Кровь и лимфа: состав, функции и кроветворение

Норвежские китобои, работавшие в Антарктике в 1920-х годах, рассказывали о рыбах с бесцветной кровью. В 1954 году норвежский биолог Й. Рууд описал таких рыб: в крови антарктических белокровок нет ни эритроцитов, ни гемоглобина, она почти прозрачная [1]. Эти рыбы живут в ледяной воде, где растворено много кислорода, и обходятся кислородом, растворённым прямо в плазме. Другие позвоночные без гемоглобина не выжили бы. Белокровки показывают, сколько разных задач решает кровь и как одна из них — перенос кислорода — зависит от клеток, а остальные — от жидкой части.

Ниже разобрано, почему кровь и лимфа — ткани и к какому типу тканей они относятся, из чего состоят плазма и форменные элементы, как работают эритроциты, лейкоциты и тромбоциты, как кровь свёртывается, где и как образуются клетки крови, откуда берётся лимфа и что из этого нужно уметь на ЕГЭ. Общий обзор тканей — в статье «Ткани животных и человека», другие соединительные ткани — в статье «Соединительные ткани».

• 1. Почему кровь — ткань
• 2. Внутренняя среда организма
• 3. Функции крови
• 4. Плазма
• 5. Эритроциты
• 6. Гемоглобин
• 7. Лейкоциты
• 8. Тромбоциты
• 9. Свёртывание крови
• 10. Кроветворение
• 11. Группы крови и переливание
• 12. Кровь и кислотно-щелочное равновесие
• 13. Органы крови: костный мозг, селезёнка, тимус
• 14. Кровопотеря и донорство
• 15. Лимфа
• 16. Что показывает анализ крови
• 17. Кровь у разных животных
• 18. История изучения
• 19. Частые ошибки
• 20. Интересные факты
• 21. Частые вопросы
• 22. Что пока не решено
• 23. ЕГЭ
• 24. Для олимпиад
• 25. Задания с разбором
• Литература

1. Почему кровь — ткань

Кровь — жидкость, текущая по сосудам, и называть её тканью кажется странным. Но по всем признакам ткани она именно ткань, причём соединительная [2, 3]:

• клетки и межклеточное вещество: в крови есть клетки (эритроциты, лейкоциты) и фрагменты клеток (тромбоциты) — их называют форменными элементами, а также межклеточное вещество — плазма, которая занимает больше половины объёма;
• общее происхождение: клетки крови, как и клетки других соединительных тканей, развиваются из мезенхимы, а у взрослого — из стволовых клеток красного костного мозга;
• общие функции с другими соединительными тканями: трофическая, транспортная, защитная.

Межклеточное вещество крови необычно: в нём нет волокон, по крайней мере пока кровь течёт. Но в плазме растворён белок фибриноген, который при свёртывании превращается в нити фибрина. Так что «волокна» у крови есть — в запасе, на случай повреждения.

Клетки крови тесно связаны с клетками рыхлой соединительной ткани. Моноциты выходят из сосудов в ткани и становятся макрофагами; нейтрофилы и лимфоциты постоянно покидают кровь и патрулируют ткани. Поэтому в российских учебниках кровь, лимфу и рыхлую соединительную ткань объединяют в «ткани внутренней среды».

2. Внутренняя среда организма

Большинство клеток многоклеточного организма не соприкасается с внешним миром. Их окружает внутренняя среда, которую образуют три жидкости: кровь, тканевая (межклеточная) жидкость и лимфа. Они связаны друг с другом [2].

Из кровеносных капилляров часть плазмы выходит в ткани и становится тканевой жидкостью. Она омывает клетки: клетки получают из неё кислород и питательные вещества и отдают в неё углекислый газ и продукты обмена. Большая часть тканевой жидкости возвращается в кровеносные капилляры, а остальная поступает в лимфатические капилляры и становится лимфой. Лимфа по лимфатическим сосудам возвращается в кровь. Получается круговорот: кровь → тканевая жидкость → лимфа → кровь.

Состав внутренней среды поддерживается почти постоянным: температура, концентрации солей, глюкозы, кислорода, кислотность меняются в узких пределах. Это постоянство называют гомеостазом, и кровь — главное средство, которым организм его поддерживает: она разносит вещества, тепло и сигналы и связывает между собой все органы. Подробнее о гомеостазе — в отдельной статье серии.

У взрослого человека около 5 литров крови — 7–8 % массы тела. Потеря трети этого объёма опасна для жизни, потому что давление в сосудах падает и органы перестают получать кислород.

3. Функции крови

• Дыхательная — перенос кислорода от лёгких к тканям и углекислого газа от тканей к лёгким.
• Трофическая (питательная) — перенос питательных веществ от кишечника и печени к клеткам.
• Выделительная — перенос продуктов обмена (мочевины, креатинина, избытка солей) к почкам, лёгким, коже.
• Регуляторная (гуморальная) — перенос гормонов и других сигнальных веществ.
• Терморегуляционная — перенос тепла от работающих органов (мышц, печени) к коже, где оно отдаётся наружу.
• Защитная — лейкоциты и антитела уничтожают микробы и чужеродные вещества; свёртывание предотвращает кровопотерю.
• Гомеостатическая — поддержание постоянства внутренней среды: кислотности, осмотического давления, объёма жидкости.

Большинство этих функций выполняет плазма. Форменным элементам принадлежат перенос кислорода (почти целиком), клеточная защита и начальный этап остановки кровотечения.

