Угарный газ известен прежде всего как смертельно опасный продукт неполного сгорания — невидимый, не имеющий запаха, убивающий без предупреждения. Однако тот же самый газ присутствует в крови каждого живого млекопитающего как нормальный побочный продукт обмена веществ. Исследование морских слонов, опубликованное в 2014 году в Journal of Experimental Biology, показало, насколько разительно концентрации этого вещества могут различаться у разных видов — и поставило вопросы, которые до сих пор полностью не решены.
Откуда берётся угарный газ внутри организма
В организме человека и большинства млекопитающих угарный газ (CO) непрерывно образуется в ходе нормального клеточного метаболизма. Основной источник — распад гема, железосодержащей части гемоглобина. Эритроциты живут в среднем около 120 дней, после чего разрушаются. При распаде молекула гемоглобина расщепляется ферментами, один из которых — гем-оксигеназа — преобразует гем в биливердин, железо и небольшое количество угарного газа.
Образовавшийся CO поступает в кровь, где связывается с гемоглобином, формируя карбоксигемоглобин (COHb). В норме у здорового некурящего человека уровень COHb составляет около 1–1,5% от общего гемоглобина. Затем газ переносится в лёгкие и выдыхается — именно так происходит его выведение из организма.
Это эндогенное CO выполняет ряд функций: исследования в клеточных и животных моделях показывают, что в низких концентрациях оно участвует в регуляции сосудистого тонуса, оказывает противовоспалительное действие и может защищать ткани от гибели в условиях кислородного голодания — феномен, который исследователи обозначают термином «цитопротекция».
Почему у морских слонов уровень CO в 10 раз выше
Исследование 2014 года, проведённое Майклом Тифтом из Института океанографии Скриппса совместно с коллегами из Университета штата Сонома, измерило содержание карбоксигемоглобина у северных морских слонов (Mirounga angustirostris) на калифорнийском берегу. Результат оказался неожиданным: в крови взрослых животных COHb составлял в среднем 8,7%, а максимальное значение достигало 10,4%. Это примерно в 8–10 раз выше, чем у здоровых некурящих людей, и сопоставимо с показателями человека, выкуривающего более 40 сигарет в день.
Объяснение логически вытекает из физиологии ныряющих млекопитающих. Морские слоны обладают рекордным для млекопитающих объёмом крови относительно массы тела — примерно в 1,5–2 раза больше, чем у наземных животных сходного размера. Концентрация гемоглобина в этой крови также повышена, как и уровень миоглобина — белка, запасающего кислород в мышцах. Именно это позволяет им нырять на глубину до 1500 метров и задерживать дыхание на срок до двух часов.
Однако у этого адаптивного преимущества есть побочное следствие: чем больше гемоглобина и миоглобина циркулирует в организме и постоянно обновляется, тем больше гема расщепляется ежедневно — и тем больше эндогенного CO производится. Авторы исследования показали, что уровень COHb положительно коррелировал с общей концентрацией гемоглобина: чем больше крови относительно массы тела, тем выше уровень угарного газа.
Карбоксигемоглобин и кислородный транспорт: где предел
Карбоксигемоглобин — это гемоглобин, занятый CO вместо кислорода. При высоких концентрациях COHb снижается способность крови переносить кислород, что в принципе должно приводить к гипоксии тканей. Именно поэтому внешнее отравление CO так опасно: при быстром накоплении уровень COHb может превысить 30–40%, и ткани перестают получать достаточно кислорода.
Почему же уровень 8–10% не убивает морских слонов? Авторы исследования предложили несколько объяснений, которые остаются гипотезой, а не доказанным механизмом. Во-первых, ныряющие животные эволюционно адаптированы к периодическому снижению кислородного насыщения крови: во время глубоких погружений они целенаправленно перераспределяют кровоток, снижая снабжение второстепенных органов. Возможно, умеренно повышенный COHb — лишь ещё одно проявление этой толерантности к гипоксии. Во-вторых, высказывалось предположение, что CO в тканях во время ишемии — временного прекращения кровоснабжения — защищает клетки от реперфузионного повреждения, то есть от вреда, который возникает при восстановлении кровотока после паузы. Это явление хорошо изучено в контексте инфаркта и трансплантации органов.
Исследователи подчеркнули: несмотря на то что уровень CO у морских слонов сопоставим с показателями тяжёлых курильщиков, механизм их поступления принципиально различен. У курильщиков CO поступает снаружи — из дыма, быстро связывается с гемоглобином в лёгких и нарушает нормальный кислородный транспорт. У морских слонов CO образуется медленно и постоянно в ходе нормального гемового обмена, и организм, по всей видимости, приспособлен к такому уровню.
Исследовательская гипотеза: цитопротекция при нырянии
Более поздние работы, в том числе исследование, опубликованное в PMC в 2021 году и посвящённое онтогенезу экспрессии генов, связанных с CO, у северных морских слонов, показали, что уровень CO в мышечной ткани нарастает с возрастом — одновременно с увеличением запасов кислорода и становлением навыков ныряния. Экспрессия генов гем-оксигеназы (HMOX1, HMOX2) также менялась предсказуемым образом, что свидетельствует о функциональной связи между системой производства CO и адаптацией к нырянию.
Авторы осторожны в выводах: данные согласуются с гипотезой о защитной функции CO при ишемии-реперфузии — сценарии, воспроизводящемся при каждом глубоком погружении. Это корреляционные данные, а не доказанный механизм причинно-следственной связи. Исследователи не призывали применять наблюдение как основание для медицинского использования CO.
Почему внешний угарный газ опасен для человека
Физиология человека устроена иначе. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний США (CDC), угарный газ ежегодно уносит жизни более 400 американцев в результате случайных отравлений — без учёта пожаров. Ещё более 100 000 человек ежегодно обращаются в отделения неотложной помощи.
Симптомы отравления — головная боль, головокружение, слабость, тошнота, спутанность сознания — часто напоминают грипп, что затрудняет своевременную диагностику. Особенно опасен CO тем, что человек теряет сознание раньше, чем успевает осознать угрозу: в состоянии сна, алкогольного опьянения или при воздействии высоких концентраций потеря сознания наступает быстро.
Газ образуется при неполном сгорании любого топлива: газовые котлы, генераторы, мангалы, автомобили в закрытом гараже, печи с засорённым дымоходом. CDC рекомендует устанавливать детекторы CO рядом с каждым спальным местом, ежегодно проверять отопительное оборудование у специалиста и никогда не использовать портативные генераторы или мангалы внутри помещений — даже при открытых окнах.
Читайте также: Косатки дарят еду людям: ученые объяснили уникальное поведение морских хищников