Právě teď má tvé tělo kolem 37 °C. Stejně tomu bylo ráno a stejně to bude i zítra, plus minus stupeň, ať strávíš den na sněhu, nebo v sauně. Krev máš zhruba stejně slanou a stejně kyselou jako před rokem, ať bylo k obědu cokoli. Nemusíš na nic z toho myslet. Něco v tobě se o to stará, každou vteřinu.
Proč na tom záleží, vysvětlil už v roce 1878 francouzský fyziolog Claude Bernard. Tvé buňky se s vnějším světem vůbec nesetkají. Každá z nich je obklopená tekutinou – vodou mezi buňkami a tekutou částí krve – a ta tekutina je jediný svět, který znají. Bernard ji nazval vnitřním prostředím (milieu intérieur) a tvrdil, že právě jeho stálost umožňuje svobodný, nezávislý život. Ještěrka je za chladného rána ztuhlá a pomalá; ty si můžeš vyjít na procházku do sněhu. Rozdíl je uvnitř.
A to vnitřní prostředí je slaná voda. Je zhruba stejně slaná jako fyziologický roztok v nemocniční infuzi, který se ostatně míchá právě tak, aby jí odpovídal. Mořská voda je asi čtyřikrát slanější. Tvé buňky pořád žijí jako jejich jednobuněční předkové, obklopené vodou. Jediný rozdíl je v tom, že ty tu vodu nosíš s sebou, uzavřenou v kůži.
Americký fyziolog Walter Cannon dal později tomuto neustálému udržování jméno: homeostáza. Předpona homeo- znamená „podobný“, ne „stejný“, a Cannon výslovně upozorňoval, že nejde o nic pevného a nehybného. Jde o stav, který se může měnit, a přesto zůstává poměrně stálý.
V učebnicích se homeostáza často popisuje jako „rovnováha“. Fyzikálně je to ale spíš naopak. Ve fyzice je rovnováha stav, kdy se všechno vyrovnalo: teploty jsou stejné, látky rovnoměrně promíchané a nic už nemá kam téct. Hrnek čaje zapomenutý na stole dospěje do rovnováhy s místností. Tělo po smrti také. Živé tělo se tam nedostane nikdy. Je teplejší než místnost, jeho buňky mají uvnitř jiné soli než venku a každou vteřinu spotřebovává energii, aby se tyhle rozdíly nevyrovnaly. To není rovnováha, ale ustálený stav. Boron a Boulpaep to říkají hned v první kapitole své učebnice: dobře regulovaná veličina není v rovnováze, ale v ustáleném stavu, a udržet ji v něm stojí energii.
Fyziologie má tisíce detailů, ale stojí na hrstce myšlenek. Tady je pět z nich. Jakmile je znáš, přestanou srdce, plíce a ledviny vypadat jako samostatné kapitoly a začnou vypadat jako variace na jedno téma.
iTermostat
Jak udržet něco stálé, když do toho svět pořád strká? Nastavit to jednou a odejít nejde. Musíš to neustále kontrolovat a opravovat, podobně jako když udržuješ auto v jízdním pruhu: volant nikdy nedržíš úplně rovně, jen ho pořád lehce pootáčíš doleva a doprava.
Fyziologové tomu říkají negativní zpětná vazba. Potřebuje čidlo, které veličinu měří, žádanou hodnotu, se kterou ji porovná, a efektor, který ji vrátí zpátky, když se odchýlí. Boron a Boulpaep k tomu přidávají čtvrtý prvek, na který se snadno zapomíná: zesílení, tedy jak silně systém na danou odchylku zareaguje. Změřit, porovnat, opravit – pořád dokola, dokud žiješ.
Přesně tak funguje termostat na stěně. Změří teplotu v místnosti, porovná ji s nastavenou hodnotou a zapne nebo vypne topení. Tvé tělo takových smyček provozuje tisíce: pro teplotu, cukr v krvi, krevní tlak, kyselost, kyslík, oxid uhličitý, vodu i sůl.
