Чувствуя жар
Вопрос о том, как ощущает организм свою внутреннюю температуру, занимал ученых годами. Субъективно нам всем понятно, что чувство тепла или холода возникает благодаря нервным окончаниям в коже. Однако, если задуматься, мы поймем, что для выживания важна не температура поверхностных покровов, а температура мозга. Таким образом, организму логичнее ориентироваться на температуру мозга, а не кожи – подобно тому, как система отопления контролируется центральным термостатом, а не датчиками с наружных стен.
Аналогичный «термостат» в животном организме был обнаружен Э. Ааронзоном и Ю. Заксом в 1885 г. Он находится в гипоталамусе – отделе мозга, расположенном у основания черепа. И все равно долгое время после его обнаружения не утихали бурные споры о том, что важнее для температурного контроля – кожа или мозг. Окончательный ответ был получен благодаря одному ученому, который позволил вживить себе в мозг температурный датчик и проследить, чем определяется реакция его тела на холод – температурой кожи или мозга. Чтобы охладить кровь, поступающую в мозг, но при этом не дать ей добраться до кожи, испытуемый ел мороженое. Последовавшая в результате типичная реакция организма на холод поставила окончательную точку в спорах: главный регулятор температуры тела находится в мозге.
Однако мозгом чувствительность к температурному воздействию не ограничивается. Хлебнув слишком горячего кофе и от неожиданности опрокинув чашку на себя, вы наверняка подскочите от боли, убеждаясь заодно, что кожа, язык, ротовая полость и горло тоже снабжены тепловыми «датчиками». Они воспринимают не температуру окружающей среды, а, скорее, температуру кожи, в которой расположены. Именно поэтому воздух из электрической сушилки для рук кажется прохладным, пока руки еще влажные, но когда руки высыхают, становится обжигающе горячим.
Температурные рецепторы кожи делятся на две разновидности. Первые реагируют на температуру от 13 до 35° С, сигнализируя об уровне холода или тепла. Их называют холодовыми рецепторами, поскольку интенсивность сигналов, посылаемых ими к мозгу, возрастает с понижением температуры. Наибольшая их чувствительность наблюдается при 28° С – вероятно, именно при такой средней температуре развивался человеческий организм.
Вторая группа рецепторов реагирует на жару, подавая болевые сигналы. Изолировать эти рецепторы и определить последовательность их ДНК удалось лишь недавно, использовав их высокое химическое сходство с капсаицином, активным компонентом жгучего стручкового перца. Мирно спящий внутри огненно-красных стручков капсаицин пробуждается на языке, как вулкан, извергаясь жгучей лавой и разжигая во рту пожар, отлично знакомый любому, кто пробовал мексиканскую или индийскую кухню. Попытки залить его водой приводят лишь к большему распространению огня. Вслед за пожаром обычно наступает обильное потоотделение, словно приправа действительно повысила температуру тела.
История термометра
Термометр изобрел около 1610 г. Галилео Галилей, славу которому принесло другое устройство – телескоп. Галилей был профессором математики Падуанского университета и ради приработка к скудному жалованью изготавливал и продавал научные приборы. Его термометр представлял собой длинную полую стеклянную трубку, частично заполненную водой, запаянную с одного конца и погруженную другим концом в пробирку с водой (некоторые специалисты утверждают, что с вином). При повышении температуры воздух в трубке расширялся, заставляя воду опускаться. Чем выше температура, тем ниже уровень воды. При помощи шкалы с делениями, нанесенной на трубке, можно было проводить измерения. Основная трудность использования этого термометра состояла в том, что он реагировал и на изменения атмосферного давления, поэтому даже при постоянной температуре столбик часто колебался. Проблему решили запаиванием второго конца трубки.
Следующий важный шаг был сделан Даниелем Габриелем Фаренгейтом, немецким физиком и изготовителем научных приборов, работавшим в Амстердаме, который в 1724 г. догадался заменить воду (или алкоголь) в трубке термометра на ртуть. Преимущество ртути в том, что при повышении температуры она расширяется равномернее, не испаряется и лучше просматривается. Фаренгейт модифицировал температурную шкалу другого, менее известного физика Реомюра, взяв за основу три отправные точки: температуру замерзания воды (32° F), кипения воды (212° F) и температуру тела здорового мужчины (98,4° F). Шкала Фаренгейта до сих пор используется в Соединенных Штатах. Кроме того, Фаренгейт одним из первых установил, что точка кипения воды варьируется в зависимости от барометрического давления.
Кроме Фаренгейта и Реомюра термометр изобретали и другие, предлагая собственные шкалы. Бытовало мнение, что в разных частях света одни и те же отправные точки неприменимы. С неразберихой покончил в 1742 г. Андерс Цельсий, разбив шкалу на сто градусов. Он работал в старейшем шведском университете Упсалы, и в наши дни его термометр можно увидеть в университетском музее. Шкала на этом термометре нанесена им собственноручно. С помощью своего термометра Цельсий показал, что снег всегда тает при одной и той же температуре – как в суровых условиях лапландской тундры, так и в более мягком климате южной Швеции. Более того, взяв термометр Реомюра, он продемонстрировал, что в Швеции вода замерзает при той же температуре, что и в Париже, согласно измерениям Реомюра. Температуру таяния льда Цельсий обозначил ста градусами, а температуру кипения воды – нулем, однако после его смерти шкалу перевернули, и она приняла привычный нам вид.
