Тренировочные задачи. 95. Киты и тюлени плавают в воде, температура которой может быть близка к точке замерзания

95. Киты и тюлени плавают в воде, температура которой может быть близка к точке замерзания. Выше уже говорилась, что эти животные защищены от переохлаждения толстым слоем подкожного жира. Но плавники китов и ласты тюленей для выполнения своей функции должны быть тонкими и иметь обтекаемую форму. Поэтому подкожного жира в них нет. Каким же путем пошла адаптация, чтобы защитить плавники и ласты от переохлаждения и отдачи большого количества тепла? Без подсказки здесь обойтись трудно, поэтому учтите, что эти органы обильно снабжены кровеносными сосудами.

Решение. Подкожный жир обеспечивает пассивную защиту от охлаждения за счет мощной теплоизоляции. Для плавников и ластов пришлось использовать активный процесс при помощи механизма противоточного теплообмена. Венозные сосуды плавников проходят очень близко от артерий, практически окружая их. Теплая кровь, которая течет по артериям, нагревает холодную кровь, приходящую по венам, и при этом сама охлаждается. В результате в плавники поступает кровь, успевшая отдать значительную часть тепла венозной крови. А последняя в свою очередь нагревается, прежде чем поступить в тело кита. Таким образом в плавники притекает относительно холодная кровь, а в тело – относительно теплая. Противоточный теплообмен встречается и у других животных, живущих в полярных условиях, например, у пингвинов.

96. Если Вы поняли принцип противоточного теплообмена, то попробуйте решить следующую задачу с аналогичной, но противоположной ситуацией.

Выше уже говорилось, что некоторые животные приспособились к условиям пустыни путем повышения температуры тела до 46-47° С Это способствует увеличению отдачи тепла конвекцией и радиацией и позволяет экономить воду, которая должна была бы расходоваться при теплоотдаче исключительно за счет испарения. Но мы знаем, что нейроны головного мозга весьма чувствительны к высокой температуре. Как же защитить мозг антилоп и газелей от чрезмерного перегревания?

Решение. Народную мудрость «держи ноги в тепле, а голову в холоде» природа в данном случае использовала вполне эффективно. Так, например, у антилопы бейза температура мозга повышается на три градуса меньше, чем в остальных частях тела. Оказалось, что и здесь адаптация пошла по пути использования механизма противоточного теплообмена. Наружные сонные артерии у бейзы проходят через кавернозный синус, где они распадаются на сотни мелких артерий. В свою очередь кавернозный синус наполняется охлажденной венозной кровью, оттекающей из сосудов носовой полости где благодаря испарению жидкости с влажных слизистых и происходит значительное понижение температуры. В результате артериальная кровь, пройдя через кавернозный синус, заметно охлаждается, прежде чем поступить в мозг.

97. В секреции молока у кормящей самки кенгуру наблюдается удивительная особенность. Две соседние молочные железы одновременно секретируют молоко совершенно различное по составу. У животных других видов ничего подобного не наблюдается. Попробуйте объяснить все это.

Решение. Сколь необычной ни казалась бы та или иная реакция, все равно и эта особенность должна иметь адаптивное, приспособительное значение. К чему же в таком случае приспосабливается организм самки кенгуру? Молоко необходимо для кормления детенышей. Даже если Вы не знаете особенностей молодого поколения кенгуру по сравнению с потомством других млекопитающих то нетрудно,об этом догадаться. Если молоко разное, значит, и детеныши разные. Действительно, кенгурята рождаются крошечными и совсем незрелыми. Сил хватает только на то, чтобы доползти до сумки, забраться в нее, найти сосок и надолго повиснуть на нем. Детеныш «дозревает» в сумке так долго, что за это время рядом с ним успевает появиться следующий новорожденный. Естественно, возраст «старого» и «молодого» детенышей существенно различается. Соответственно и потребности в питании у них различны.. На это и реагирует организм матери, направляя к разным соскам разное по составу молоко.

98. Красные мышцы у животных являются тоническими и соответственно используются организмом для длительного мышечного напряжения – тонуса, например, при поддержании позы. Можно ли ожидать каких-то особенностей кровоснабжения этих мышц?

Решение. При поддержании позы мышцы сокращаются длительно. Это требует усиленного кровоснабжения. Не случайно поэтому в таких мышцах мы находим целый ряд адаптивных особенностей – обильное развитие мелких артерий, а в капиллярах наличие особых вздутий, которые являются резервуарами крови, используемой при длительном тоническом сокращении.

99. При высокой температуре среды у животных, не имеющих потовых желез, возникает терморегуляторное полипноэ – учащенное дыхание (200-600 раз в минуту). При этом усиленно испаряется слюна с языка и поверхности полости рта, что способствует отдаче тепла. Этот адаптивный механизм имеет однако недостаток. Интенсивная работа дыхательных мышц приводит к усиленному теплообразованию в них, что будет дополнительно нагревать тело. О том как остроумно природа преодолела это затруднение у собак, будет сказано в следующей главе. А пока подумайте, как удалось решить задачу коровам, овцам, козам. У них частота полипноэ не очень интенсивная, на зато оно мажет продолжаться в течение всей жаркой части дня. И все это время в дыхательных мышцах будет образовываться избыточное количество тепла. Как быть?

Решение. Если Вы догадались еще раз заглянуть в задачу 96, то по аналогии сможете найти, если не точное решение, то хотя бы его идею. У антилопы адаптивные механизмы охлаждают кровь, прежде чем она поступит в мозг. В рассматриваемом случае нужно обеспечить отдачу во внешнюю среду тепла, образовавшегося в дыхательных мышцах до того как нагретая этим теплом кровь сможет передать его внутрь тела. У перечисленных животных кровь, протекающая по межреберным артериям, сначала поступает в особые венозные сплетения в коже, отдает через них избыток тепла и только после этого направляется в систему полых вен.