Teplotní smyčka má celý tým efektorů. Když je ti horko, potíš se a cévy v kůži se rozšíří, aby odvedly teplo. Když je ti zima, třeseš se, a tím vyrábíš teplo; cévy v kůži se stáhnou, aby ho udržely, a drobné svaly u kořínků chlupů se smrští. To je husí kůže, pozůstatek srsti, kterou už nemáme. Cukr v krvi funguje stejně, jen s jinými hráči. Když stoupne, slinivka vyplaví inzulin a buňky si cukr z krve vezmou; když klesne, slinivka vyplaví glukagon a játra cukr do krve vrátí.
Dvě věci lidi často matou. Zaprvé, „negativní“ tu neznamená „špatná“. Znamená, že smyčka jde proti změně: když hodnotu zvedneš, stlačí ji zpátky. Zadruhé, regulovaná veličina nikdy nesedí přesně na žádané hodnotě, protože smyčka neustále opravuje drobné odchylky oběma směry. A sama žádaná hodnota se během dne posouvá: kolem čtvrté ráno máš teplotu asi o půl stupně nižší než pozdě odpoledne.
Vyzkoušej si to. Pošli tělo do mrazu nebo do vedra a sleduj, jak ho smyčka vrací zpátky. Pak zpětnou vazbu vypni.
To kmitání není jen vrtoch simulace. Při těžkém srdečním selhání teče krev z plic do mozku pomalu, takže smyčka, která řídí dýchání, dostává informace pozdě. Dýchání pak přestřeluje oběma směry: zesílí, zeslábne, na chvíli se zastaví a zase se rozjede. Říká se tomu Cheyneovo-Stokesovo dýchání a je to učebnicový příklad zpětné vazby, která přichází pozdě.
Existuje i pozitivní zpětná vazba, kdy změna vyvolá ještě víc téže změny. Je to ten pískot, když se mikrofon dostane moc blízko k vlastnímu reproduktoru. Tělo ji používá jen výjimečně, a to pro děje, které mají rychle doběhnout do jasného konce. Při porodu každý stah vyvolá vyplavení oxytocinu, který zesílí další stah, dokud se dítě nenarodí. Při srážení krve každý aktivovaný srážecí faktor aktivuje další. Stejně funguje i bleskový vzestup akčního potenciálu v nervu.
Tvých 37 stupňů není stav, ve kterém jsi. Je to výsledek, který tělo vyrábí znovu každou vteřinu.
iiVšechno jde z kopce
Proč se tělo musí tolik snažit? Kvůli jednomu z nejspolehlivějších pravidel přírody: rozdíly mizí. Teplo přechází z teplejšího na chladnější, nikdy obráceně. Kapka inkoustu se ve sklenici vody rozptýlí a už se nikdy znovu neposbírá. Vůně kávy se z kuchyně dostane do všech pokojů. Když věci necháš být, každý rozdíl se vyrovná.
V těle je nejdůležitější podobou tohoto pravidla difuze: molekuly se šíří z místa, kde jich je hodně, tam, kde jich je málo. Nic je netlačí. Každá molekula se pohybuje náhodně a naráží do ostatních. Dav se rozptýlí prostě proto, že způsobů, jak být rozptýlený, je nesrovnatelně víc než způsobů, jak zůstat pohromadě. Difuze nic nestojí a na krátké vzdálenosti je velmi rychlá.
Osmóza je zvláštní případ, který mate skoro každého. Dej mezi sladkou a slanou vodu membránu, která propustí vodu, ale ne sůl, a voda začne přecházet na slanou stranu, jako by ji chtěla naředit. Rozpuštěné částice snižují to, čemu chemici říkají chemický potenciál vody, a voda se stejně jako všechno ostatní pohybuje z vyššího k nižšímu. Osmóza je prostě difuze vody přes membránu směrem k roztoku s více rozpuštěnými částicemi.
