Как и голод, жажда зависит от состава плазмы крови. В организме содержится четыре-пять литров крови. Это основная транспортная система. Растворимость различных веществ, вязкость крови и прочие свойства и параметры зависят от солевого состава. В плазме содержится около 0,7% ионов натрия и хлора. Есть и другие ионы, и в сумме они дают 0,9% различных солей, анионов и катионов в плазме. Поэтому в критической ситуации можно заменить кровь физиологическим раствором — 0,9-процентным раствором натрия хлорида. Часто в физиологическом растворе разводятся лекарственные препараты.
Итак, концентрации воды и натрия хлорида тесно связаны. В гипоталамусе есть нервные клетки, которые на это реагируют. Они находятся спереди от центров голода и образуют центр жажды. Это паравентрикулярные и супраоптические ядра гипоталамуса. Когда концентрация натрия хлорида начинает расти — 1%, 1,1% и так далее, — возникает жажда. Центр жажды гипоталамуса начинает посылать сигналы через миндалину в лобную кору больших полушарий. Параллельно происходят вегетативные и эндокринные изменения, которые позволяют экономить воду. Они позволяют организму продержаться до ближайшего принятия воды.
Проблема дефицита воды актуальна для всех сухопутных животных, а особенно для тех, которые живут в пустыне. Эволюция создает потрясающие механизмы экономии и добычи воды, например из крахмала — так называемая метаболическая вода. Некоторые животные вообще никогда не пьют и не едят влажной пищи, а питаются, например, сухим зерном. Они добывают воду за счет химических реакций.
Обезьяны очень далеки от такого уровня совершенства. Мы нуждаемся в большом количестве воды каждый день. Для человека средняя потребность в воде — два-три литра в день при комфортном климате и умеренной нагрузке. Если нагрузка большая, климат сухой или вы читаете лекцию четыре часа подряд (с дыханием тоже уходит много воды), то потребность возрастает до четырех и даже пяти литров.
Реакция переднего гипоталамуса на концентрацию натрия хлорида — это первый уровень. Но есть реакция на концентрацию самых разных солей в цитоплазме. Если она сработала, жажда становится совсем невыносимой. Задача поддержания водно-солевого обмена актуальнее, чем задача питания, потому что без еды мы можем прожить три-четыре недели, а без воды всего три-четыре дня (максимум пять-шесть). Без воды нарушения наступают гораздо быстрее. Поэтому чувство жажды гораздо сложнее переносить, чем чувство голода, и оно мощно подталкивает нас к двигательным реакциям.
Наиболее важны паравентрикулярные ядра гипоталамуса. Помимо генерации импульсов, создающих ощущение питьевой потребности, они синтезируют вазопрессин — важнейший гормон водно-солевого обмена. Это пептидная молекула, которая состоит из девяти аминокислот, закрученных в колечко с хвостиком. Вазопрессиновая молекула вырезается из белкового предшественника и транспортируется по аксонам нейронов гипоталамуса в заднюю долю гипофиза. Задняя доля, или нейрогипофиз, — место, где подобные молекулы выбрасываются в кровь. Попав в кровь, вазопрессин работает как гормон.
Нейроны центров жажды сочетают в себе свойства нервных и эндокринных клеток. Их так и называют — нейроэндокринные клетки. Они проводят электрические импульсы и выделяют гормон так, как обычные нейроны выделяют медиатор. Дальнейшая судьба молекул вазопрессина отличается от судьбы медиаторов, которым нужно подействовать здесь и сейчас на другую клетку. Вазопрессин попадет в кровь, разносится по организму и дает разнообразные эффекты.
Основной мишенью вазопрессина являются кровеносные сосуды. Повышается их тонус и кровяное давление. Этот эффект отражен в самом названии «вазопрессин». Но главный эффект гормона — воздействие на почки. Они начинают экономить воду, моча становится более концентрированной. Поэтому второе название вазопрессина — антидиуретический гормон, то есть снижающий диурез.
Вазопрессин влияет на самые разные нейроны в мозге, в том числе в коре больших полушарий, усиливая чувство жажды. Под действием вазопрессина улучшается память, что обеспечивает запоминание дороги к водопою. Поэтому на основе вазопрессина создаются препараты ноотропного ряда. Кроме того, не так давно показано, что этот гормон связан с верностью и моногамией.
