Жизнь океанских глубин

Можно высчитать размер организма, при котором он может существовать в природных водоемах, не имея специальных органов для извлечения кислорода. Обычно животные потребляют на 1 грамм веса тела 0,001 миллилитра кислорода в минуту, поэтому при шарообразной форме тела его диаметр не должен быть больше 2 миллиметров, а у существ с иной конфигурацией максимальное удаление от поверхности глубоких частей не должно превышать 1 миллиметра. Тогда они смогут жить в воде, где парциальное давление кислорода составляет 0,15 атмосферы.

С повышением температуры воды диффузия газов ускоряется, однако одновременно уменьшается их растворимость и резко вырастает потребление кислорода живыми организмами. Поэтому конечный эффект повышения температуры имеет неблагоприятные последствия. Неудивительно, что в тропиках, где температура воды у поверхности никогда не опускается ниже 20 градусов, часто встречаются бедные жизнью районы.

Диффузия полностью обеспечивает потребности в кислороде одноклеточных животных, губок, кишечнополостных, многих видов коловраток, плоских и круглых червей, некоторых мшанок и кольчатых червей. Кое-кто из них, например, медузы и губки, имеет весьма внушительные размеры, но умудряется довольствоваться теми крохами кислорода, которые поставляет простая диффузия. В студенистом теле медузы содержится менее одного процента органических веществ. Поэтому потребности в кислороде мизерны, в пути он расходуется экономно и добирается до самых глубинных районов тела медузы. Еще проще обстоит дело у губок. Их тело пронизано многочисленными каналами и порами, через которые прогоняется вода, доставляющая кислород и частички органического вещества. Остальные многоклеточные животные транспортируют кислород с помощью межтканевых жидкостей или с кровью.

Для извлечения кислорода животные пользуются двумя типами органов. В царстве Посейдона в моде жабры, то есть выросты тела различной формы и строения. Жабры могут торчать снаружи. Чаще всего так обстоит дело у ракообразных. Благодаря оболочке, в состав которой входит весьма прочное вещество хитин, они отчасти застрахованы от повреждений. Хитин не препятствует проникновению в организм кислорода. В нем диффузия газов протекает легче, чем в большинстве других тканей организма.

Жабры высших ракообразных и рыб расположены в специальных жаберных полостях. Это мера предосторожности. У двухстворчатых моллюсков и других существ, имеющих раковину, они спрятаны во внутренних помещениях дома, что гарантирует сохранность жабр, зато требует создания специального механизма, обеспечивающего оперативную смену воды в жаберных полостях. Животные, не имеющие насосных систем, должны двигать жабрами, даже когда они торчат наружу. Если извлекать кислород из совершенно неподвижной воды, то в ближайших ее слоях он вскоре будет полностью исчерпан.

Движения жабр характерны главным образом для мелких организмов. Для крупных такой способ не годится, так как требует, чтобы жабры обладали достаточной прочностью и могли преодолевать сопротивление воды. В противном случае они будут гнуться и скручиваться, а усиливать их механическую прочность нецелесообразно. Большие и тяжелые жабры оказались бы энергетически невыгодными. Двигать жабрами умеют жаброногие ракообразные. У них на ножках сидит по нескольку лопастей. Одни обеспечивают перемещение животного, другие — дыхание, остальные гонят воду, из которой извлекается пища и кислород.

Гораздо проще организовать движение воды над жаберными поверхностями, находящимися в специальных полостях. Для этого годятся даже реснички. Их используют двустворчатые моллюски. У рыб и крабов работают настоящие насосы. Их единственное предназначение — обслуживать дыхание. Головоногие моллюски приспособили для этой цели водометный двигатель. Когда вода засасывается в мантийную полость, из нее активно отбирается кислород, а выброс воды обеспечивает передвижение животного.