4. Плазма

Плазма — жидкая часть крови, её межклеточное вещество. Если кровь, не давая ей свернуться, оставить в пробирке или раскрутить в центрифуге, клетки опустятся на дно, а сверху останется желтоватая прозрачная плазма. Плазма составляет 55–60 % объёма крови [2].

Плазма на 90–92 % состоит из воды. Около 7 % — белки:

• альбумины — самые многочисленные белки плазмы; синтезируются в печени. Они удерживают воду в сосудах (создают онкотическое давление) и переносят жирные кислоты, билирубин, гормоны, лекарства;
• глобулины — переносчики (например, железа и меди) и антитела (иммуноглобулины);
• фибриноген — белок свёртывания крови.

Около 0,9 % массы плазмы составляют минеральные соли, в основном хлорид натрия. Раствор NaCl той же концентрации называют физиологическим: его вводят в вену, не повреждая клетки крови. Если поместить эритроциты в воду, они набухнут и лопнут (гемолиз), а в крепком солевом растворе — сморщатся, теряя воду. Подробнее об осмосе — в статье «Потенциал покоя».

В плазме растворены глюкоза (около 5 ммоль/л, около 1 г на литр), аминокислоты, жиры, мочевина, гормоны, газы. Кислотность плазмы — pH 7,35–7,45 — поддерживается буферными системами (главная — гидрокарбонатная) и работой лёгких и почек. Плазму без фибриногена, которая остаётся после свёртывания крови, называют сывороткой.

Почему белки плазмы удерживают воду в сосудах? Стенка капилляра пропускает воду и соли, но почти не пропускает крупные белки. Белки плазмы создают осмотическое давление, которое «втягивает» воду обратно из тканей. При голодании, болезнях печени и почек, когда белков в плазме становится мало, вода остаётся в тканях — возникают отёки. Так объясняются отёки у голодающих детей.

5. Эритроциты

Эритроциты (красные кровяные клетки) — самые многочисленные клетки крови и тела вообще: около 25 триллионов, 84 % всех клеток человека [4]. В 1 мкл крови их 4–5 миллионов.

Эритроцит человека — двояковогнутый диск диаметром 7–8 мкм и толщиной около 2 мкм, без ядра и без митохондрий. Почти треть его массы — гемоглобин. Каждая особенность строения связана с функцией:

• двояковогнутая форма увеличивает поверхность по сравнению с шаром того же объёма и сокращает путь газов до любой точки клетки; кроме того, она позволяет эритроциту складываться и проходить через капилляры уже его собственного диаметра;
• отсутствие ядра освобождает место для гемоглобина;
• отсутствие митохондрий означает, что эритроцит сам не расходует переносимый кислород: энергию он получает гликолизом;
• гибкий белковый каркас под мембраной позволяет клетке многократно деформироваться и восстанавливать форму.

Платой за отсутствие ядра стала невозможность обновлять белки. Эритроцит живёт около 120 суток. Состарившиеся, менее гибкие эритроциты задерживаются в селезёнке и печени, где их поглощают макрофаги. Железо гемоглобина возвращается в костный мозг для новых эритроцитов, а остаток гема превращается в жёлтый пигмент билирубин, который выводится с желчью. Если билирубина образуется слишком много или печень не успевает его выводить, кожа и белки глаз желтеют.

Образование эритроцитов регулирует гормон эритропоэтин, который вырабатывают почки, когда тканям не хватает кислорода [5]. Поэтому у жителей высокогорья и у людей, долго живущих в горах, эритроцитов больше: так организм компенсирует низкое парциальное давление кислорода в воздухе. Спортсмены используют это, тренируясь в горах. Нехватку эритроцитов или гемоглобина называют анемией; частая её причина — недостаток железа.

6. Гемоглобин

Гемоглобин — белок из четырёх полипептидных цепей (у взрослого — двух α и двух β), каждая из которых несёт гем — плоское кольцо с ионом железа Fe²⁺ в центре. К каждому иону железа может присоединиться одна молекула кислорода, так что одна молекула гемоглобина переносит до четырёх молекул O₂ [6]. Трёхмерную структуру гемоглобина первым определил М. Перуц в 1960 году; за это он получил Нобелевскую премию 1962 года [7].

В лёгких, где кислорода много, гемоглобин присоединяет его и превращается в оксигемоглобин — ярко-алый. В тканях, где кислорода мало, а углекислого газа и кислот больше, гемоглобин отдаёт кислород. Присоединение кислорода к одной цепи облегчает его присоединение к остальным, и так же согласованно идёт его отдача. Поэтому гемоглобин почти полностью насыщается в лёгких и эффективно отдаёт кислород в тканях даже при небольшом снижении его концентрации. Углекислый газ и ионы водорода снижают сродство гемоглобина к кислороду, и там, где ткань работает активно, кислород отдаётся легче.

Углекислый газ переносится кровью в основном в виде ионов гидрокарбоната HCO₃⁻, которые образуются в эритроцитах с участием фермента карбоангидразы, и лишь небольшая часть — в соединении с гемоглобином (карбогемоглобин) и в растворённом виде.

У плода свой гемоглобин — фетальный, в котором вместо β-цепей γ-цепи. Он связывает кислород прочнее материнского, и поэтому в плаценте кислород переходит из крови матери в кровь плода. После рождения фетальный гемоглобин постепенно заменяется взрослым.

7. Лейкоциты

Лейкоциты (белые кровяные клетки) — настоящие клетки с ядром. Их гораздо меньше, чем эритроцитов: 4–9 тысяч в 1 мкл крови. Главная функция — защита организма. Большую часть жизни лейкоциты проводят не в крови, а в тканях: кровь для них — транспорт к месту работы [2].

