w kostnym oczodole i poruszana przez sześć niewielkich mięśni. Jej twarda, biała powłoka zewnętrzna to twardówka; z przodu przechodzi ona w rogówkę, przezroczystą kopułę grubości około pół milimetra, całkowicie pozbawioną naczyń krwionośnych. Za rogówką leży barwna tęczówka, mięśniowy pierścień otaczający otwór, czyli źrenicę, a za nią soczewka. Dużą tylną komorę wypełnia przejrzysta galareta, ciało szkliste, a jej tylną ścianę wyściela siatkówka, cienka warstwa światłoczułej tkanki, która właściwie widzi.

Światło przechodzi przez oko w ściśle określonej kolejności. Wypukła rogówka odpowiada za mniej więcej dwie trzecie całego ogniskowania. Tęczówka zmienia średnicę źrenicy w zakresie od około 2 do 8 milimetrów, jak przysłona aparatu fotograficznego. Soczewka dopracowuje ostrość, zmieniając kształt: przy patrzeniu z bliska kurczy się pierścień mięśnia rzęskowego, włókna utrzymujące soczewkę wiotczeją, a ona sama staje się bardziej wypukła. Na siatkówce powstaje ostry, mały i odwrócony obraz, który mózg bez proszenia obraca z powrotem.

Siatkówka ma grubość zaledwie ćwierci milimetra, a mieści około 120 milionów pręcików, działających przy słabym świetle, lecz ślepych na barwy, oraz około 6 milionów czopków, odpowiedzialnych za kolory i drobne szczegóły. Czopki tłoczą się w dołku środkowym, zagłębieniu szerokości około 1,5 milimetra w centrum pola widzenia; dlatego kierujemy wzrok prosto na to, co chcemy przeczytać. Co dziwne, siatkówka jest okablowana odwrotnie: światło musi przejść przez warstwy komórek nerwowych, zanim dotrze do receptorów. Ich sygnały zbiegają się w około milion włókien, które opuszczają oko jako nerw wzrokowy, tworząc plamkę ślepą bez żadnych receptorów. Nigdy jej nie zauważamy, bo mózg zapełnia lukę.

Czy wiesz, że plamka ślepa jest tak szeroka, że zmieściłoby się w niej około dziesięciu tarcz księżyca w pełni ułożonych obok siebie, a mimo to mózg maskuje ją tak sprawnie, że większość ludzi nigdy jej nie odkrywa?

Zrozumienie tego wymagało skoku wyobraźni. W 1604 roku Johannes Kepler stwierdził, że oko tworzy na siatkówce obraz odwrócony, a wkrótce potem Christoph Scheiner potwierdził to, zdejmując tylne osłony oka zwierzęcia i obserwując, jak pojawia się na nim scena do góry nogami.

Gdy zawodzi optyka, obraz trafia w złe miejsce. W krótkowzroczności gałka oczna jest za długa i ognisko wypada przed siatkówką; w nadwzroczności za nią. Około czterdziestego piątego roku życia soczewka sztywnieje, dlatego menu w restauracji odsuwa się na długość ręki, a zaćma może ją zmętnić. Każde spojrzenie to mały majstersztyk inżynierii.