«Поглощение кислорода и выведение углекислого газа в легких происходят исключительно путем диффузии. Нет никаких достоверных свидетельств какого-либо регулирования этого процесса со стороны организма».
Август Крог
Август Крог – датский физиолог. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1920 года «за открытие механизма регуляции просвета капилляров».
Образование, степени, звания и профессиональный путь
Еще учась в школе, Август Крог заинтересовался естественными науками и проводил много времени за экспериментами. Большой вклад в это внес его учитель, зоолог Уильям Сёренсен. Однако когда Крогу исполнилось 14 лет, он бросил школу и поступил на службу на датский военно-морской корабль, охраняющий рыбные промыслы Исландии. После года службы он вернулся на сушу и закончил обучение в кафедральной школе в Орхусе.
1893 год. Август Крог поступил в Копенгагенский университет на медицинский факультет, но вскоре решил посвятить себя зоологии.
1897 год. Крог начал работать в Лаборатории медицинской физиологии под руководством профессора Харадльда Бора (отца и деда Нобелевских лауреатов Нильса Бора и Оге Бора), а сдав экзамен по зоологии и получив степень магистра наук, стал его ассистентом.
1902 год. Август Крог отправился в экспедицию в Гренландию, где научился измерять парциальное давление кислорода и углекислого газа в морской воде.
1903 год. Крог получил докторскую степень, защитив диссертацию по клеточному и кожному дыханию лягушки.
1905 год. Август Крог женился на Марте Йоргенсен, на всю жизнь ставшей не только его женой, но и коллегой – большинство последующих работ Крог сделал с ней вместе.
1908 год. Специально для Крога была создана должность доцента по зоофизиологии в Копенгагенском университете, а восемь лет спустя в 1916 году была организована кафедра зоофизиологии, которую профессор Крог возглавлял до 1945 года, когда вышел на пенсию.
Августу Крогу были присвоены почетные докторские степени университетами Эдинбурга, Будапешта, Лунда, Гарварда, Геттингена, Осло и Оксфорда. Он был избран членом Академии наук Дании (1916) и стал иностранным членом многих других академий и научных обществ, среди которых Королевское общество Лондона (1937). В том же году он был награжден медалью Бали Королевского колледжа врачей Лондона.
Основные научные достижения
Свое первое исследование – изучение личинок Corethra (некровососущих комаров) – Крог провел, еще будучи студентом университета. Для этого он изобрел микротонометр, который позволял измерять парциальное давление газа, растворенного в жидкости, и доказал, что воздушные пузыри личинок функционируют как водолазные баллоны подводной лодки, их содержимое регулируется до тех пор, пока не будет восстановлено равновесие с окружающей водой.
В экспедиции в Северной Гренландии (1902 г.) Август Крог изучал напряжение CO2 и содержание кислорода в воде источников, ручьев и моря. Это привело к важным результатам о роли океана в регуляции CO2 атмосферы, а также изложил принципы тонометрического измерения растворенных газов, которые он позже применил в физиологии (1904).
Будучи ассистентом Бора, Крог заинтересовался проблемами, связанными с газообменом живого организма. В 1906 г. он получил премию Австрийской академии наук за работу об истечении свободного азота из организма. Очень осторожные эксперименты с куколками, яйцами и мышами показали крайне незначительное образование газообразного азота, которое можно было бы объяснить выделением аммиака или, в случае яиц, высвобождением физически растворенного азота из организма.
В своей диссертации (1903 г.) Крог доказал, что кожное дыхание у лягушки относительно постоянно, а легочное изменяется и регулируется вегетативной нервной системой. Надо сказать, что к тому времени теория дыхания существовала лишь в зачаточном состоянии, и в начале XIX века боролись две парадигмы. Сторонники первой парадигмы (ее придерживался и учитель Крога – Бор) полагали, что мембрана между альвеолами и капиллярами активно выделяет кислород и углекислый газ в ту или иную сторону (то есть считали, что легкие – это железа, выделяющая кислород и CO2). Приверженцы второй утверждали, что в процессе газообмена никакой физиологии нет – только физика, а преодоление газами мембраны – обычная диффузия.
В сотрудничестве со своей женой, доктором Мари Крог, он подверг вопрос о природе газообмена в легких новому исследованию. С помощью микротонометра Крог показал, что напряжение кислорода всегда было выше в альвеолярном воздухе, чем в артериальной крови, поэтому одной диффузии было достаточно для объяснения газообмена (1910). Эти фундаментальные эксперименты противоречили взглядам Бора, но позднее они были подтверждены и расширены Дж. Баркрофтом в Кембридже и другими и в настоящее время являются общепринятыми.
