Рой Милз
Кости. Внутри и снаружи
Посвящается Сьюзан, любовь, поддержка, безупречный вкус и добрые наставления которой делают мои книги и мою жизнь намного богаче
Введение
Давайте подумаем, какие недостатки имеются у популярных строительных материалов. Глина растекается, а после высыхания крошится. Известняк, гранит, бетон, кирпич и фарфор твердые, но хрупкие, а еще массивные, поэтому использовать их можно не везде, особенно когда надо сделать что-то подвижное. Металл годится для легких конструкций и пружинит, если его немного согнуть, — это хорошее качество. Однако если согнуть металл чуть сильнее, он останется в таком состоянии — и это не всегда плюс. Пластик вреден для окружающей среды. Дерево — прекрасный эластичный материал, легкий, биоразлагаемый. Деревянные детали легко соединять друг с другом. Тем не менее и у дерева есть недостатки: оно гниет и горит.
Материалы, которые используют живые организмы, тоже не идеальны. Раковины тяжелы, поэтому улитки и двустворчатые моллюски не могут быстро передвигаться. Ракообразные более подвижны, а жуки даже умеют летать, но их тонкий, легкий и хрупкий наружный скелет необходимо периодически сбрасывать, иначе его обладатель не будет расти.
Все это подводит нас к мысли о кости. Во-первых, кость «производится» прямо на месте эксплуатации (в организме живого существа). Во-вторых, она легкая, прочная и адаптируется к меняющимся условиям. Стальной мост не может удвоить свою длину или несущую способность, а кость и растет, и реагирует на нагрузки. Более того, кость сама себя чинит: ни разбитый кирпич, ни сломанная ложка из металла, пластика или дерева не обладают таким свойством. Кость — это не только лучший в мире конструкционный материал, но и большой банк, который вмещает жизненно важные элементы (в первую очередь кальций) и при необходимости отдает их организму.
При всем уважении к этому чуду природы мало кто видел (или хотел бы увидеть) живые кости — особенно собственные. Наделенные столь превосходными качествами, кости живут уединенно и не получают должного внимания. Какой образ возникает у вас в голове при мысли о кости? Картина Джорджии О’Кифф [Джорджия О’Кифф (1887–1986) — американская художница, мастер магического реализма. Среди типичных мотивов О’Кифф — сельские дома, горы, скалы и дюны, источенные стихиями кости и черепа животных, а также цветы. Здесь и далее, если не указано иное, примечания редактора.], на которой изображен коровий череп под палящим солнцем? Выбеленный, иссушенный, неподвластный времени череп посреди пустыни — такая ассоциация вовсе не подчеркивает достоинства этого материала. Мы испытываем раздражение и даже некое презрение к кости, когда снимаем последний кусочек мяса с бараньего ребрышка или говяжьего стейка. Мы торопимся приступить к десерту, даже не замечая костное кольцо в центре куска свинины, и не задумываемся, для чего у куриной ножки на концах имеются расширения и почему некоторые рыбьи кости гибкие, а птичья вилочка такая хрупкая. Скептики, которые все еще не верят, что кость — лучший в мире материал, спросят: «Если кости такие расчудесные, почему же улитки и пчелы обходятся без них?» Я отвечу на эти и многие другие вопросы в своей книге по мере того, как мы будем знакомиться с историей кости.
Кость — широко распространенный и универсальный материал, однако живую кость мы видим редко, поэтому она кажется нам несколько загадочной. Зато когда кость отслужит своему владельцу, этот удивительный и таинственный материал получает шанс проявить себя в самых разных местах и предназначениях, иногда спустя сотни миллионов лет. Кость может многое рассказать нам об истории планеты и жизни животных на ней. Еще на заре цивилизации люди начали применять кость как орудие труда, использовать ее для защиты и даже для развлечения и вдохновения. Таким образом, обнаженная кость не менее интересна, чем скрытая, и к концу этого повествования вы будете уверены, что лучшего материала в мире не найти.
Часть первая. Скрытая кость
Глава 1. Уникальный состав кости и ее структура
Выдающийся греческий врач и философ Гален писал, что кость, судя по ее бледному цвету, сделана из семенной жидкости. Почти тысячу лет спустя Авиценна, персидский астроном, врач и автор множества научных трудов, пришел к выводу, что кость сотворена из земли, ведь она холодная и сухая. С тех времен миновала еще тысяча лет, и теперь в обществе преобладает иное мнение. Однако Авиценна заметил: чтобы понять скелет, лучше всего отделить его от остального тела. Именно так мы сейчас и поступаем.