Лейкоциты делят на две группы по наличию гранул в цитоплазме, которые видны после окраски. Красители, позволившие их различить, подобрал в 1879 году немецкий врач П. Эрлих. Соотношение разных видов лейкоцитов называют лейкоцитарной формулой.

Нейтрофилы — самые многочисленные лейкоциты. У них ядро из нескольких сегментов и мелкие гранулы с ферментами. При воспалении они первыми выходят из сосудов: прилипают к эндотелию, протискиваются между его клетками (этот процесс называют диапедезом) и движутся к месту повреждения по сигналам, которые выделяют микробы и повреждённые клетки. Там они поглощают и переваривают бактерии — это фагоцитоз, открытый И. И. Мечниковым. Нейтрофилы живут недолго — в крови несколько часов, в тканях день-два; погибшие нейтрофилы вместе с бактериями и тканевой жидкостью образуют гной.

Эозинофилы с крупными оранжевыми гранулами борются с паразитическими червями и участвуют в аллергических реакциях; их число растёт при глистных инвазиях и аллергии. Базофилы — самые редкие; их гранулы содержат гистамин и гепарин, как у тучных клеток соединительной ткани.

Воспаление: как лейкоциты попадают в ткань

Лейкоциты не могут сами выбрать, куда выйти из сосуда: даже в мелких сосудах кровь несёт их со скоростью около миллиметра в секунду. Место выхода им «показывают» эндотелий и клетки повреждённой ткани [2]. Когда в ткань проникают бактерии или ткань повреждена, тучные клетки и макрофаги выделяют сигнальные вещества — гистамин, белки-цитокины. Под их действием происходит следующее:

1. Расширение сосудов. Мелкие артерии расширяются, к месту повреждения приливает кровь — появляются покраснение и жар.
2. Повышение проницаемости. Щели между клетками эндотелия расширяются, плазма с белками выходит в ткань — возникает отёк; отёк и вещества, раздражающие нервные окончания, вызывают боль.
3. Прилипание лейкоцитов. На эндотелии появляются белки адгезии. Нейтрофилы сначала катятся вдоль стенки, затем прочно прилипают к ней.
4. Выход из сосуда. Нейтрофилы, а позже моноциты протискиваются между клетками эндотелия и через базальную мембрану в ткань.
5. Движение к цели. По градиенту концентрации веществ, выделяемых бактериями и повреждёнными клетками, лейкоциты движутся к очагу и поглощают микробы.
6. Завершение. Макрофаги убирают погибшие нейтрофилы и остатки тканей, фибробласты восстанавливают соединительную ткань, сосуды возвращаются к норме.

Покраснение, жар, припухлость и боль описал как признаки воспаления ещё древнеримский врач Цельс; пятый признак — нарушение функции — добавил в XIX веке немецкий патолог Р. Вирхов. Все они — следствия того, что кровь и рыхлая соединительная ткань перестраиваются для защиты. Если же воспаление охватывает весь организм, цитокины действуют на центр терморегуляции в мозге, и повышается температура тела.

Моноциты — крупные клетки с бобовидным ядром. Через 1–3 суток в крови они выходят в ткани и превращаются в макрофаги — долгоживущие фагоциты, которые поглощают микробы, погибшие клетки, остатки разрушенных тканей и показывают кусочки чужих белков лимфоцитам.

Лимфоциты — клетки приобретённого (специфического) иммунитета. B-лимфоциты после встречи с антигеном превращаются в плазматические клетки, выделяющие антитела. T-лимфоциты созревают в тимусе; одни из них (T-киллеры) убивают заражённые и опухолевые клетки, другие (T-хелперы) управляют иммунным ответом. Часть лимфоцитов живёт годами — это клетки памяти, на которых основано действие прививок. Подробнее — в статье «Иммунитет и иммунная система человека».

8. Тромбоциты

Тромбоциты (кровяные пластинки) — не клетки, а безъядерные фрагменты цитоплазмы гигантских клеток костного мозга — мегакариоцитов. Мегакариоцит достигает 50–100 мкм в диаметре — во много раз больше эритроцита; его ядро многократно удвоило набор хромосом без деления клетки. Он вытягивает в просвет сосудов костного мозга длинные отростки, от которых отрываются тромбоциты; один мегакариоцит даёт сотни и тысячи тромбоцитов [8].

Тромбоциты — диски диаметром 2–4 мкм, их 150–400 тысяч в 1 мкл крови, живут они 7–10 суток. В покое тромбоцит гладкий, но при контакте с повреждённой стенкой сосуда он выпускает отростки, прилипает к коллагену, выбрасывает содержимое своих гранул и склеивается с другими тромбоцитами. Тромбоциты также выделяют факторы, ускоряющие свёртывание и заживление сосуда.

9. Свёртывание крови

Если сосуд повреждён, организм должен быстро остановить кровотечение, но только в месте повреждения: сгусток в неповреждённом сосуде (тромбоз) так же опасен, как и кровопотеря. Остановка кровотечения идёт в несколько этапов [2, 6].

Ключевое событие свёртывания — превращение растворимого белка плазмы фибриногена в нерастворимый фибрин. Его катализирует фермент тромбин, который сам образуется из неактивного предшественника протромбина. Для этого нужна цепочка из десятка белков — факторов свёртывания, каждый из которых активирует следующий. Такой каскад усиливает сигнал и позволяет образовать сгусток за несколько минут. Для работы каскада нужны ионы кальция, а многие факторы синтезируются в печени при участии витамина K.

