кровоток

Пловец в бассейне, заполненном лёгкими мячами, отталкивается от них и плывёт быстрее, чем в чистой воде. Примерно так ведёт себя трипаносома — одноклеточный паразит, вызывающий сонную болезнь, — когда попадает в кровь, где красные клетки занимают почти половину объёма.

Каждый удар сердца отправляет по мозговым артериям волну, которая не только толкает кровь, но и на мгновение раздувает сосуд. Стенка артерии, как туго натянутая резиновая трубка, передаёт это движение соседней ткани мозга, и тот едва заметно пульсирует в такт сердечному ритму. Смещения крошечные — доли миллиметра, — но именно они могут влиять на то, как мозг очищается от отходов и как распределяются лекарства.

В тихой комнате будапештской лаборатории на столе лежит браслет, в котором вместо ремешка — тонкая проводящая нить, натянутая зигзагом. Она не греет, не светится, но когда её прижимают к запястью, то начинает слушать. Каждый удар сердца отдаётся в лучевой артерии волной давления, и нить, деформируясь, меняет своё электрическое сопротивление.

Капля крови из пальца падает на белую мембрану картриджа. Через двадцать минут смартфон показывает: болезнь Лайма есть или нет. Никакой пробирки, центрифуги и ожидания несколько дней. Обычно для такого анализа кровь сначала центрифугируют, чтобы отделить плазму — жидкую часть крови, в которой ищут антитела (белки-защитники, вырабатываемые организмом против бактерий).

Эпителий выстилает наши органы, как плитка — пол. В покое клетки держатся друг за друга, и ткань упруга. Но во время развития зародыша, заживления раны или роста опухоли этот слой начинает течь, как густой мёд. Что именно запускает такое размягчение?

Во время операции анестезиолог смотрит на экран, где бегут кривые давления и пульса. Но за этими линиями прячутся ещё несколько величин: насколько сосуды сжимаются, как быстро кровь течёт, насколько упруги стенки артерий. Точные приборы для их измерения вводят только в самых тяжёлых случаях, потому что это рискованно — игла в артерии, катетер в сердце.

Бактерия, например кишечная палочка, плывёт к источнику пищи. Химический сигнал — градиент концентрации питательного вещества — ведёт её вперёд, но с каждым движением сигнал меняется, потому что бактерия перемещается в пространстве. Возникает петля обратной связи: ощущение → действие → новое ощущение.

Ночью, когда мы проваливаемся в глубокий сон без сновидений, в глубине мозга начинается прилив. Каждый удар сердца и каждый вдох посылают по заполненным жидкостью полостям (желудочкам) мягкие толчки. Днём эти толчки робкие и однообразные — жидкость плещется туда-сюда почти на одном месте. Но с наступлением медленного сна ритм меняется.

Вспышка болезни похожа на лесной пожар: огонь бежит по сухой траве, и его скорость зависит от ветра и влажности. Но у инфекции свой «ветер» — то, как часто люди заражают друг друга. Когда этот показатель меняется вместе с долей уже заболевших, волна эпидемии может вести себя по-разному.

Поезд метро мчится по тоннелю, а пассажиры в последнем вагоне даже не покачиваются. Примерно так устроен кровоток в лёгких: сердце толкает кровь мощными толчками, но к тому моменту, когда она добирается до вен, пульсация почти исчезает. Долгое время никто не мог построить полную математическую картину этого превращения — не хватало самого важного звена, капиллярной сети.

Фотовспышка, срабатывающая за тысячную долю секунды, не нагревает объект — в отличие от обычной, которая длится целую секунду. Похожий фокус обнаружили в радиотерапии: когда дозу облучения выдают не за минуты, а за миллисекунды, здоровые ткани страдают меньше. Это назвали FLASH-эффектом.

Мозг обладает собственной системой выведения отходов: по узким периваскулярным каналам, окружающим артерии, течёт спинномозговая жидкость – ликвор. Стенки этих каналов мягкие, податливые и ритмично колеблются в такт пульсовой волне, а окружающая мозговая ткань пориста, словно губка.

В спокойной воде маршрут ясен: достаточно держать курс на цель. Но в бурных, хаотичных потоках, где направление и сила течения постоянно меняются, роботу нужна принципиально иная стратегия. Обычные инженерные подходы предполагают построение точной карты течений, однако в реальности получить такую карту практически невозможно — турбулентная среда слишком сложна и изменчива.

Поваренная соль — один из самых изученных продуктов в медицине. Десятилетиями студентов учили по модели Артура Гайтона: съел солёного — кровь разбавилась, объём временно вырос, почки тут же вывели лишнюю воду, и всё вернулось на круги своя. Стройная схема, похожая на работу поплавка в бачке унитаза.

