Вклад почек в поддержание ионного баланса зависит от конкретного иона. Например, если возникает дефицит натрия, почки могут позволить себе выделять его не более 10 миллиграммов в день. Если речь идет об ионах калия, то ситуация обстоит хуже. Даже если в организм не попадает калия, почками все равно выделяется, как минимум, 240 миллиграммов этого иона в день.
Несмотря на это и даже принимая во внимание тот факт, что человеческому организму требуется больше калия, чем натрия, опасность дефицита натрия все равно больше. Причина в том, что растения богаче калием и беднее натрием, чем животная пища. Большую часть рациона человека составляют растения, поэтому в организм попадает больше калия.
По этой причине в привычку вошло добавлять в пищу соль, чтобы «придать ей вкус». Естественно, вкус при этом улучшается, и мы обычно добавляем больше соли, чем нужно. Однако это не просто вопрос вкуса, а жизненная необходимость. Когда в своей Нагорной проповеди Иисус решил похвалить учеников (Евангелие от Матфея, 5: 13), то произнес следующую фразу: «Вы — соль земли».
Потребность в соли еще сильнее у тех животных, которые питаются исключительно растительной пищей. Они ищут «соляные источники» — естественные месторождения соли — и посещают их, невзирая на большие расстояния и опасности, стремясь к ним, как к воде.
Когда организм теряет воду, с ней уходит некоторое количество ионов. О них я уже упоминал ранее, говоря о веществах, потерянных с водой при диарее. Они также содержатся в выделениях потовых и слезных желез, которые обладают соленым вкусом.
Потеря ионов при потоотделении может быть очень серьезной. Тяжелый физический труд на жаре, например в шахтах, у печей или просто под палящим летним солнцем, когда происходит обильное потоотделение, означает потерю вместе с водой ионов натрия. Потерю воды легко возместить, поскольку ее дефицит в организме вызывает жажду, и человек начинает больше пить. Однако в свежей воде не содержится ионов натрия. Для предотвращения слабости и теплового удара в воду необходимо добавлять немного соли или пить минеральную.
Конечно, если в организме избыток ионов натрия, они должны выводиться через почки. Для удаления одного миллиграмма ионов натрия требуется определенное количество воды, даже если организм испытывает ее нехватку. Поэтому люди, страдающие от жажды, оказавшись после кораблекрушения на шлюпке, обезвоживают свой организм, если в отчаянии пытаются пить морскую воду, и продержатся дольше, если вообще не будут пить. По этой причине соленая пища вызывает жажду. Это защитный механизм против неизбежной потери воды.
Недавно проведенные исследования показали, что некоторые птицы и рептилии, почти всю жизнь проводящие в море, но произошедшие от сухопутных предков, могут употреблять соленую воду. Для этого им необходимо избавиться от избытка ионов натрия, поскольку в их тканях его содержится не больше, чем в наших. Для этого у них есть специальные маленькие «солевые» железы, расположенные у основания носа или клюва, выделяющие насыщенный солевой раствор. Таким образом, морская вода опресняется при помощи этих желез, и в организм поступает уже свежая вода. Жаль, что у нас нет таких желез.
Почему же так важны минералы? Они не используются организмом для выработки энергии и не формируют мягкие ткани. Однако в организме есть и твердые ткани — кости.
Кости в основном состоят из ионов кальция и фосфора, присутствующих в них в виде крошечных кристаллов. Выйдя из крови, эти ионы медленно распределяются по поверхности растущей кости или срастающейся после перелома. В организме взрослого около 85 % ионов фосфора, и более 99 % ионов кальция находится в костях и зубах.
Но и это еще не все. Ионы также присутствуют в мягких тканях. Только там они распределяются неравномерно. В любой частице материи, достаточно большой, чтобы ее можно было рассмотреть под микроскопом, либо не содержится никаких заряженных частиц, либо есть равное количество отрицательно и положительно заряженных частиц. В любом случае суммарный заряд равен нулю: частица материи является электрически нейтральной. Это относится и к живым тканям, но правило нейтральности не говорит о том, какие именно отрицательно и положительно заряженные ионы должны там присутствовать для поддержания баланса.
Например, жидкость внутри клеток (внутриклеточная жидкость) богата ионами калия, несущими положительный заряд, и ионами фосфора, несущими отрицательный заряд. Жидкость за пределами клеток (внеклеточная, в том числе и кровь) богата ионами натрия (положительный заряд) и хлора (отрицательный заряд).
Значит, если мы возьмем нервное волокно и сосредоточимся только на положительно заряженных ионах, то с внутренней стороны мембраны клетки обнаружим множество ионов калия и немного ионов натрия, а с наружной — большое количество ионов натрия и немного ионов калия. Пропорция составляет примерно 40:1 в пользу калия внутри клетки и 7:1 в пользу натрия за ее пределами.
Это кажется удивительным, потому что мембрана клетки проницаема как для ионов калия, так и натрия, и можно подумать, что они должны присутствовать в равных количествах по обеим сторонам мембраны клетки. Если нервная клетка погибнет, концентрация обоих ионов уравновешивается. Однако, пока клетка жива, равновесия не существует, и на это тратится много энергии. Та же самая ситуация создается, если один мяч находится на склоне одной горы, а другой мяч на склоне другой горы. Пока вы прилагаете усилия, чтобы удержать их в этом положении, ситуация не изменится. Но стоит на мгновение опустить руку, как оба мяча тут же покатятся в долину.
Зачем же ткани прилагают такое усилие для поддержания этого неравновесия? Пока оно существует (с участием электрически заряженных частиц), мембрана клетки также находится в состоянии электрического неравновесия. То есть на одной ее стороне находится избыток положительно заряженных ионов, а на другой — избыток отрицательно заряженных ионов. Мембрана поляризована. При стимуляции нервных окончаний дисбаланс ионов на время нарушается. Ионы калия покидают клетку, а ионы натрия проникают в нее, иными словами, оба мяча катятся в долину. Происходит деполяризация нервного окончания. После этого нерв немедленно приступает к восстановлению первоначального дисбаланса, но, когда оно достигается, наступает деполяризация другого нервного окончания.
Таким образом волна деполяризации проходит по всей нервной системе. Она и есть те нервные импульсы, которые мозг различает как образ, звук, давление, боль и другие сигналы, поступающие из внешнего мира.
Остается открытым вопрос о том, как именно организму удается поддерживать неравную концентрацию ионов по обеим сторонам клеточной мембраны, особенно это касается нервных клеток в момент деполяризации.
Неорганические ионы принимают участие не только в процессах формирования, роста и восстановления костей, что само по себе очевидно, но и в различных электрических феноменах, происходящих внутри организма, особенно в функционировании нервной системы. Для выполнения этой задачи необходим строгий контроль концентрации ионов. Если соотношение их концентраций изменяется в небольших пределах, нервы и мышцы не могут адекватно реагировать на окружающие раздражители. При одной крайности наступает сокращение мышц, так называемая тетания, при другой — они становятся вялыми и расслабленными.
Как организму удается поддерживать шаткий баланс ионов в крови и в тканях?
В конце предыдущей главы я говорил о гормоне вазопрессине, который вырабатывается гипофизом и управляет содержанием воды в организме, контролируя степень ее реабсорбции канальцами почек. Это один из примеров системы регуляции. Организм вырабатывает много гормонов, каждый из которых отвечает за один или несколько аспектов химического баланса, некоторые контролируют баланс ионов.
Но давайте ненадолго вернемся назад и зададимся вопросом: что же такое железа?