Из этого следуют практические выводы. Если к крови добавить вещество, связывающее ионы кальция (например, цитрат натрия), она не свернётся — так консервируют донорскую кровь. Пиявки выделяют белок гирудин, который блокирует тромбин, поэтому место укуса пиявки долго кровоточит. Гепарин, который вырабатывают базофилы и тучные клетки, тоже препятствует свёртыванию и используется как лекарство.

При гемофилии отсутствует или нарушен один из факторов свёртывания, и даже небольшие травмы вызывают длительные кровотечения, а кровь скапливается в суставах. Две основные формы гемофилии наследуются сцепленно с X-хромосомой, поэтому болеют почти исключительно мужчины, а женщины бывают носительницами. Самый известный пример — потомки королевы Виктории, через дочерей которой мутация попала в королевские семьи Европы, в том числе к сыну последнего российского императора, цесаревичу Алексею.

10. Кроветворение

Клетки крови живут недолго — от нескольких часов (нейтрофилы) до нескольких месяцев (эритроциты), и их нужно постоянно возобновлять. Этот процесс называют кроветворением (гемопоэзом). Ежедневно в теле человека образуются сотни миллиардов новых клеток крови; клетки крови составляют почти 90 % всех заменяемых за сутки клеток тела [9].

У взрослого человека все клетки крови образуются в красном костном мозге — в губчатом веществе плоских костей (грудины, рёбер, костей таза, черепа), позвонков и концов длинных костей. У зародыша кроветворение начинается в стенке желточного мешка, затем переходит в печень и селезёнку и только к рождению — в костный мозг. С возрастом красный костный мозг в телах длинных костей заменяется жёлтым — жировым.

Все клетки крови происходят от одной кроветворной стволовой клетки. Эту идею в 1909 году высказал русский гистолог А. А. Максимов, а доказали её в 1961 году канадские исследователи Дж. Тилл и Э. Маккаллох. Они облучали мышей дозой, уничтожающей их костный мозг, и вводили им небольшое число клеток костного мозга здоровой мыши. Через 10 дней в селезёнке появлялись бугорки — колонии, число которых было пропорционально числу введённых клеток; вскоре выяснилось, что каждая колония происходит от одной клетки и содержит клетки разных видов крови [10]. Так впервые было доказано существование стволовых клеток у взрослого организма [11].

Кроветворная стволовая клетка редко делится. Её потомки — клетки-предшественники — делятся много раз и постепенно специализируются: одни становятся эритроцитами, другие — тромбоцитами, третьи — разными лейкоцитами. Скорость образования каждого вида клеток регулируют гормоны: эритропоэтин (эритроциты), тромбопоэтин (тромбоциты), различные факторы роста лейкоцитов, синтез которых усиливается при инфекции.

На этом основана пересадка костного мозга: больному лейкозом (опухолью кроветворной ткани) уничтожают собственный костный мозг облучением и лекарствами и вводят в вену кроветворные стволовые клетки донора. Они сами находят дорогу в костный мозг и заселяют его. За разработку этого метода американский врач Э. Д. Томас получил Нобелевскую премию 1990 года.

11. Группы крови и переливание

В 1901 году австрийский врач К. Ландштейнер смешивал эритроциты и сыворотку крови разных людей и заметил, что в одних парах эритроциты склеиваются (агглютинируют), а в других нет [12]. Так были открыты группы крови системы AB0. На мембране эритроцитов могут находиться антигены A и B, а в плазме — антитела к тем антигенам, которых у человека нет. Если перелить кровь с «чужим» антигеном, антитела склеят эритроциты донора, и они разрушатся. Позже открыли и резус-фактор. За открытие групп крови Ландштейнер получил Нобелевскую премию 1930 года.

Группы крови наследуются по законам Менделя, и это одна из любимых тем задач ЕГЭ по генетике. Подробно — в статье «Кодоминирование и множественный аллелизм: группы крови».

12. Кровь и кислотно-щелочное равновесие

Кислотность крови поддерживается в очень узких пределах: pH артериальной крови в норме 7,35–7,45. Если pH опускается ниже 7,0 или поднимается выше 7,8, нарушается работа белков, в том числе ферментов и ионных каналов, и человек погибает. А между тем в теле постоянно образуются кислоты: углекислый газ при растворении в воде даёт угольную кислоту, при интенсивной работе мышц накапливается молочная кислота, при окислении белков — серная и фосфорная [2].

Кровь справляется с этим с помощью буферных систем — пар веществ, которые связывают лишние ионы водорода или гидроксид-ионы:

• гидрокарбонатная (HCO₃⁻ / H₂CO₃) — главная буферная система плазмы. Лишние ионы H⁺ связываются гидрокарбонатом, образуется угольная кислота, которая распадается на воду и CO₂, а CO₂ выдыхается лёгкими;
• белковая, прежде всего гемоглобин: он связывает ионы водорода, особенно когда отдал кислород, — поэтому венозная кровь, несущая больше кислот, почти не отличается по pH от артериальной;
• фосфатная — важна внутри клеток и в моче.

Буферы — первая линия защиты, которая срабатывает за секунды. Вторая — лёгкие: при закислении крови усиливается дыхание, и из крови уходит больше CO₂. Третья — почки: за часы и дни они выводят избыток ионов водорода с мочой и возвращают в кровь гидрокарбонат. Вместе эти механизмы — пример гомеостаза, при котором кровь служит и средой, которую нужно поддерживать постоянной, и средством, через которое органы этого добиваются.