Tohle jediné pravidlo vysvětluje spoustu věcí. Červená krvinka v čisté vodě nabobtná a praskne, v mořské vodě se scvrkne. Zvadlý salát ve studené vodě zase zkřehne a osolené okurky pustí vodu. A proto taky nemůžeš pít mořskou vodu: ledviny neumějí vyrobit moč tak slanou jako moře, takže zbavit se soli z jedné sklenice by tě stálo víc vody, než kolik jí v té sklenici bylo.
Tělo toho chytře využívá. Pumpy na vodu nemá. Když potřebuje přesunout vodu, pumpuje sůl a voda jde za ní. Tak vstřebává vodu střevo a tak ji ledviny získávají zpátky. Proto také rehydratační roztoky obsahují sůl i cukr: střevo je vstřebává společně a voda jde s nimi.
Kde tohle všechno putování z kopce končí? V rovnováze: všechno je rovnoměrně promíchané a žádné rozdíly nezbyly. Pro buňku to znamená smrt. Živá buňka drží sodík převážně venku a draslík uvnitř a oba jí neustále prosakují membránou. Proto pohání pumpy, především sodno-draselnou pumpu, které ionty přenášejí zpátky do kopce, proti spádu. Pumpy únik nezastaví, jen s ním drží krok. Nic se nemění, protože pumpy vracejí přesně tolik, kolik uteče. To je ustálený stav, ne rovnováha. U savců v klidu spotřebuje samotná sodno-draselná pumpa zhruba pětinu až čtvrtinu veškerého ATP, které tělo vyrobí.
Vyzkoušej si to. Nech částice rozptýlit, dokud nebudou obě strany stejné: pohybují se dál, ale na každou stranu jich přejde stejně. Pak zvol membránu, která sůl zadrží, a sleduj, jak se místo soli hýbe voda. Nakonec zapni pumpu a uvidíš, co stojí udržet rozdíl.
Svět tě neustále vyrovnává. Zůstat naživu znamená udržet si své rozdíly a platit za ně.
iiiPumpy a potrubí
Difuze má háček. Na nepatrné vzdálenosti je rychlá a na dlouhé beznadějná, protože doba, kterou potřebuje, roste s druhou mocninou vzdálenosti. Šířku buňky urazí kyslík za setiny sekundy, milimetr za pár minut, centimetr za hodiny a metr za roky. Samotnou difuzí by se kyslík z plic do prstů na nohou nikdy nedostal.
Cokoli silnějšího než zhruba milimetr proto potřebuje druhý způsob dopravy: proudění. Místo čekání, až molekuly někam dobloudí, se přesouvá celá tekutina, podobně jako když rostoucí město přestane spoléhat na studny a postaví vodovod. Přesně k tomu slouží srdce a cévy. Srdce dopraví krev na pár setin milimetru téměř ke každé buňce a poslední úsek obstará difuze. Plíce to dělají stejně. Dýchání dopraví vzduch hluboko do dýchacích cest a závěr cesty, včetně přechodu do krve přes bariéru tenkou asi 0,6 µm, nechává na difuzi.
Kolik potrubím proteče? Fyziologie používá stejný zákon jako zahradní hadice nebo elektrický obvod: průtok se rovná tlakovému rozdílu dělenému odporem. Pustíš kohoutek víc a voda teče silněji. Hadici přimáčkneš a teče slaběji. V těle je hnací silou krevní tlak, odporem cévy a výsledkem průtok krve, v klidu asi pět litrů za minutu.
Překvapivé je, jak silně odpor závisí na šířce trubky. Průtok neroste úměrně poloměru, dokonce ani jeho druhé mocnině, ale jeho čtvrté mocnině. Zmenši poloměr cévy na polovinu a průtok klesne na šestnáctinu. Rozšiř ji jen o deset procent a průtok vzroste skoro o polovinu. Proto tělo rozvádí krev hlavně tím, že mění šířku malých tepen. Nepatrné stažení svaloviny kolem nich funguje jako kohoutek. Tak se krev nahrne do svalů, když běžíš, a do tváře, když se červenáš.
