Иллюстрация к закону академика Крепса

Говорят, что от сидячей жизни полнеешь. Устрицы, мидии и многие другие двустворчатые моллюски – домоседы. Расставаясь с детством, они подыскивают себе пристанище, где проводят всю остальную часть жизни, если, конечно, их не угораздит прикрепиться к корпусу судна. Но и тогда, путешествуя по свету, они не покидают занятой однажды «каюты» и, естественно, на хороших харчах и при сидячей жизни полнеют. При сокращении двигательной активности и тем более при переедании возрастает доля пищевых веществ, которые организм запасает впрок.

Обычно для удобства долгосрочного хранения углеводы и белки пищи перерабатываются в жир, который у позвоночных откладывается в подкожной клетчатке, брюшной полости и других местах, а у беспозвоночных чаще всего складируется в печени. Кроме жира, клетки организма запасают на текущие расходы крохотные количества полисахарида гликогена. Только в мышечных клетках и в печени его запасы бывают чуть‑чуть более значительны. Необходимость иметь гликоген связана с тем, что жир не годится для экстренного использования. Его трудно извлечь из жировых депо и сложно организовать транспортировку к местам потребления. В качестве основного энергоносителя используется гликоген. Он тоже не может переноситься кровью и не способен проходить сквозь клеточные мембраны, слишком крупны его молекулы, но зато легко разлагается до глюкозы, а этот простейший сахар, всегда присутствующий в крови, легко проникает в любые клетки. Когда работа каких‑нибудь органов усиливается и на нее отбирается все больше глюкозы, в печени начинается разрушение гликогена, и в кровь поступают новые порции горючего.

И все же запасать выгоднее жир, так как из одного грамма жира высвобождается в два раза больше энергии, чем из того же количества гликогена. Таким образом, запасы жира компактнее, а главное, легче, чем гликогена.

Вторая причина, по которой создавать большие запасы резервного гликогена нецелесообразно, – специфические особенности его хранения. Для того чтобы он мог остаться в организме, необходимы значительные количества воды. В результате одинаковое количество химической энергии, запасенное в виде гликогена, в весовом отношении примерно в 10 раз превосходит запасы, сделанные в виде жира. Вот почему это могут себе позволить лишь моллюски и некоторые морские глубоководные животные, обитающие на дне океанов. Моллюскам, ведущим неподвижный образ жизни, значительное увеличение веса не приносит абсолютно никаких неудобств, и воды, необходимой для удержания в организме гликогена, вокруг сколько угодно. Вот, кстати сказать, почему моллюски способны очень быстро толстеть, точнее набирать вес.

Делать запасы гликогена выгодно всем донным животным. Жир легче воды, и, скапливаясь в организме в больших количествах, он резко снижает удельный вес животных и значительно увеличивает их плавучесть, то есть, попросту говоря, тянет их вверх, к поверхности. Жирным существам постоянно грозит перспектива оторваться от грунта и оказаться на поверхности воды. Борьба с этим бедствием требует от животных серьезных усилий или искусственного увеличения веса. При запасании гликогена подобных проблем не возникает.

Запасы гликогена в организме человека невелики, но способны сыграть с нами злую шутку, когда мы решаем «сесть» на диету, чтобы сбросить излишний вес. В первые же дни нового пищевого режима, получая недостаточное количество энергетических веществ, организм тратит все имеющиеся запасы гликогена и, естественно, выводит из организма много воды, использованной для его складирования и ставшей теперь ненужной. Поэтому в первые же дни разгрузочного режима человек заметно теряет в весе. Однако радость быстрого успеха оказывается преждевременной. В ближайшие же дни оперативные запасы гликогена восстанавливаются. При этом не только прекращается дальнейшее падение веса, но он частично или даже полностью восстанавливается за счет удержания в организме все той же воды.

У людей, склонных к полноте, использование собственных жировых запасов затруднено и замедлено, а превращение 1 грамма жира в гликоген вместо уменьшения веса приводит к его увеличению на 9 грамм за счет воды! Поэтому новая волна падения веса начинается не сразу и будет менее крутой и впечатляющей, чем первая. Нередко человек, не привыкший ограничивать себя в пище и тяжело переносящий сокращение ее калорийности, успевает «убедиться», что предписанная ему диета не способна дать ожидаемого эффекта, и возвращается к прежней жизни.

Химическая энергия, запасаемая в виде гликогена, дает преимущества организмам, постоянно сталкивающимся с недостатком кислорода. Дельфины и кашалоты способны подолгу находиться под водой. Моллюски и живущие в раковинах ракообразные при малейшей опасности сжимают створки своего дома и дышат за счет мизерного запаса кислорода, растворенного в оставшейся в раковине воде. Эти животные, ведущие прикрепленный образ жизни, нередко поселяются у поверхности воды. Во время отлива, а он может продолжаться более 10 часов, им приходится сидеть с накрепко закрытыми дверями.