Вернемся к действию вазопрессина на почки. Почки состоят из структурно-функциональных единиц под названием «нефроны». Каждая почка содержит примерно один миллион нефронов. Нефрон представляет собой сложным образом сконфигурированную систему трубочек, внутрь которой из капилляров продавливается плазма крови. Продавленная плазма называется первичной мочой. Пока она стекает по нефрону, все полезное возвращается обратно в кровь. Это два основных этапа мочеобразования — фильтрация и обратное всасывание.
Фильтрация идет с потрясающей интенсивностью. В организме образуется около 170 литров первичной мочи в сутки. Примерно каждые 20 минут каждая капелька плазмы чистится от отходов в этой системе.
Главные отходы, которые выводятся почками, — это отходы азотистого обмена, мочевина. В организме постоянно распадаются белки и аминокислоты, и их продукты распада надо удалять. На килограмм веса распадается примерно 1 грамм белка. Это определяет пищевую потребность в белках. Продукты распада азотистых соединений довольно ядовиты, и для их удаления эволюция специально создала выделительную систему. У беспозвоночных колоссальное разнообразие выделительных систем, а у позвоночных — нефроновые варианты.
В первичную мочу уходит практически все из плазмы, кроме крупных белковых молекул. Уходит вода, различные ионы, соли, глюкоза, аминокислоты, мочевина. 99% объема первичной мочи всасывается обратно. Стенки нефронов тратят огромное количество энергии, чтобы от 170 литров первичной мочи осталось примерно полтора литра вторичной — той, которая удалится из организма. Обратно всасывается глюкоза, аминокислоты, около 99% воды, соли в том количестве, в котором они нужны. С вторичной мочой уходит избыток солей и вся мочевина.
Вазопрессин регулирует, сколько воды всосется. За счет базового уровня выделения вазопрессина обратно возвращается 99% воды. Но если активировались центры жажды, вазопрессина начинает выделяться больше, а обратно всасывается уже, например, 99,5% воды. Казалось бы, небольшая разница, но это означает, что вам удастся сэкономить пол-литра жидкости, пока вы дойдете до водопоя.
Для регуляции обратного всасывания на клетках, которые составляют стенки нефронов, находятся белковые молекулы под названием «аквапорины». Это каналы, вставленные в мембраны и предназначенные для воды. Через них вода из первичной мочи может переходить в цитоплазму клетки, а затем уходить в кровеносный сосуд. Когда повышается вазопрессин, на мембране появляется больше активных аквапоринов. Часть из них всплывает из цитоплазмы.
Параллельно с водой всасывается натрий и калий. На натрий уходит очень много энергии, поэтому наши почки очень энергозатратный орган. Больше всего энергии на грамм веса тратит мозг, но второе место занимают почки. И только на третьем месте сердце, которое, казалось бы, постоянно работает.
Если мы выпили много жидкости, осморецепторы центра жажды гипоталамуса фиксируют, что натрия хлорида в крови стало слишком мало, например 0,6%. Это снижает выделение вазопрессина. Часть аквапоринов выключается, обратное всасывание воды снижается с 99 до 98%, 96%, а то и 94%. Лишний литр, полтора или два жидкости эффективно уходят из организма.
Это важнейшие гомеостатические реакции, которые позволяют держать относительно постоянный объем крови. Избыточный объем — лишняя нагрузка на сердце, лишнее кровяное давление и вероятность развития отеков. Поэтому к советам отчаянных диетологов пить воду при любом удобном случае нужно относиться с осторожностью. Большой избыток воды вовсе не полезен. Полезно пить слегка подсоленную воду. Это и есть минеральная вода. Она ближе к нашей плазме, к гомеостатическим показателям.
Помимо почек, выведением воды и избытка солей занимаются потовые железы. По общей массе они примерно соответствуют почкам. Главная задача потовых желез — терморегуляция. Пот уносит лишнее тепло. Управление терморегуляцией — это тоже функция гипоталамуса. Рядом с центрами жажды находятся области, где расположены нервные клетки, измеряющие температуру крови. Если она становится слишком высокой, запускается расширение сосудов кожи и потоотделение. И это еще одна функция воды — важнейшего компонента нашего организма. Вода решает транспортные задачи, участвует в различных химических реакциях и терморегуляции.