Vyzkoušej si to: když měníš tlak, průtok ho poslušně následuje. Když změníš poloměr, průtok poskočí.
I když sedíš úplně bez hnutí, uvnitř jsi v pohybu: celý objem tvé krve oběhne tělo zhruba jednou za minutu.
ivSvět v záhybech
Velikost přináší ještě jeden problém, geometrický. Všechno, co si tělo vyměňuje se světem (kyslík, oxid uhličitý, potrava, odpad, teplo), musí projít nějakým povrchem. Když ale něco zvětšíš, povrch roste s druhou mocninou velikosti, kdežto objem se třetí. Zdvojnásob velikost těla a bude mít čtyřikrát víc povrchu, ale osmkrát víc objemu, který je třeba živit. Čím jsi větší, tím méně povrchu připadá na každý gram.
Velká zvířata to obcházejí skládáním. Velké povrchy vměstnají do malého objemu tak, že je větví a vrásní. Tvé dýchací cesty se větví zhruba třiadvacetkrát a končí asi 300 miliony drobných plicních sklípků o celkové ploše 50–100 m², tedy zhruba jako byt 3+1. Jediný balon o stejném objemu jako tvé plíce by měl povrch jen kolem 0,16 m², dva a půl listu papíru A4. Výstelka tenkého střeva je zřasená, řasy jsou pokryté prstovitými klky a klky mikroklky. Rozložená do roviny by měla asi 30 m², zhruba jako garsonka.
Proto také buňky zůstávají malé. Buňka, která by příliš vyrostla, by měla na svůj objem málo membrány a její střed by hladověl. Když chce život být velký, má dvě možnosti: vyrobit víc malých buněk, nebo poskládat své povrchy. Obvykle dělá obojí. Dýchací cesty, cévy i výstelka střeva jsou postavené podle stejného vzoru: větev na větvi na větvi.
Nech tělo v simulaci růst a sleduj, jak mu povrch přestává stačit. Pak ho nech rozvětvit.
Nosíš v sobě povrchy o rozloze bytu, poskládané tak, aby skoro každá buňka měla zásobování na dosah.
vZa plného provozu
Kromě udržování stálosti musí tělo zvládat ještě jednu práci: údržbu sebe sama. Buňky se opotřebovávají a většina z nich se vyměňuje, zatímco tělo dál běží. Jako dálnice D1, která se opravuje za plného provozu, jen tělu to jde rychleji.
Čísla jsou úctyhodná. Tvé tělo vymění zhruba 330 miliard buněk denně, skoro čtyři miliony každou sekundu. Výstelka střeva, která to schytává nejvíc, se obnoví každých pár dní. Svrchní vrstvě kůže to trvá zhruba čtyři týdny, červeným krvinkám asi čtyři měsíce a kostře zhruba deset let: každý rok se přestaví asi desetina tvých kostí. Látky, ze kterých se skládáš, tebou protékají ještě rychleji. Voda, která tvoří asi 60 % tvé hmotnosti, se z poloviny vymění zhruba za deset dní.
Tady je zrnko pravdy v oblíbeném tvrzení, že každých sedm let máš úplně nové tělo. To tvrzení neplatí, a to zajímavým způsobem: některé buňky se nevymění nikdy. Neurony tvé mozkové kůry jsou stejně staré jako ty. Bílkoviny v jádru oční čočky vznikly dřív, než ti byly dva roky. A víc než polovina buněk srdečního svalu s tebou zůstane celý život. Víme to díky jaderným zkouškám z 50. a 60. let, které na čas zvýšily množství radioaktivního uhlíku ve vzduchu: uhlík zabudovaný do DNA buňky prozradí, kdy se buňka narodila.
Obnova je nejrychlejší tam, kde je největší opotřebení. Výstelka střeva čelí kyselině, enzymům a bakteriím, kůže tření. Odvrácenou stranu vidíme v medicíně. Chemoterapie, která útočí na dělící se buňky, zasáhne nejdřív rychle se obnovující tkáně. Proto může způsobit záněty v ústech, potíže se střevy, zhoršení krevního obrazu a vypadávání vlasů.