Много лет спустя британский физик лорд Кельвин (1824–1907) изобрел температурную шкалу, которой сегодня пользуются ученые. Она начинается с абсолютного нуля, предельно холодной температуры. Абсолютный ноль обозначается как 0° K и соответствует –273° С.
Первым человеком, применившим научный подход к измерению температуры тела, был венецианец Санторио Санторио, опубликовавший в 1612 г. фундаментальный медицинский труд Ars de Statica Medicina. Он приспособил прибор Галилея, чтобы мерить температурные изменения, но не воздуха, а тела. Вот что говорится в его руководстве: «Пациент сжимает колбу или дышит над ней в капюшон, или захватывает колбу ртом, и мы видим по результатам, идет он на поправку либо нет». Санторио тоже пользовался шкалой, но она служила для сравнения температуры больного с его же показателями в здоровом состоянии, а не для сравнения с неким «нормальным» значением. Во времена Санторио еще не знали, что у всех здоровых людей температура примерно одинакова.
Капсаицин взаимодействует с тем же мембранным белком, который участвует в передаче ощущения жгучего жара, – именно поэтому острый перец воспринимается «жгучим». Кроме того, капсаициновые рецепторы активируются ресинифератоксином (который содержится в соке молочая смолоносного – Euphorbia resinifera). Именно из-за него растение жжется и вызывает раздражение кожи. Люди, регулярно потребляющие острую пищу, теряют чувствительность к капсаицину и могут с наслаждением поедать огненно-жгучее карри. Не исключено, что длительное воздействие капсаицина уменьшает число одноименных рецепторов. Другая гипотеза, более настораживающая, состоит в том, что чувствительные к боли нейроны разрушаются в буквальном смысле, поскольку высокая концентрация алкалоида вызывает гибель культивированных лабораторным путем нервных клеток. Как бы то ни было, способность капсаицина лишать чувствительности болевые нервные волокна позволяет применять его как анальгетик при артрите (он применяется наружно, в составе мази).
Содержание капсаицина варьируется в зависимости от сорта перца. В 1912 г. это натолкнуло Уилбура Сковилла на мысль о создании шкалы жгучести для стандартизации качества импортируемой в США продукции. Степень жгучести определялась тем, до какой степени можно развести водой вытяжку из перца, чтобы она перестала ощущаться на языке. По этой шкале сладкий перец не дотянул и до единицы, халапеньо удостоился 1000 единиц, жгучий хабанеро – 100 000, а чистый капсаицин – целых 10 млн.
Подобно тому как жгучий перец воздействует на тепловые рецепторы, некоторые химические вещества взаимодействуют с холодовыми рецепторами, вызывая ощущение прохлады. Одно из таких веществ – ментол, главный компонент мятного масла. Когда-то ментол считался лечебным средством, поэтому в 1930-х гг. в районе английского Митчема перечной мятой (Mentha pipertita) засеяли около 500 акров земли. Похожие плантации можно было видеть и во Франции, и в итальянском Пьемонте, и в других странах Европы. Японцы, тоже уверовавшие в целебную силу мяты, носили ментол на поясе в маленьких серебряных шкатулках. В наше время он используется по-прежнему – в сигаретах (для «холодка»), а также в жвачке и зубных пастах (для освежающего вкуса).
Сигналы от тепловых и холодовых датчиков кожи вызывают местную реакцию. Если погрузить кисть руки в холодную воду, кожа покраснеет, поскольку кровь устремится к поверхности для обогрева, хотя внутренняя температура тела при этом не изменится. При этом, что гораздо важнее, рецепторы посылают сигнал в мозг, где на основе информации, сопоставленной с данными центральных терморецепторов в гипоталамусе, будет отрегулирована общая теплопродукция и теплопотеря организма.
У некоторых животных, в отличие от человека, имеются специализированные теплочувствительные органы, способные различать инфракрасное излучение и действующие как природные тепловизионные камеры. Лучше всего такие органы изучены у змей. У ямкоголовых змей (например, у гремучих) по обеим сторонам головы имеется два теплочувствительных «глаза», называемые лицевыми ямками. Они представляют собой крошечное, размером с булавочную головку, отверстие, расширяющееся под кожей в полость диаметром в несколько миллиметров. Эти ямки определяют положение теплокровной добычи в пространстве и позволяют змее не промахиваться даже в темноте. Пока точно не известно, как именно действует этот орган (не в последнюю очередь потому, что ямкоголовые змеи крайне агрессивны и укус их смертелен). У боа-констрикторов, анаконд и питонов также имеются высокочувствительные тепловые сенсоры: сенсор боа-констриктора, например, способен почти мгновенно почувствовать такую мельчайшую частицу тепла, как одна десятимиллионная калории на квадратный сантиметр. Это примерно то же самое, что почувствовать тепло от 100-ваттной лампочки (или человека) на расстоянии 40 м. Специализированные инфракрасные сенсоры обнаружены и на брюхе жука-златки рода Melаnophila, откладывающего яйца на свежих лесных пожарищах. Взрослые жуки, привлеченные теплом, стаями устремляются к месту пожара. Чувствительность их настолько высока, что пожар они могут различить за 50 км.