В сотрудничестве с Бором и Х. Хассельбальхом Крог продемонстрировал влияние напряжения CO2 на кривую диссоциации оксигемоглобина крови. Это исследование, имеющее фундаментальное значение для современной концепции химических соединений дыхательных газов в крови, стало возможным благодаря методике, разработанной Крогом. Она была расширена открытием Дж. Кристиансена, К.Г. Дугласа и Дж.С. Холдейна о том, что напряжение кислорода также влияет на кривую концентрации CO2 крови (1914).
Вместе с Дж. Линдхардом Крог принял идею, выдвинутую А. Борнштейном, и разработал метод определения общего кровотока с помощью закиси азота, который имел большое значение для дальнейшего развития в этой области. Значительное увеличение этого показателя происходило во время мышечной работы. Это было приписано изменениям в наполнении сердца во время диастолы. Следовательно, снабжение венозной кровью должно быть изменчивым в широких пределах и во время покоя почти всегда должно быть недостаточным для заполнения желудочков. Этот вывод был подкреплен Крогом в анализе основного механизма (1912), который также привел к выводу, что портальная система действует как общий регулятор давления в центральных венах и, следовательно, на выброс сердца. Другим важным результатом определения кровотока была демонстрация повышенного использования кислорода крови во время мышечной работы. Поскольку давление кислорода в покое было, как обнаружили некоторые авторы, довольно низким, более высокое использование должно быть объяснено увеличением поверхности диффузии. Крог пришел к такому выводу после того, как провел эксперименты по диффузионной способности тканей животных, и эти соображения привели его к знаменитому исследованию капилляров во время отдыха и работы. Крог пришел к выводу, что во время мышечной работы открываются новые капилляры, которые были закрыты, тем самым увеличивая поверхность, с которой может диффундировать кислород. За эти открытия Крог получил в 1920 году Нобелевскую премию. Свои выводы ученый расширил и описал в книге «Анатомия и физиология капилляров» (1922) и некоторых более поздних публикациях.
Всесторонние исследования тяжелой мышечной работы были выполнены под эгидой Лиги Наций Крогом и школой Крога (1934), когда был рассмотрен ряд важных проблем, таких как теплорегуляция, дыхательный метаболизм, влияние диеты на работоспособность, уровень сахара в крови, молочная кислота, тренировки и утомление, функция почек.
У насекомых, а также у позвоночных в стандартных условиях Крог продемонстрировал регулярное и постоянное влияние окружающей температуры на метаболизм, которое можно было выразить уравнением Аррениуса. Он также исследовал влияние определенных факторов на развитие у разных животных. Свой богатый исследовательский опыт в отношении метаболизма Крог обобщил в монографии «Дыхательный обмен у животных и человека» (1916). Позднее (1920) с несколькими сотрудниками он внес еще один важный вклад в науку, установив, что при катаболизме жира для мышечной работы происходит потеря 11% тепла в момент превращения жиров в углеводы.
Работа по газообмену во время дыхания не ограничивалась позвоночными. Крог также занялся вопросом режима функционирования трахейной системы насекомых. Анализы воздуха из трахейных трубок обыкновенного кузнечика показали сравнительно низкие значения кислорода, в то время как выход CO2 был относительно небольшим – вероятно, в значительной степени он выделяется непосредственно через поверхность тела, тогда как кислород поглощается только через стенки трахей. В ходе своих последних неопубликованных исследований саранчи Крог обнаружил, что во время полета, когда происходит чрезвычайно повышенное поглощение кислорода мышцами крыльев, особое устройство позволяет осуществлять механическую вентиляцию их трахей. В своей книге «Сравнительная физиология дыхательных механизмов» (1940) Крог дал увлекательное и наглядное описание множества различных способов удовлетворения потребности в кислороде в животном мире.
В течение нескольких лет Крог и его школа изучали обмен воды и неорганических ионов через поверхность живых клеток и мембран, отчасти с помощью изотопов в качестве индикаторов. Многочисленные факты, наблюдаемые во время этой работы, были рассмотрены Крогом в его монографии Osmotic Regulations in Aquatic Animals (1937) и Croonian lecture (1946).
Следует также упомянуть многочисленные изобретения Крога. Его записывающий спирометр используется во многих больницах, его велоэргометр является ценным рабочим устройством, его прецизионные пипетки, дыхательные аппараты, усовершенствованные методы газового анализа и многие другие изобретения свидетельствуют о его конструкторском мастерстве ученого.