A tělo jen nereaguje. Také plánuje dopředu. Sliny se ti sbíhají už při vůni jídla, ještě před prvním soustem, a srdce zrychlí na startovní čáře dřív, než závod začne. Posunout se může i sama žádaná hodnota. Horečka není rozbitý termostat: mozek žádanou hodnotu záměrně zvýší a ty se třeseš, dokud ji nedoženeš. Homeostáza není pevně nastavený knoflík. Je to nepřetržité vyjednávání se světem.
V simulaci níže je každý čtvereček jedna buňka obarvená podle stáří. Sleduj, jak různě rychle se tkáně obnovují, a pak obnovu zastav a uvidíš, které selžou první.
Většina tvých buněk ještě neslavila první narozeniny. Pár jich je přesně stejně starých jako ty.
Na co se lidé opravdu ptají
Tyhle otázky se pořád dokola objevují na Redditu, Quoře, studijních Discordech i ve facebookových skupinách. Krátce a na rovinu.
Jaký je rozdíl mezi anatomií a fyziologií?
Anatomie popisuje, z jakých částí se tělo skládá a kde leží; fyziologie vysvětluje, jak fungují. Anatomie je kytara, fyziologie hudba.
Co je homeostáza, jednou větou?
Udržování podmínek uvnitř těla (teploty, soli, kyselosti, cukru, tlaku) v úzkém rozmezí, které buňky potřebují, a to neustálým měřením a opravováním každé odchylky.
Jaký je rozdíl mezi difuzí a osmózou?
Difuze je šíření jakékoli látky z místa, kde je jí hodně, tam, kde je jí málo, v jakémkoli prostředí: parfém v místnosti, cukr v čaji. Osmóza je zvláštní případ: voda prochází membránou směrem k roztoku s více rozpuštěnými částicemi. Obojí je pasivní a nestojí žádnou energii.
Proč je negativní zpětná vazba ta „dobrá“?
„Negativní“ tu znamená „působící proti“. Negativní zpětná vazba jde proti změně, a tím věci stabilizuje. Pozitivní zpětná vazba změnu zesiluje, takže ji tělo používá jen pro děje, které mají rychle doběhnout do jasného konce, jako je porod nebo srážení krve.
Proč je udržet se naživu tak energeticky náročné?
Protože všechno v tobě má sklon se vyrovnat: teplo uniká, ionty prosakují membránami, bílkoviny se opotřebovávají. Udržet rozdíly stojí práci. V klidu spotřebuje syntéza bílkovin zhruba čtvrtinu ATP, které tělo vyrobí, a sodno-draselná pumpa pětinu až čtvrtinu. Spolu s prací srdce, dýchacích svalů a dalších pump to dává bazální metabolismus: provozní náklady na život mimo rovnováhu.
Opravdu se každých sedm let vymění všechny buňky v těle?
Ne. Buňky se obnovují neustále, ale velmi různou rychlostí: výstelka střeva za pár dní, svrchní vrstva kůže zhruba za čtyři týdny, červené krvinky asi za čtyři měsíce, kost zhruba za deset let. Některé buňky se nevymění vůbec: neurony mozkové kůry, jádro oční čočky a víc než polovina buněk srdečního svalu. Úplně nové tělo tedy nemáš nikdy.
Kolik vody v sobě mám?
U typického dospělého muže asi 60 % tělesné hmotnosti, u žen a u lidí s větším podílem tuku o něco méně, protože tuk obsahuje málo vody. Zhruba dvě třetiny jsou uvnitř buněk a zbylá třetina mimo ně: právě to je vnitřní prostředí, o kterém je tahle kapitola. U muže vážícího 70 kg je to asi 42 litrů.
Proč je fyziologie tak těžká na učení?
Protože to není seznam faktů, ale síť regulačních smyček, které se navzájem ovlivňují, a někdy si dokonce konkurují. Když běžíš v horku, smyčka, která tě chladí, tě nutí potit se. Pocení ale zmenšuje objem krve a ten hlídá jiná smyčka, pro tělo důležitější. V určité chvíli tělo pocení omezí, a když běžíš dál, hrozí úpal.
