Жизнь океанских глубин

Сипункулиды, использующие для дыхания всю поверхность тела, легко обходятся одним пигментом. У раков, обитающих в воде с температурой 25 градусов, а потому плохо растворяющей газы, сродство гемоцианинов к кислороду выше, чем у тех же раков, акклиматизированных к воде с температурой 10 градусов.

Гемоцианины и гемоглобины беспозвоночных просто растворены в крови, поэтому они, как и хлорокруорины, имеют крупные размеры и молекулярный вес, доходящий до 3,5–4 и даже 13 миллионов. Это, как уже было сказано, необходимо для того, чтобы предохранить их от использования в качестве металлолома. Более надежный способ сохранить «кислородные баллоны» — транспортировать их в специальных контейнерах — эритроцитах, красных клетках крови. Обычно контейнеры плотно забиты кислородными баллонами. У человека в каждом эритроците помещается 400 миллионов небольших баллонов — молекул гемоглобина. Молекулярный вес гемоцианинов всего 50 тысяч, гемоглобина человека — 64 500, ну а гемоглобины миног и некоторых двухстворчатых моллюсков вообще крохотули с молекулярным весом 15–19 тысяч.

Эритроциты имеют круглую форму. Их максимальный размер достигает 35–58 микрон. Хотя в подобные контейнеры помещается много «кислородных баллонов», они неудобны. Трудно заряжать находящиеся внутри баллоны, так как их заполнение происходит путем простой диффузии, и трудно транспортировать по узким капиллярам. У млекопитающих эритроциты значительно мельче, в пределах 5–10 микрон. Чтобы облегчить зарядку кислородных баллонов, они из шарообразных клеток превратились в плоские с двусторонним центральным вдавлением. В таком контейнере каждая молекула гемоглобина лежит недалеко от стенки. Эритроциты у рыб немного крупнее, чем у млекопитающих, и имеют эллиптическую форму.

Обмен между кровью и тканями происходит в капиллярной части кровеносной системы и также за счет диффузии. У человека общая суммарная протяженность капилляров достигает 100 000 километров. Сопоставимые величины имеет капиллярная сеть животных. На 1 квадратный миллиметр поперечного среза мышцы млекопитающих приходится от 100 до 4000 капилляров. Клетки тела не должны быть удалены от капилляра больше чем на 1 миллиметр. Обычно расстояние значительно меньше. Эритроциты могут составлять больше 40 процентов крови, но ее ток по капиллярам настолько нетороплив, что все контейнеры успевают разгрузиться именно там, где есть потребность в кислороде.

Эритроциты недолговечны. У человека они живут 100–120 дней, поэтому приходится все время заботиться об их пополнении. У кислородных баллонов срок службы тоже ограничен. Они выдерживают относительное небольшое число перезарядок, поэтому интенсивный синтез гемоглобина не прекращается ни на сутки. Несмотря на сложность устройства кислородных баллонов, на их изготовление уходит всего 90 секунд.

Создание эритроцитов и гемоглобина — материалоемкий процесс, требующий значительных затрат энергии. Неудивительно, что рыбы-белокровки отказались от дорогостоящей тары и наладили доставку кислорода непосредственно плазмою крови. Живут эти рыбы у берегов Антарктиды в холодной воде с температурой около –1 или даже –1,5 градуса. Известно около 15 видов белокровок. Это крупные рыбешки длиной до 60–70 сантиметров с голым и полупрозрачным телом.

Жабры в их дыхании не играют серьезного значения. Кислород поступает в кровь главным образом через сосуды кожи, в том числе больших грудных плавников. Отсутствие гемоглобина компенсируется рекордно большим объемом крови, крупным и сильным сердцем, способным прогонять сквозь сосудистую сеть значительные количества жидкости. Благодаря низкой температуре тела рыб в 100 миллилитрах их крови может быть растворено 0,8–1,0 миллилитра кислорода, значительно больше, чем требуется белокровкам. В холодной воде эти рыбы имеют очень низкий уровень обмена.