В садовом шланге появилась протечка. Вы заклеиваете дырку пластырем, но вода давит всё сильнее — и рано или поздно заплатка слетает. Примерно так же ведёт себя растущий тромб в кровеносном сосуде. При повреждении стенки сосуда в бой идут крошечные кровяные пластинки — тромбоциты.

Миллионы ресничек — тонких волосков — трудятся внутри крошечных протоков нашего тела. Они бьются согласованно, словно вёсла галеры, и проталкивают вязкую слизь или жидкость. Авторы новой работы предложили смотреть на ресничный ковёр как на активную пористую среду — что-то вроде губки, которая сама себя сжимает и разжимает, прогоняя воду.

Пористый имплантат, заполненный лекарством, работает как губка, которая медленно отдаёт вещество в окружающую жидкость. Но если жидкость течёт быстро, она вымывает лекарство иначе, чем в спокойной среде. Авторы просчитали на компьютере, как разные скорости потока и свойства пористой структуры влияют на выход лекарства.

Когда человек дышит, воздух идёт не ровной струёй, а волнами. Раньше врачи и учёные смотрели только на общие цифры: сколько воздуха вошло за вдох, какой был самый сильный поток. Но внутри одного вдоха есть свои нюансы — маленькие изменения, которые говорят о работе нервов и мышц. Новый подход разбирает вдох на части, как музыкант разбирает аккорд на отдельные ноты.

Клетка, которая собирается разделиться, сначала намечает на себе талию. Под её оболочкой, в тонком геле из белковых нитей, начинается движение. Нити текут, как медленная река, и в середине клетки образуется пояс. Этот пояс сжимается всё сильнее, пока клетка не перешнуруется пополам. Учёные построили компьютерную модель этого процесса.

Капля воды на столе обычно лежит неподвижно. Но стоит сделать стол чуть мягче с одного края и жёстче с другого — капля поползёт в сторону жёсткости. Это явление называют дуротаксисом: жидкость сама выбирает, куда ей течь, без насосов и электричества. Такой трюк возможен благодаря тому, что поверхность под каплей неодинакова.

Палец — это живой датчик: под кожей в такт сердцу пульсируют артерии. Обычные тонометры сдавливают руку и дают одно число, а тут кольцо с восемью электродами пропускает слабый ток и по тому, как он проходит через ткани, строит картинку кровотока. Как будто видишь реку подо льдом: ток огибает препятствия и показывает, где течёт быстрее.

В пористых материалах — почве, горных породах, фильтрах — жидкости движутся через крошечные извилистые каналы. Когда в такой среде одновременно присутствуют две несмешивающиеся жидкости, например вода и воздух, граница между ними постоянно меняется: пузырьки воздуха вытесняют воду из одних пор и открывают путь другим.

Тромб — это не просто комок клеток. Когда повреждается стенка сосуда, тромбоциты слипаются в пробку, но она ещё хрупкая. Прочной её делает фибрин — белок, который образует сеть нитей, как арматура в бетоне. Модель показала: плотность пробки решает, где эта сеть появится.

Внутри почек, печени и других органов жидкость течёт по каналам, которые сжимаются и разжимаются, как шланг под ногой. Стенки этих каналов не жёсткие: они пористые, упругие и пропитаны влагой. Учёные построили простую двумерную модель, чтобы разобраться, как такая мягкая пористая крышка меняет поток, который гонят вдоль канала волны сокращений.

Пылевая лавина — это не просто сугроб, съехавший с горы. Это облако, которое несётся вниз по склону со скоростью автомобиля. Внутри него снег не лежит, а летит: тысячи мелких частиц подхвачены вихрями воздуха. До сих пор никто не видел, что именно происходит с каждой снежинкой в этом хаосе. Теперь у учёных появилась первая съёмка.

Лимфатические сосуды — это транспортная сеть с односторонним движением. По ним жидкость течёт только вперёд благодаря крошечным клапанам-лепесткам. Эти структуры открываются лишь в одну сторону, создавая асимметрию — направленность, без которой поток бы остановился.

Каждый вдох слегка ускоряет сердце, каждый выдох — замедляет. Этот ритм, заметный на кардиограмме, называют дыхательной аритмией. Долгое время её считали просто побочным эффектом работы нервной системы. Но новое исследование показывает: такая слаженность — не случайность, а способ сэкономить энергию.