Dobrá zpráva: pod tím vším se pořád vracejí stejné myšlenky. Zpětná vazba, spády, proudění, povrch a obnova.
Tohle je logika fyziologie v kostce. Udržovat vnitřní prostředí stálé (zpětná vazba). Vzdorovat sklonu všeho se vyrovnat (spády a pumpy). Dopravovat věci na dlouhé vzdálenosti hromadně (proudění). Skládat povrchy tak, aby měla každá buňka zásobování na dosah (povrch). A za plného provozu se neustále přestavovat (obnova). Srdce, plíce, ledviny: každá další kapitola bude těchto pět myšlenek v nové kombinaci. To všechno jen proto, aby si přes čtyřicet litrů teplé slané vody mohlo vyjít na procházku do sněhu. Na obyčejné úterý docela slušný výkon.
Konec první kapitoly
Vidíš chybu, nebo ti tu něco nesedí? Napiš mi →
Kup mi kafeZdroje a další čtení
- Boron W. F., Boulpaep E. L. Medical Physiology, 3. vyd. Elsevier, 2017. Homeostáza, ustálený stav versus rovnováha a prvky negativní zpětné vazby (kap. 1); tělesné tekutiny, ustálený stav pumpy a úniku, voda následující rozpuštěné látky (kap. 5); Poiseuilleův zákon (kap. 17); generace dýchacích cest, plocha sklípků, proudění a difuze v plicích (kap. 26); Cheyneovo-Stokesovo dýchání (box 32-2); perorální rehydratace (box 44-1).
- Bernard C. Leçons sur les phénomènes de la vie communs aux animaux et aux végétaux, 1878. Cannon W. B. The Wisdom of the Body, 1932 (homeostáza jako stav, který se může měnit, a přesto zůstává poměrně stálý).
- Rolfe D. F. S., Brown G. C. Cellular energy utilization and molecular origin of standard metabolic rate in mammals. Physiological Reviews 77, 1997. V klidu připadá na syntézu bílkovin asi 25–30 % a na Na⁺/K⁺-ATPázu 19–28 % spotřeby kyslíku spřažené s tvorbou ATP.
- Francis D. P. a kol. Quantitative general theory for periodic breathing in heart failure and its clinical implications. Circulation, 2000.
- Helander H. F., Fändriks L. Surface area of the digestive tract – revisited. Scandinavian Journal of Gastroenterology 49, 2014 (tenké střevo ≈ 30 m²).
- Sender R., Milo R. The distribution of cellular turnover in the human body. Nature Medicine 27, 2021 (≈ 330 miliard vyměněných buněk denně).
- Spalding K. L. a kol. Retrospective birth dating of cells in humans. Cell, 2005. Bhardwaj R. D. a kol. Neocortical neurogenesis in humans is restricted to development. PNAS, 2006. Bergmann O. a kol. Evidence for cardiomyocyte renewal in humans. Science 324, 2009 (během života se vymění méně než 50 % kardiomyocytů). Lynnerup N. a kol. Radiocarbon dating of the human eye lens crystallines reveal proteins without carbon turnover throughout life. PLoS ONE 3, 2008.
- Obnova pokožky ≈ 26–27 dní (Weinstein a Van Scott 1965; Rothberg a kol. 1961, podle BioNumbers); přestavba kostry ≈ 10 % ročně (Parfitt 1994; Manolagas, Endocrine Reviews 2000); biologický poločas tělesné vody ≈ 10 dní (Kanadská komise pro jadernou bezpečnost, informační list o tritiu); NOAA Ocean Service, „Can humans drink seawater?“.
- Doby difuze jsou řádové odhady podle vztahu t ≈ x²/2D, kde D pro kyslík ve vodě ≈ 2–3 × 10⁻⁵ cm²/s. Všechno je tu zjednodušeno pro laického čtenáře.