13. Органы крови: костный мозг, селезёнка, тимус

Кровь образуется, хранится и разрушается в особых органах. Их строят ретикулярная ткань, кроветворные и лимфоидные клетки, сосуды [2].

Красный костный мозг — главный орган кроветворения. У взрослого его масса — больше килограмма, он находится в губчатом веществе костей. Его основа — ретикулярная ткань, в петлях которой лежат кроветворные клетки на разных стадиях созревания, жировые клетки и широкие сосуды — синусы, через стенку которых созревшие клетки выходят в кровь. Здесь же созревают B-лимфоциты.

Тимус (вилочковая железа) — орган в груди за грудиной, где созревают и проходят отбор T-лимфоциты. Тимус велик у детей и постепенно уменьшается после полового созревания, замещаясь жировой тканью.

Селезёнка — самый крупный лимфоидный орган, массой около 150 г. Она состоит из красной и белой пульпы. В красной пульпе кровь медленно просачивается через узкие щели, и старые, утратившие гибкость эритроциты застревают и поглощаются макрофагами. Здесь же задерживаются бактерии и паразиты, попавшие в кровь. Белая пульпа — скопления лимфоцитов вокруг артерий, где запускается иммунный ответ на антигены, принесённые кровью. У зародыша селезёнка участвует в кроветворении.

У многих животных селезёнка служит ещё и депо эритроцитов. У собак и лошадей при физической нагрузке она сокращается и выбрасывает в кровь запас эритроцитов, повышая кислородную ёмкость крови. Особенно сильна эта функция у ныряющих тюленей (раздел 17). У человека селезёнка хранит лишь небольшой запас крови.

Наконец, печень синтезирует почти все белки плазмы — альбумины, фибриноген, большую часть факторов свёртывания, — а у зародыша служит кроветворным органом. Поэтому при тяжёлых болезнях печени нарушается свёртывание крови и появляются отёки.

14. Кровопотеря и донорство

При потере крови организм включает несколько механизмов. В первые минуты сужаются мелкие артерии кожи и внутренних органов, учащается сердцебиение — так поддерживается давление и кровоснабжение мозга и сердца. В следующие часы в сосуды переходит тканевая жидкость, восполняя объём плазмы; кровь при этом разбавляется. Белки плазмы печень восстанавливает за несколько суток, а эритроциты — за несколько недель: почки выделяют больше эритропоэтина, и костный мозг ускоряет их образование [5].

Поэтому здоровый человек без вреда может отдать около 450 мл крови — около десятой части её объёма. Донорская кровь спасает пострадавших при травмах, родах, операциях. Её разделяют на компоненты: эритроцитную массу переливают при анемии и кровопотере, плазму — при нарушениях свёртывания и ожогах, тромбоциты — при их нехватке. При переливании обязательно учитывают группу крови и резус-фактор.

Потеря больше трети объёма крови опасна: давление падает так, что органы не получают кислорода, развивается шок. В этом случае нужно быстро восполнить объём жидкости в сосудах и остановить кровотечение.

15. Лимфа

Лимфа — прозрачная, слегка желтоватая жидкость, текущая по лимфатическим сосудам. По составу она похожа на плазму, но белков в ней меньше. Из форменных элементов в ней почти только лимфоциты; эритроцитов и тромбоцитов нет или очень мало. Лимфа, оттекающая от кишечника после жирной еды, белая и мутная от капель жира — её называют млечным соком (хилусом) [2].

Лимфа образуется из тканевой жидкости. В кровеносных капиллярах давление крови выталкивает часть плазмы в ткани. Большая часть этой жидкости возвращается в капилляры, но не вся: разница, по оценкам, составляет несколько литров в сутки. Кроме того, из капилляров постоянно просачиваются белки, которые сами вернуться в кровь не могут. Эти излишки жидкости и белков собирают лимфатические капилляры — тонкие, слепо замкнутые трубочки из эндотелия, клетки которого перекрываются, как черепица, и пропускают жидкость только внутрь [13].

Лимфатические капилляры сливаются в сосуды с клапанами. Лимфа движется по ним медленно и только в одну сторону: её проталкивают сокращения стенок сосудов и окружающих мышц, дыхательные движения, а клапаны не дают ей течь назад. По пути лимфа проходит через лимфатические узлы — бобовидные органы размером от миллиметров до пары сантиметров. В узлах лимфа фильтруется: макрофаги поглощают бактерии, вирусы, частицы пыли и опухолевые клетки, а лимфоциты встречаются с антигенами и запускают иммунный ответ. Поэтому при ангине увеличиваются и болят шейные лимфоузлы. В конце концов вся лимфа собирается в крупные протоки и вливается в вены у основания шеи.

Функции лимфы и лимфатической системы:

• возвращение в кровь жидкости и белков из тканей — без этого за сутки организм терял бы из кровотока значительную часть плазмы;
• всасывание жиров: в ворсинках тонкой кишки жиры поступают не в кровеносные капилляры, а в центральный лимфатический капилляр;
• защитная: фильтрация в лимфатических узлах и перенос лимфоцитов;
• транспорт лимфоцитов из лимфатических органов в кровь и обратно.

Если отток лимфы нарушен, жидкость скапливается в тканях — возникает отёк. В тропических странах паразитические черви (филярии) закупоривают лимфатические сосуды, и ноги могут чудовищно распухнуть — эту болезнь называют слоновостью.