У рыб фактически два насоса: ротовая и жаберная полости, снабженные соответствующими клапанами. Жаберная полость — это пространство между жабрами и жаберными крышками. Благодаря совместному действию двух насосов ток воды через жабры происходит почти непрерывно: первый насос повышает давление, проталкивая воду в жаберную полость, а второй снижает его, засасывая воду туда же.

Энергетически выгоднее медленно перемещать воду над большой дыхательной поверхностью, чем быстро над малой. Относительная площадь жабр (величина их площади, соотнесенная с весом тела животного) гораздо больше у активных рыб, таких, как тунец и макрель, чем у медлительных, вроде иглобрюха и рыбы-жабы. Среди костистых рыб, пользующихся насосами, наибольшее количество воды сквозь жабры пропускают белокровные антарктические рыбы.

Самые активные рыбы обходятся вовсе без насосов. У них «таранная» вентиляция. Тунцы носятся в подводном царстве с открытым ртом, благодаря чему попадающая в ротовую полость вода сама проталкивается сквозь жабры. Мелкие рыбы, имеющие насосы, прибегают к таранной вентиляции, если скорость их движения становится выше 0,5–1 метра в секунду. При таранной вентиляции количество воды, проходящей сквозь жабры, регулируется степенью открытия рта.

Высшие ракообразные держат свои жабры в закрытых помещениях. У американского голубого краба, постоянного обитателя воды, ведущего к тому же активный образ жизни, их размеры гораздо больше, чем у манящего краба, во время отлива предпочитающего разгуливать по пляжу и пользующегося для дыхания воздухом, где кислорода значительно больше, чем в море. Еще меньше поверхность жабр у крабов-привидений, полностью переселившихся на сушу. У них в жаберную полость выступают обнаженные сосудистые пучки, сильно упрощающие процесс поступления кислорода в кровь.

В океане существуют рыбы, не способные вентилировать собственные жаберные полости и вынужденные обращаться за помощью к другим существам. Прилипалы-реморы странствуют по океану, устроившись в жаберных полостях акул и скатов, используя своих хозяев как транспортное средство и как насос, поставляющий им свежую воду. Долго обходиться своими силами реморы не могут. Лишенные помощи хозяев, они тяжело дышат, совершая до 250 дыхательных движений в минуту, и могут довести себя до полного истощения.

Полному насыщению крови кислородом способствует система противотока жабр. Суть ее заключается в том, что если вода, орошающая жабры, течет в промежутках между жаберными лепестками, слева направо, то кровь движется по сосудам, расположенным внутри лепестков, навстречу воде, то есть справа налево. Поэтому свежие порции воды, подходящие к дыхательным поверхностям, сталкиваются с кровью, заканчивающей свой путь по жабрам и уже достаточно обогащенной кислородом. Только совершенно свежая вода способна добавить в такую кровь еще немножко кислорода. А когда, пройдя сквозь жабры и по дороге отдав почти весь кислород, она встретится там с венозной кровью, в нее легко диффундируют его последние остатки. Это позволяет рыбам извлекать из воды 80–90 процентов содержащегося в ней кислорода. Ракообразные высокими показателями похвастаться не могут. Европейские береговые крабы поглощают всего 23 процента кислорода из протекающей через жабры воды.

Жабры, если о них не заботиться, могут замусориться. Чтобы этого не произошло, высшие раки регулярно на короткий срок меняют в жаберных полостях направление движения воды. Одни делают это раз в минуту, другие каждые 10 минут или еще реже. Со стороны может показаться, что краб закашлялся. «Циклы очистки» зоологи так и называют кашлем. При подобных процедурах твердые частицы, подхваченные сильным обратным током воды, выбрасываются из жаберных полостей. Рыбы в аналогичной ситуации, не открывая рта, расширяют ротовую полость, резко снижая в ней давление. При этом изменяется направление движения воды, и грязь с жаберных лепестков удаляется. Двухстворчатые моллюски резко захлопывают створки раковин, очищая от мусора мантийную полость, где находятся жабры.