Переносить кислородное голодание помогают запасы гликогена. Он способен расщепляться без помощи кислорода, высвобождая при этом часть заключенной в нем химической энергии. Гликоген дает возможность некоторое время задерживать дыхание. Вот почему у морских животных, вынужденных много времени проводить под водой, его оперативные запасы значительны. Двухстворчатые моллюски, запасающие химическую энергию главным образом в виде гликогена, во время длительных пауз в поступлении кислорода существуют за счет анаэробного (бескислородного) способа высвобождения энергии и к концу отлива серьезно худеют, выводя из своего организма значительные количества воды, использованной при хранении этого углевода. Однако в короткие периоды прилива они возобновляют энергетические запасы, а заодно накапливают воду и быстро полнеют, восстанавливая свой первоначальный вес.

Академик Е. М. Крепс, много лет жизни посвятивший изучению эволюции физиологических функций и биохимических процессов, не уставал удивляться тому, что природа, найдя еще на ранних стадиях эволюции живых организмов удачное решение какой‑нибудь проблемы, проносит затем свою находку через всю жизнь биосферы, используя ее у всех видов весьма не схожих между собою животных, появившихся на Земле много миллионов лет спустя после сделанного изобретения. Однако если изобретение, так долго служившее верой и правдой, вступает в противоречие с новыми условиями жизни, природа решительно от него отказывается и подыскивает новое решение, которое будет служить до тех пор, пока какие‑то особые обстоятельства не заставят ее вернуться к старой проблеме. У природы огромное число патентов на весьма удачные изобретения, и, хотя она по своему характеру достаточно консервативна, когда нужда заставляет ее внести изменения в технологические процессы, которыми пользуются ее чада, она справляется с собственной инертностью и настойчиво ищет в своем патентном бюро что‑нибудь подходящее на данный случай. А если поиски ни к чему не приведут, садится за кульман и приступает к работе над новым изобретением.

Кухня сатаны

Холод, вечный мрак и мертвая тишина, вот что представляют собою глубины океана. И чем дальше от поверхности океана, тем однообразнее и беднее там жизнь. Такими еще недавно представлялись океанологам пучины океана. Но в 1977 году произошло событие, поколебавшее это представление. Систематическое изучение морского дна близ Галапагосских островов обнаружило на глубинах порядка 2,5 километра выходы геотермальных вод и богатейший, а главное, необычный мир живых организмов.

Сначала открытие не вызвало сенсации: ученые давно свыклись с необычайностью животного мира Галапагосского архипелага. Однако когда такие же оазисы стали обнаруживать и в других районах океана, стало ясно, что ученые столкнулись с совершенно необычным миром.

Необычность оазисов начинается с самих скважин. Горячая вода вытекает здесь не из трещин на дне океана, а из высоких башен, и ее шлейфы в виде черных облаков тянутся по течению на десятки метров. За это их и окрестили «черными курильщиками». По внешнему виду трубы больше всего напоминают гигантские термитники африканских саванн. Советские океанологи встретились с ними в 1986 году в Тихом океане на дне Калифорнийского залива. А годом раньше экспедиция на судне «Академик Мстислав Келдыш» нашла гигантские башни «черных курильщиков» в районе Срединно‑Атлантического хребта. Основания самых крупных из них достигали в диаметре 200 метров, а жерла находились на высоте 70 метров! Кроме дымящихся, экспедиция обнаружила трубы, давно переставшие куриться. Они, как потухшие вулканы, напоминают о бурных событиях, некогда происходивших в океанской бездне.

Вода, выбрасываемая «курильщиками», необычна. Ее температура достигает 350–360 градусов, в ней нет кислорода и нитратов, зато присутствует сероводород (точнее, анион HS^–), которому в морской воде быть не полагается. Выпадение серы и других веществ, возникающее при охлаждении воды, и придает ей черный цвет. «Черные курильщики» возникают, когда океанская вода просачивается сквозь дно и попадает в места разлома земной коры. Там она нагревается, изменяет свой химический состав, а выходя в конце концов на поверхность и охлаждаясь, отдает часть выносимых из глубин веществ, которые тут же осаждаются, образуя трубу.

Почему вокруг «черных курильщиков» возникают оазисы? Какие обеды готовят их обитателям на кухне у самого сатаны? Повышение температуры воды способно вызвать усиление обменных процессов, быстрый рост и интенсивное размножение, но совершенно очевидно, что одного этого совершенно недостаточно для бурного развития жизни. Термальные источники создают в зоне оазиса циркуляцию воды. Вытекающие из «труб» горячие струи поднимаются вверх, по пути подогревая окружающую воду, заставляя и ее подниматься к поверхности. Ей на смену в зону оазиса затягивается окружающая холодная вода. Таким образом в оазис поступает во много раз больше свежей воды, оставляющей здесь часть принесенного с собою органического вещества, чем на соседние участки. Это серьезно увеличивает пищевые ресурсы оазисов.