16. Что показывает анализ крови

Кровь — единственная ткань, которую можно легко и многократно взять на исследование, поэтому анализ крови — один из главных методов медицины. В общем анализе считают эритроциты, лейкоциты и тромбоциты, измеряют содержание гемоглобина, гематокрит и лейкоцитарную формулу. По ним судят о состоянии организма:

• снижение гемоглобина и эритроцитов говорит об анемии (из-за кровопотери, недостатка железа или витаминов, болезней костного мозга);
• повышение числа нейтрофилов — признак бактериального воспаления, лимфоцитов — часто вирусной инфекции, эозинофилов — аллергии или глистной инвазии;
• снижение числа тромбоцитов увеличивает кровоточивость;
• избыток незрелых клеток крови может указывать на лейкоз.

В биохимическом анализе плазмы определяют глюкозу, белки, мочевину, ферменты и многое другое. Уровень глюкозы, например, показывает, как работает регуляция обмена углеводов (при сахарном диабете он повышен).

17. Кровь у разных животных

Жидкая внутренняя среда есть у всех животных с полостью тела, но устроена она по-разному. Подробнее — в статье «Кровеносная система билатерий».

У членистоногих и большинства моллюсков кровеносная система незамкнутая, и жидкость, омывающая органы, — гемолимфа — одновременно и кровь, и тканевая жидкость. У насекомых гемолимфа почти не переносит кислород — его доставляют прямо к клеткам трахеи, и она бывает бесцветной или зеленоватой. У осьминогов, кальмаров и многих ракообразных дыхательный белок — гемоцианин, содержащий медь; в окисленном виде он голубой, поэтому кровь у них голубая. Гемоцианин растворён в плазме, а не заключён в клетки.

У дождевого червя гемоглобин тоже растворён в плазме, но это гигантская молекула из множества субъединиц, слишком крупная, чтобы проходить через стенки сосудов. Заключение гемоглобина в клетки — эритроциты — у позвоночных позволило держать в крови много гемоглобина, не повышая вязкость плазмы и её осмотическое давление.

У всех позвоночных, кроме млекопитающих, эритроциты сохраняют ядро и обычно имеют овальную форму. Самые крупные эритроциты — у хвостатых земноводных: у амфиумы и протея их диаметр достигает 60–70 мкм. У верблюдов и лам эритроциты безъядерные, но овальные. И, как уже говорилось, у антарктических рыб-белокровок эритроцитов нет вовсе [1].

Ныряльщики и горцы

Кровь животных, живущих в условиях недостатка кислорода, показывает, как отбор подстраивает эту ткань. Тюлень Уэдделла ныряет подо льдом Антарктиды на час и дольше. В покое значительная часть его эритроцитов хранится в огромной селезёнке — по оценке, около 20 литров эритроцитов. Во время ныряния гормоны стресса заставляют селезёнку сократиться, и гематокрит поднимается примерно с 44 до 55 %: кровь становится «гуще» и переносит больше кислорода [14]. Кроме того, в мышцах тюленей очень много миоглобина, запасающего кислород.

Горный гусь перелетает через Гималаи на высоте, где парциальное давление кислорода в два-три раза ниже, чем у моря. Его гемоглобин из-за замены одной аминокислоты связывает кислород прочнее, чем гемоглобин гусей равнин, и насыщается в лёгких даже в разреженном воздухе [15]. Похожие изменения гемоглобина найдены у лам, викуний и других горных млекопитающих [16]. Это пример того, как одна аминокислотная замена в белке крови открывает виду новую среду обитания.

18. История изучения

В 1628 году У. Гарвей доказал, что кровь движется по кругу, а не образуется заново в печени. Через тридцать лет голландский натуралист Я. Сваммердам первым увидел в микроскоп эритроциты в крови лягушки, а в 1674 году А. ван Левенгук описал эритроциты человека. В XIX веке П. Эрлих научился красить мазки крови и различать виды лейкоцитов, а И. И. Мечников открыл фагоцитоз. В 1901 году К. Ландштейнер открыл группы крови [12], что сделало переливание крови безопасным. В XX веке определили структуру гемоглобина [7], доказали существование кроветворных стволовых клеток [10], выделили эритропоэтин [5], разобрались в каскаде свёртывания и научились пересаживать кроветворные стволовые клетки от донора больному.

19. Частые ошибки

20. Интересные факты

• В теле человека около 25 триллионов эритроцитов — 84 % всех клеток тела [4].
• Если выложить эритроциты одного человека в цепочку, она обогнула бы Землю больше четырёх раз (25·10¹² × 7,5 мкм ≈ 190 тысяч километров).
• Каждую секунду в костном мозге образуется около двух с половиной миллионов эритроцитов.
• В одном эритроците около 270 миллионов молекул гемоглобина.
• У антарктических белокровок нет ни эритроцитов, ни гемоглобина, а у осьминогов кровь голубая из-за медьсодержащего гемоцианина [1].
• Пиявка выделяет белок гирудин, который не даёт крови свернуться; медицинских пиявок до сих пор иногда используют в хирургии, чтобы восстановить кровоток в пришитых тканях.

21. Частые вопросы

Почему кровь красная, а вены синие?

Кровь всегда красная: ярко-алая в артериях (оксигемоглобин) и тёмно-красная в венах. Вены кажутся синими через кожу из-за того, как кожа рассеивает и поглощает свет разных длин волн: красный свет проникает глубже и поглощается кровью, а синий отражается от поверхностных слоёв.