Клетка — это город с воротами. Каждые ворота — белковый канал в мембране: через него внутрь и наружу проходят ионы, сахара, сигнальные молекулы. Одни ворота почти всегда открыты, другие открываются и закрываются случайно, как двери в метро, которые то пропускают пассажира, то захлопываются перед носом.

Реснички — это крошечные волоски на поверхности клеток. Они бьются, как вёсла, и двигают жидкость. В лёгких они выталкивают пыль и микробов наружу. Но их длина разная: у человека — тысячные доли миллиметра, у гребневиков — несколько миллиметров. Как такие разные реснички работают вместе? Учёные построили машину, которая резко дёргает жидкость, как будто ресничка ударила. Они снимали это на скоростную камеру.

Сердце сокращается не всё сразу, а волной: электрический сигнал бежит по мышце, и за ним, как рябь по воде, прокатывается сжатие. При аритмии эта волна сбивается — где-то задерживается, где-то зацикливается, и насос начинает работать вразнобой. Увидеть такую волну изнутри сегодня можно, только введя в сердце катетер с датчиками — процедура не из приятных.

Мочевой пузырь похож на воздушный шарик: пока он наполняется, стенка растягивается, и форма меняется. Врачи обычно следят за давлением внутри и за тем, сколько жидкости вошло, но почти не смотрят на саму геометрию — как именно изгибается поверхность. А ведь неровности могут появиться ещё до того, как испортятся привычные показатели.

Вода в узкой щели ползёт сама — так работает капиллярный эффект, который поднимает сок по стеблю. Но если на пути встречается ступенька, жидкость может замереть, как путник перед высоким порогом. Учёные построили крошечные каналы из стекла и посмотрели, когда капля перешагивает через уступ, а когда застревает. Оказалось, всё решают угол смачивания и размеры ступеньки.

Лимфатическая система — как городская сеть каналов, по которой медленно движется вода, унося мусор из тканей. Но у неё нет единого насоса-сердца. Вместо этого по длине сосудов расставлены маленькие станции-шлюзы — лимфангионы. Каждый такой шлюз сжимается сам, как кулак, и проталкивает жидкость дальше. Как они согласуют свою работу, долго оставалось загадкой.

На снимке лёгких видно дерево: ствол — трахея, ветви — бронхи, листья — альвеолы. Но как воздух растекается по этим ветвям? Учёные построили компьютерную модель, которая повторяет форму лёгких по изображениям компьютерной томографии. Крупные ветви взяли прямо со снимков, а мелкие дорисовали по правилам, как растёт настоящее дерево.

В щелях между клетками мозга течёт жидкость. Она не стоит на месте: каждый удар сердца толкает её вперёд, а дыхание добавляет свои волны. Десять лет назад это увидели на снимках, но только теперь подсчитали, как такая пульсация разгоняет молекулы. Если капнуть чернила в ручей, они поплывут по течению. А если ручей то ускоряется, то замедляется, чернила размазываются шире.

Вода в кольцевом шланге, по которому гоняет насос, не остановится, даже если пережать один участок: поток найдёт обходной путь и продолжит бежать по кругу. Примерно так устроены некоторые участки нашей кровеносной системы — не как одиночные трубы, а как замкнутые петли. Учёные построили компьютерную модель тока крови и сравнили два случая: открытый сосуд и замкнутое кольцо.

Тонкая пластина стоит поперёк потока воды или воздуха. За ней рождается след — зона, где течение путается и перемешивается. Обычно такой след становится турбулентным, когда скорость потока достаточно велика, и мерой этого служит число Рейнольдса. Для круглых и квадратных препятствий турбулентность в следе появляется при числах Рейнольдса порядка нескольких тысяч.

Бактерия плывёт, как крошечный катер с гребным винтом. Только винт у неё — длинный жгутик, который вращается и толкает тело вперёд. Но тело не идёт ровно: оно покачивается, как поплавок на волне. Это покачивание — не случайность, а часть механики движения. До сих пор такие покачивания изучали в спокойной воде.

Вода закручивается в кольцо, и это кольцо летит сквозь толщу, не распадаясь. Такие вихревые кольца — от дыма до подводных течений — живут по законам, которые трудно уловить на бумаге. Обычно поток дробят на миллионы ячеек-кубиков и следят за каждой.

Внутри оплодотворённого яйца лягушки идут волны — как круги по воде, только из белков, которые командуют делением клеток. Эти волны пробегают миллиметры, хотя само яйцо меньше миллиметра. Раньше не понимали, почему они не сбиваются. Оказалось, волны сами себе расчищают дорогу. Белки в яйце собраны в капли, которые растут и лопаются по очереди.