Чтобы поближе познакомиться с костью, разложим ее вплоть до химических составляющих. Когда пять атомов углерода соединяются с двумя атомами кислорода, одним атомом азота и несколькими атомами водорода, образуется аминокислота пролин. Аминокислоты — незаменимые кирпичики жизни. Пролин синтезируется в организме человека, а также выделяется при расщеплении пищи в процессе ее переваривания. Из богатой пролином смеси аминокислот особые клетки собирают цепочки молекул коллагена — самого распространенного белка нашего организма. Сначала нить коллагена напоминает микроскопическую мягкую макаронину. Затем к молекулам пролина присоединяются дополнительные атомы водорода и кислорода. Из-за этого цепочка приобретает множественные резкие изгибы, и теперь «спагетти» выглядит как крохотная спиралька. Три такие молекулы группируются в одну молекулу коллагена. Даже на этом субмикроскопическом уровне молекула получается стабильная и прочная, поскольку гребни одной цепочки отлично подходят к впадинкам на других.
Синтезом молекул коллагена занимаются несколько видов клеток, в том числе остеобласты — клетки, которые образуют кость (название происходит от греческих слов «кость» и «росток»). Остеобласт выталкивает готовую молекулу коллагена — это чудо химии и механики — за пределы своей мембраны в узкое межклеточное пространство. Там молекулы коллагена соединяются друг с другом своими концами, а также по всей длине, образуя из множества нитей единое волокно. Молекулы коллагена такие тонкие, что, если каждую секунду класть их одна на другую, потребуется семнадцать часов, чтобы сделать стопку толщиной с эту страницу. И хотя в длину они гораздо больше, придется состыковать целых триста тысяч молекул коллагена, чтобы пересечь пространство внутри этой буквы «о».
Коллагеновые волокна сцеплены между собой и механическими (гребень — впадинка), и химическими связями (как липкие макароны). Чтобы оценить их прочность, представьте три ряда из кубиков лего, соединенных и склеенных суперклеем. Не пытайтесь их разорвать: эти аминокислотные цепочки прочнее, чем стальные нити такой же толщины.
Пока что это вся химия, которая нам нужна. Попробуем найти связь между английскими моряками, кожей для обуви, мебельным клеем и сладким желе. Помните водородно-кислородные добавки к молекулам пролина? Катализатором их присоединения выступает витамин C. Эти добавки необходимы для скручивания молекул в плотную спираль, вот почему дефицит витамина C ведет к нарушению выработки коллагена и вызывает цингу — болезнь, при которой кровоточат десны и возникают многочисленные кровоизлияния в органах и тканях. Раньше моряки месяцами находились в море, в их рационе почти не было свежих овощей и фруктов. Чтобы улучшить вкус тухлой питьевой воды, английские моряки начали добавлять в нее сок цитрусовых. В результате выработка коллагена возвращалась в норму — так, благодаря счастливой случайности, обнаружилось, что не только одно яблоко в день прогоняет докторов, но и один лайм не подпускает цингу.
Обувная кожа — еще одно воплощение коллагена. В процессе дубления кожи в чаны добавляют специальные химические вещества, которые повышают число связей между коллагеновыми волокнами коровьих шкур, поэтому кожа приобретает прочность. Что же касается шариков для пейнтбола, капсул с лекарствами, мебельного клея, желатиновых десертов и жевательных мишек, здесь другая история: все это делается из частично разрушенных волокон коллагена, которые получают путем вываривания побочных продуктов производства мяса и кожи. Существует даже поговорка «Отправить лошадь на клеевую фабрику» — так говорят о стареющих животных, поэтому лучше не читайте про производство желатина перед тем, как съесть кусочек зефира.
Коллаген устойчив к растяжению. Этот белок составляет основу сухожилий (они преобразуют мышечные сокращения в движения суставов) и связок (они удерживают суставы в правильном положении). Представьте, что вы встали на цыпочки. Если бы ахилловы сухожилия были чрезмерно эластичными, при сокращении икроножных мышц они растягивались бы как резинка, и пятки оставались бы на земле. Это плохо — вы не смогли бы прыгать. Или представьте, что вы подпираете рукой щеку и начинаете отгибать назад кончики пальцев. Если бы не прочные связки, ногти в конце концов коснулись бы тыльной стороны ладони — не самое приятное зрелище. Бывает, что связки очень растяжимы от природы. Такие «гуттаперчевые» люди, или «люди-змеи», иногда любят хвастаться своими способностями, вызывая у окружающих недоумение.
Кажется, что такое описание коллагена не имеет отношения к делу, ведь он прочный и не растягивается, да и кость, как мы знаем, тоже твердая. Кость сопротивляется сжатию (выражаясь научным языком), поскольку содержит кристаллы кальция, однако эти кристаллы находятся — как вы уже догадались — в сети коллагена. Конструкция напоминает покрытый штукатуркой деревянный каркас стены.