Почему эритроциты не имеют ядра, а лейкоциты имеют?

Эритроцит выполняет одну задачу — переносит газы, и освобождённое от ядра место занято гемоглобином. Лейкоцитам нужно ядро: они долго живут в тканях, синтезируют белки, многие делятся (лимфоциты при иммунном ответе), меняют поведение в зависимости от сигналов.

Чем сыворотка отличается от плазмы?

Плазма — жидкая часть несвернувшейся крови. Сыворотка — жидкость, которая остаётся после свёртывания крови: в ней нет фибриногена и некоторых других факторов свёртывания.

Почему в горах увеличивается число эритроцитов?

В горах ниже атмосферное давление и парциальное давление кислорода. Ткани получают меньше кислорода, почки выделяют больше эритропоэтина, и костный мозг образует больше эритроцитов. Через несколько недель кровь переносит больше кислорода.

Можно ли жить без селезёнки?

Да. Её функции разрушения старых эритроцитов берут на себя печень и костный мозг. Но селезёнка участвует в иммунной защите, и люди без селезёнки хуже защищены от некоторых бактериальных инфекций.

22. Что пока не решено

• Как кроветворная стволовая клетка «выбирает» путь развития и насколько жёстко разделены линии клеток крови [11].
• Как получить в лаборатории достаточно эритроцитов и тромбоцитов из стволовых клеток, чтобы заменить донорскую кровь [8].
• Как точно регулируется обмен жидкости между капиллярами, тканями и лимфой: классические представления о силах, движущих жидкость через стенку капилляров, в последние годы пересматривают [13].

23. ЕГЭ

В кодификаторе ЕГЭ-2027 кровь относится к соединительным тканям (элемент 4.4) [17]; состав и функции крови, свёртывание, группы крови и иммунитет проверяются также в разделе о человеке.

Типичные формулировки ответов:

• «Эритроциты млекопитающих не имеют ядра и митохондрий, имеют форму двояковогнутого диска — больше места для гемоглобина, больше поверхность для газообмена, кислород не расходуется самой клеткой».
• «При свёртывании крови тромбоциты разрушаются, запускается каскад реакций, протромбин превращается в тромбин, тромбин превращает растворимый фибриноген в нерастворимый фибрин, нити фибрина задерживают клетки крови — образуется тромб».
• «Лимфа образуется из тканевой жидкости, поступающей в лимфатические капилляры; проходит через лимфатические узлы, где обезвреживается, и возвращается в кровь».

24. Для олимпиад

Сколько кислорода переносит кровь

1 г гемоглобина связывает около 1,34 мл кислорода. В литре крови около 150 г гемоглобина, значит, кислородная ёмкость крови — около 200 мл O₂ на литр. Растворённого кислорода в литре плазмы при нормальном давлении всего около 3 мл — в 65 раз меньше. Во всей крови (5 л) около 1 л кислорода, а в покое человек потребляет около 250 мл кислорода в минуту, то есть запаса хватает примерно на 4 минуты. Отсюда понятно, почему остановка дыхания на несколько минут опасна для мозга.

Гематокрит из числа и объёма эритроцитов

При 5·10¹² эритроцитов в литре и объёме одного эритроцита 90 фл (90·10⁻¹⁵ л) общий объём эритроцитов в литре крови: 5·10¹² · 90·10⁻¹⁵ = 0,45 л — гематокрит 45 %.

Сколько молекул гемоглобина в эритроците

Средняя масса гемоглобина в одном эритроците — около 30 пг (30·10⁻¹² г), молярная масса гемоглобина — около 64 500 г/моль. Число молекул: 30·10⁻¹² / 64 500 · 6,02·10²³ ≈ 2,8·10⁸. Каждая переносит до 4 молекул O₂, то есть один эритроцит — около миллиарда молекул кислорода.

Скорость образования эритроцитов

Около 2,5·10¹³ эритроцитов живут по 120 суток. Чтобы их число не менялось, в сутки должно образовываться 2,5·10¹³/120 ≈ 2,1·10¹¹, или около 2,4 миллиона в секунду. На это нужно около 6–7 г гемоглобина в сутки и около 20–25 мг железа, которое почти полностью берётся из разрушенных старых эритроцитов.

25. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три признака, по которым кровь относят к соединительным тканям: 1) клетки плотно прилегают друг к другу; 2) много межклеточного вещества; 3) развивается из мезенхимы; 4) клетки лежат на базальной мембране; 5) выполняет транспортную и защитную функции; 6) обладает сократимостью.

Задание 2

Установите соответствие между форменным элементом и признаком: А) двояковогнутый диск без ядра; Б) фрагмент цитоплазмы мегакариоцита; В) клетка с сегментированным ядром, фагоцит; Г) вырабатывает антитела после превращения в плазматическую клетку; Д) переносит кислород; Е) участвует в свёртывании крови. Элементы: 1) эритроцит; 2) тромбоцит; 3) нейтрофил; 4) B-лимфоцит.

Задание 3

Установите последовательность процессов при свёртывании крови: 1) образование нитей фибрина; 2) повреждение стенки сосуда; 3) превращение протромбина в тромбин; 4) прилипание тромбоцитов к повреждённому месту; 5) образование тромба.

Задание 4

Объясните, как строение эритроцита человека связано с его функцией. Укажите не менее трёх особенностей.

Задание 5

Найдите ошибки в тексте и исправьте их. (1) Кровь — жидкая соединительная ткань. (2) Эритроциты всех позвоночных не имеют ядра. (3) Тромбоциты участвуют в свёртывании крови. (4) Фибрин растворён в плазме крови. (5) У взрослого человека клетки крови образуются в печени.