Поскольку отыскался удобный и надежный способ хранения кислорода во время транспортировки по трубопроводам кровеносной системы, невольно возникает вопрос: а нельзя ли организовать склады газа прямо на местах, где он особенно интенсивно используется? Оказывается, можно! Во многих тканях тела высших животных, в первую очередь в мышцах, есть кладовки для кислорода. В качестве газовых баллонов здесь используются молекулы железосодержащего белка — миоглобина. Он во многом сходен с гемоглобином, только состоит из одной цепи, ее молекулярный вес 17 450, построенной из 153 аминокислотных остатков и соответственно оснащенной всего одним гемом. В окисленном виде гемоглобин имеет красный цвет. Его присутствие в мышцах и делает их красными. Белые мышцы, а есть в организме позвоночных и такие, потому и белые, что в них очень мало миоглобина.

Мышечные склады не только позволяют создавать оперативные запасы кислорода, но и облегчают его использование работающей мускулатурой. Дело в том, что миоглобин обладает значительно большим сродством к кислороду, чем гемоглобин, и в пять раз быстрее присоединяет к себе кислород. Для 50-процентного насыщения гемоглобина кислородом нужно лишь 0,038 секунды, но такой же уровень насыщения миоглобина наступает в 100 раз быстрее, всего за 0,0004 секунды.

Особенно много миоглобина содержится в мышцах морских млекопитающих. У дельфинов дыхательный белок составляет 3,5, а у тюленей даже 7,7 процента веса мышц. Это значительно больше, чем в мускулатуре человека. Кислород, хранящийся в мышцах тюленя, может обеспечить их работу в течение 5, а у человека его хватит на 4 минуты. Однако не мышечные склады кислорода позволяют осуществлять длительные погружения. Морские млекопитающие, опускаясь в глубины океана, умеют организовать снабжение своего мозга кислородом, который собственных запасов не имеет. Мозг без кислорода работать не может, но мускулатуру, хотя и ненадолго, к этому можно принудить.

Животные пользуются двумя способами извлечения энергии из пищи: ее полным сжиганием в присутствии кислорода и брожением, когда окисление горючего происходит путем отщепления от него водорода. Второй путь используется реже, так как расщепление пищевых веществ идет в этом случае не до конца, а только до молочной кислоты, то есть не позволяет извлечь из «горючего» всей заключенной в нем энергии. Кроме того, молочная кислота вредна для клеток организма и может вызвать отравление.

Морские млекопитающие комбинируют оба способа извлечения энергии. Пока они плавают у поверхности океана и не испытывают недостатка в кислороде, идет обычное окисление энергетических материалов, но уйдя в глубины, животные прибегают к брожению. Отравления не наступает, так как при мускульном напряжении пережимаются сосуды и молочная кислота оказывается локализованной в мышце, то есть в наименее чувствительном к ее воздействию органе. У нырнувшего животного происходит перераспределение кровотока, благодаря чему кровью снабжается главным образом мозг, глаза и другие органы головы, а также сердце, и весь кислород используется только на работу этих важнейших органов.

Одновременно с подъемом к поверхности в организме восстанавливается нормальное кровообращение, а в крови резко возрастает количество молочной кислоты, вымываемой из мышц. При достаточном количестве кислорода кислота может быть доокислена, что дает двойной эффект: обезвреживается ядовитое вещество и извлекаются дополнительные порции энергии. Таким образом, временный переход на бескислородный способ обмена позволяет млекопитающим наносить продолжительные визиты в вотчину Посейдона.

В отличие от человека морские млекопитающие кессонной болезнью не страдают. Профессиональная болезнь водолазов возникает у людей при подъеме к поверхности воды после длительного пребывания на глубинах свыше 20 метров. Ее вызывает выделение пузырьков азота. Они растягивают ткани тела, особенно суставных сумок, вызывая сильную боль, а попадая в мелкие сосуды, закупоривают их, прекращая движение крови. Закупорка сосудов мозга приводит к гибели нервных клеток и серьезному нарушению функций нервной системы или гибели пострадавшего.

За время пребывания под водой в тканях тела водолаза успевает раствориться много азота. Ведь газы оказываются здесь под большим давлением. В жире и жироподобных веществах, которых в общей сложности в организме около 10 килограммов, азот растворяется в пять раз лучше. Таким образом, один жир способен накопить столько же азота, сколько все остальные ткани тела вместе взятые.