Ситуация радикально меняется, когда речь заходит не об отдельных клетках и даже не о небольшом конгломерате клеток, плавающих в этих кубических милях, а о миллиардах и миллиардах клеток, зависящих от очень ограниченного количества внутренней жидкости. Если наша кровь переносит кислород только посредством растворения этого газа в воде, которая в ней содержится, она никогда не сможет перенести больше чем приблизительно 30 миллиграммов кислорода. Это чуть более четырехсекундного запаса минимальной потребности нашего организма, а на столь незначительной границе безопасности ни один сложный организм существовать не может. Некоторые небольшие насекомые живут только за счет кислорода, растворенного в их собственной воде, но мы на такое не способны. Один лишь тот факт, что мы можем задержать дыхание на минуту или две без каких-либо пагубных последствий, — достаточное доказательство тому, что наша кровь переносит кислород с помощью какого-то более эффективного способа, чем просто растворение.
Чтобы разрешить эту проблему, мы и все другие порядочного размера многоклеточные организмы используют соединения более или менее сложные, способные образовывать свободные связи с молекулами кислорода. В жабрах или легких эти соединения вступают во взаимодействие с кислородом, за счет этого в определенном объеме крови может удерживаться гораздо больше кислорода, чем при простом растворении. В тканях слабые связи этих соединений с кислородом разрушаются, и кислород проникает в клетки. Эти кислороднесущие соединения обычно окрашены, хотя цвет не имеет непосредственной связи с проблемой транспортировки кислорода, поэтому обычно о них говорят как о дыхательных пигментах. Эти пигменты по своей природе белки, а следовательно, состоят из больших и сложных молекул, составленных из тысяч, а иногда и сотен тысяч атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Кроме того, в каждой молекуле почти неизменно содержится один или более атом какого-нибудь металла. По большей мере металлом обычно бывает железо, но многие ракообразные и моллюски пользуются дыхательным пигментом, содержащим медь. Этим медьсодержащим соединением является гемоцианин (что по-гречески «синяя кровь»), а поскольку это соединение синего цвета, животные, использующие его, действительно имеют синюю кровь. Самые примитивные хордовые оболочечники имеют дыхательный пигмент, содержащий ванадий, а у некоторых моллюсков дыхательный пигмент содержит марганец, но это исключения.
Дыхательный пигмент человека и всех позвоночных животных содержит железо и называется гемоглобин (почему — я объясню потом). Повсюду в животном мире существует множество других железосодержащих дыхательных пигментов, но ни один не столь эффективен, как гемоглобин. Тем не менее наличие такого соединения присуще не только позвоночным. Даже земляной червь в этом отношении доводится нам родственником, поскольку и у него имеется гемоглобин.
Молекула гемоглобина содержит приблизительно 10 000 атомов и имеет молекулярный вес 67 000 (то есть ее молекулярный вес в 67 000 раз больше, чем у одного атома водорода, легчайшего из всех атомов). Большая часть молекулы гемоглобина состоит из аминокислот, относительно небольших соединений, присутствующих в структуре всех белков. Однако каждая молекула также содержит четыре группы атомов, которые по природе своей совсем не аминокислоты. Эти группы содержат атомы, выстроенные в большой круг, составленный из четырех меньших кругов (очень стабильная структура, особенно в данном случае), а в самом центре находится атом железа.
Содержащую железо часть можно выделить из молекулы гемоглобина. Она называется гем, поэтому можно сказать, что в каждой молекуле гемоглобина имеется четыре гемовые группы.
Так, у некоторых нехордовых животных дыхательный пигмент растворен в плазме. То же самое и в случае гемоцианина и некоторых других железосодержащих пигментов. Однако те живые существа, у которых имеется гемоглобин, всегда сохраняют пигмент в маленьких контейнерах. Это, конечно, относится и к нам самим, и эти гемоглобиновые контейнеры по большей мере являются самыми многочисленными из тех форменных элементов, о которых я говорил раньше.
Гемоглобин в одной из форм представляет собой ярко-красное соединение и придает этот цвет своему контейнеру — эритроциту (что по-гречески означает «красная клетка»). Именно этот форменный элемент часто в обиходе называют красные кровяные тельца или просто красные клетки. Разумеется, отдельный эритроцит вовсе не красный, а скорее желтоватый. Однако при скоплении эритроцитов цвет действительно сгущается до красного, придавая крови знакомый всем нам цвет.