Задание 6

Почему отравление угарным газом опасно для жизни?

Задание 7

Почему у людей, переселившихся в горы, через несколько недель увеличивается число эритроцитов?

Задание 8

Выберите три верных утверждения о лимфе: 1) образуется из тканевой жидкости; 2) содержит много эритроцитов; 3) проходит через лимфатические узлы; 4) течёт по замкнутому кругу; 5) возвращается в кровь через крупные вены; 6) движется под действием давления сердца, как кровь в артериях.

Задание 9

Почему к донорской крови добавляют цитрат натрия?

Задание 10

Установите соответствие между лейкоцитом и функцией: А) нейтрофил; Б) эозинофил; В) базофил; Г) моноцит; Д) T-лимфоцит. Функции: 1) первым приходит в очаг воспаления и фагоцитирует бактерии; 2) борется с паразитическими червями; 3) выделяет гистамин и гепарин; 4) превращается в тканях в макрофаг; 5) созревает в тимусе, распознаёт и уничтожает заражённые клетки.

Задание 11

Почему у больных гемофилией в основном мужчины? Как наследуется заболевание?

Задание 12

Почему при длительном голодании и болезнях почек с потерей белка у человека появляются отёки?

Задание 13

Где образуются и где разрушаются эритроциты взрослого человека? Что происходит с железом гемоглобина?

Задание 14

Чем отличаются плазма и сыворотка крови? Почему сыворотку нельзя использовать для изучения свёртывания?

Задание 15

Выберите три вещества, которые входят в состав плазмы в норме: 1) фибриноген; 2) фибрин; 3) альбумины; 4) гемоглобин; 5) глюкоза; 6) крахмал.

Задание 16

Почему жиры из кишечника попадают сначала в лимфу, а не в кровь?

Задание 17

Почему укус пиявки долго кровоточит?

Задание 18 (олимпиадное)

В крови 140 г гемоглобина на литр, объём крови 5 л. 1 г гемоглобина связывает 1,34 мл O₂. Сколько кислорода может перенести вся кровь? На сколько минут хватит этого запаса при потреблении 300 мл O₂ в минуту?

Задание 19 (олимпиадное)

В 1 мкл крови 4,5 млн эритроцитов, объём одного эритроцита 88 фл. Каков гематокрит?

Задание 20 (олимпиадное)

В крови 250 тысяч тромбоцитов в 1 мкл, объём крови 5 л, тромбоцит живёт 8 суток. Сколько тромбоцитов должно образовываться в сутки? Сколько мегакариоцитов нужно для этого, если каждый даёт 2000 тромбоцитов?

Литература

1. Ruud J. T. Vertebrates without erythrocytes and blood pigment // Nature. 1954. Vol. 173. P. 848–850.
2. Pawlina W. Ross and Pawlina Histology: A Text and Atlas with Correlated Cell and Molecular Biology. 8th ed. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2020.
3. Mescher A. L. Junqueira's Basic Histology: Text and Atlas. 16th ed. New York: McGraw Hill, 2021.
4. Sender R., Fuchs S., Milo R. Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body // PLoS Biology. 2016. Vol. 14. Art. e1002533.
5. Miyake T., Kung C. K.-H., Goldwasser E. Purification of human erythropoietin // Journal of Biological Chemistry. 1977. Vol. 252. P. 5558–5564.
6. Alberts B., Heald R., Johnson A. et al. Molecular Biology of the Cell. 7th ed. New York: W. W. Norton, 2022.
7. Perutz M. F., Rossmann M. G., Cullis A. F. et al. Structure of haemoglobin: a three-dimensional Fourier synthesis at 5.5-Å resolution, obtained by X-ray analysis // Nature. 1960. Vol. 185. P. 416–422.
8. Machlus K. R., Italiano J. E. The incredible journey: from megakaryocyte development to platelet formation // Journal of Cell Biology. 2013. Vol. 201. P. 785–796.
9. Sender R., Milo R. The distribution of cellular turnover in the human body // Nature Medicine. 2021. Vol. 27. P. 45–48.
10. Till J. E., McCulloch E. A. A direct measurement of the radiation sensitivity of normal mouse bone marrow cells // Radiation Research. 1961. Vol. 14. P. 213–222.
11. Orkin S. H., Zon L. I. Hematopoiesis: an evolving paradigm for stem cell biology // Cell. 2008. Vol. 132. P. 631–644.
12. Landsteiner K. Ueber Agglutinationserscheinungen normalen menschlichen Blutes // Wiener klinische Wochenschrift. 1901. Bd. 14. S. 1132–1134.
13. Levick J. R., Michel C. C. Microvascular fluid exchange and the revised Starling principle // Cardiovascular Research. 2010. Vol. 87. P. 198–210.
14. Hurford W. E., Hochachka P. W., Schneider R. C. et al. Splenic contraction, catecholamine release, and blood volume redistribution during diving in the Weddell seal // Journal of Applied Physiology. 1996. Vol. 80. P. 298–306.
15. Scott G. R., Milsom W. K. Control of breathing and adaptation to high altitude in the bar-headed goose // American Journal of Physiology — Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 2007. Vol. 293. P. R379–R391.
16. Storz J. F. Hemoglobin function and physiological adaptation to hypoxia in high-altitude mammals // Journal of Mammalogy. 2007. Vol. 88. P. 24–31.
17. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.