Для решения сходных задач природа использует сходные механизмы. Важно понять общий принцип и тогда о многом можно догадаться.

100. У травоядных животных при прохождении пищи по пищеварительному тракту химус особенно долго задерживается в слепой кишке. С чем это связано?

Решение. Ясно, что такая задержка имеет приспособительное, адаптивное значение. Следовательно, в слепой кишке травоядных происходит какой-то процесс, который, во-первых, связан с дальнейшей обработкой пищи, а во вторых, протекает медленно. Остается выяснить – какой же это процесс. Можно догадаться, а можно и заглянуть в книгу. Ничего страшного в этом нет. Главное в другом – Вы знаете, на какой вопрос нужно ответить. А вот и ответ – интенсивное разложение бактериями основного компонента пищи травоядных – клетчатки.

101. Можно ли ожидать, что объем саркоплазматичесного ретикулума в синхронных и асинхронных мышцах окажется различным?

Решение. Эта задача является хорошим примером для тренировки умения отвечать на разных уровнях. Начинать, как Вы уже знаете, нужно с макроуровня. В чем состоят различия синхронных и асинхронных мышц? В частности, в том, что для управления работой синхронных мышц требуется большее количество нервных импульсов, чем для асинхронных Мышц. Теперь перейдем на микроуровень. Каждый нервный импульс, приходящий в мышечное волокно, приводит к освобождению ионов кальция из саркоплазматического ретикулума. Исходя из этого, становится очевидным, что в синхронных мышцах объем саркоплазматического ретикулума должен быть больше, так как при сокращении им требуется больше ионов кальция.

Вы можете подумать о том, что далеко не каждому придет в голову искать различия между синхронными и асинхронными мышцами именно в частоте приходящих в них нервных импульсов. Это совершенно справедливое замечание. Но вспомните об одном из важнейших правил, которые рассматривались еще в первой главе – правило 1.2 – необходимость находить связи между изучаемыми явлениями. В данной задаче говорится о саркоплазматическом ретикулуме. В нем содержатся ионы кальция, которые играют ведущую роль в механизме мышечного сокращения. А ионы кальция выходят из саркоплазматического ретикулума под влиянием нервного импульса (ПД). Тогда понятно, с чего нужно начинать рассуждения.

102. В процессе адаптации животных к холоду в клеточных мембранах происходит перераспределение содержания насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. В какую сторону происходит сдвиг?

Решение. Начнем прежде всего искать такие различия между жирными кислотами, которые имеют непосредственное отношение к температуре. Это – различная точка плавления. Более высокая она у насыщенных жирных кислот. Поэтому, если входе адаптации увеличится содержание именно этих кислот и они будут преобладать в составе мембран, то при действии холода может произойти «затвердение» жирнокислотных цепей. Это в свою очередь приведет к увеличению жесткости мембран, что нежелательно. Следовательно, не случайно при адаптации к холоду в мембранах происходит сдвиг в сторону преобладания именно ненасыщенных жирных кислот, которые и при понижении температуры сохраняют жидкое состояние.

103. Некоторые антарктические рыбы живут в воде, температура которой может быть ниже нуля (вода не замерзает из-за высокой солености). А почему не замерзают жидкости внутри тела рыбы?

Решение. Адаптивные реакции в данном случае не могут идти по линии увеличения количества солей во внутренней среде организма. (Подумайте, почему).

Природа нашла другой, весьма остроумный механизм – у этих рыб синтезируется специальный белок – антифриз, понижающий температуру замерзания.

104. Из всех птиц мочевой пузырь имеется только у страуса. Чем бы Вы объяснили такую особенность?

Решение. Сначала нужно объяснить отсутствие мочевого пузыря у птиц. Очевидно, наличие наполненного мочой пузыря нарушает координацию в полете и затрудняет его. Поэтому отсутствие пузыря носит адаптивный, приспособительный характер. Моча выделяется из мочеточников сразу в клоаку. Страус же, во-первых, самая большая из птиц, а, во-вторых, не летает.

105. Можно ли представить, чтобы в слюне животного содержалась серная кислота?

Решение. Если в желудочном соке всегда присутствует соляная кислота, то почему бы в слюне не быть серной? Но зачем? Слюна нужна для взаимодействия с пищей. Но расщепляют пищевые вещества ферменты. Столь сильный фактор, как серная кислота, очевидно, требуется для воздействия на более грубые структуры. Оказывается, что некоторые хищные улитки, чтобы добраться до добычи, заключенной в раковину, растворяют ее слюной, содержащей серную кислоту. Адаптивные приспособления, созданные природой, поистине неисчерпаемы!

106. В слюне лягушек содержится амилаза. Но лягушка хищник и в ее пище отсутствует крахмал. Зачем же тогда ей нужен этот фермент?

Решение. Мы уже твердо знаем, что в эволюции не закреплялись «глупые» механизмы. Поэтому, если амилаза не нужна для крахмала, которого нет в пище, поищем аналог крахмала растений у животных. Разумеется, это гликоген. Он содержится в телах жертв лягушек и гидролизуется амилазой слюны.

107. На закуску решите несложную, но несколько интригующую задачу. Может ли у каких-нибудь млекопитающих время полного кругооборота крови составлять всего одну секунду?

Решение. Для положительного ответа необходимо выполнить два условия. Во-первых, животное должно быть очень маленьким. Во-вторых, а это как раз и характерно для таких животных, ЧСС должна быть очень высокой – до 1 000 уд/мин. Таким требованиям удовлетворяют землеройки. Трудно представить, но у них кровь, выброшенная из сердца, проходит большой и малый круги и возвращается снова в сердце, действительно, за одну секунду.