Однако не эти дары Посейдона дают толчок к развитию жизни. Изучение химического состава тел тамошних обитателей показало, что не планктон служит здесь главным поставщиком пищевых веществ. Источником жизни в оазисах является сероводород. В процессе окисления иона HS^– высвобождается немало энергии, что дает возможность живым организмам запасать ее в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата).

Здесь следует сделать маленькое отступление в область биохимии. Жизнь всех без исключения организмов от бактерий до человека возможна лишь благодаря их умению запасать энергию в виде АТФ. Это соединение выполняет в клетках организма функцию аккумулятора энергетических ресурсов. Обычно для создания запасов АТФ используются пищевые вещества, а в конечном итоге фотосинтез и солнечная энергия. Подводные оазисы – почти единственное место на нашей планете, где живые существа не зависят от милости Солнца. Их отсутствие компенсирует сероводород, обеспечивая синтез АТФ, что позволяет множеству животных существовать в районах подводных оазисов.

Животные не способны сами утилизировать сероводород. Он для них ядовит, да и необходимых для этого ферментов они не имеют. Сульфиды – соли сероводородной кислоты используются только сульфидокисляющими бактериями. С помощью специальных ферментов они окисляют HS^–, а получаемую при этом энергию используют для синтеза из углекислого газа и нитратов более сложных органических веществ.

Бурно развивающиеся серные бактерии поселяются на любом твердом субстрате, покрывая скалы пленкой своих колоний, или просто живут в толще воды. Здесь ими питаются все фильтраторы, а со скал «слизывают» черви и моллюски. За счет бактериядных животных в оазисах существуют более крупные хищники: голотурии, колонии медуз, похожих на нежные одуванчики, и различные ракообразные. Более 20 совершенно новых видов животных уже обнаружили ученые в подводных оазисах.

Есть здесь даже особые рыбы. У «черных курильщиков» близ Галапагосских островов постоянно держатся около 20 видов макрурид и офидиид. Большинство из них не подплывает к «дымящим» вершинам труб. Видимо, там для них слишком жарко или не хватает кислорода. Только зоорциды свободно снуют в облаках черного «дыма» над вершинами труб да диплаканторомы то ныряют в самые жерла, то ненадолго выглядывают наружу.

Самые обычные обитатели оазисов – гигантские погонофоры, нитевидные существа длиною от 5 сантиметров до 1,5 метра, живущие в хитиновых трубках. Передний конец тела увенчан пучком щупалец. Они и дали название погонофор, то есть несущих бороду, всему типу животных. Слово «погон» в переводе с греческого означает «борода».

В числе необычных особенностей погонофор следует упомянуть любовь к холодной воде и к высоким давлениям. Хотя животные встречаются и на мелководье, но по всему чувствуется, что они созданы для больших глубин. Другая, поистине необычная особенность погонофор – отсутствие пищеварительной системы. Для животных, не являющихся паразитами, это чрезвычайно странно.

Загадку сумели разгадать совсем недавно. Оказалось, что погонофоры оазисов живут за счет растворенных в воде веществ, которые превращают в удобоваримое состояние миллиарды одомашненных тружеников – серных бактерий, работающих на «химкомбинате», который занимает все обширное помещение внутренней полости тела. HS^–, кислород, нитраты и углекислый газ всасываются из морской воды венчиком щупалец и с помощью кровеносной системы доставляются в цех «химкомбината» на переработку. Здесь за счет энергии, добываемой из сероводорода, вырабатываются необходимые погонофорам азотистые соединения и углевод малат.

Содружество погонофор и серных бактерий кажется фантастичным. Сероводород высокотоксичное вещество и мог бы отравить любое существо, но погонофоры для его доставки на «химкомбинат» изобрели специальное транспортное средство. Этот газ плохо растворяется как в морской воде, так и в крови. Если бы дело ограничивалось его диффузией из воды в кровь и последующим переносом к месту дислокации серных бактерий, «химкомбинат» постоянно бы лихорадило из‑за отсутствия сырья. Свободный сероводород в крови гигантских погонофор находится в ничтожных количествах, а потому и не склонен переходить в ткани тела животного, и угроза отравления невелика. Основная масса молекул газа, как бревна на железнодорожной платформе, прочно закреплена в крови сульфидосвязывающим белком и в полной сохранности доставляется к месту назначения.

Белок, выполняющий роль транспортной платформы, обладает высоким сродством с сероводородом. Поэтому, как только молекула сероводорода перейдет из морской воды в кровь, она тотчас вступает в связь с молекулой транспортного белка, будет «схвачена» ею, окажется «погруженной» на транспортную платформу. Наличие транспортных специальных средств дает возможность транспортировать гораздо больше сероводорода, чем его могло бы раствориться в крови.

«Сырью» в крови погонофор гарантирована полная сохранность. Это очень важно! Кроме сероводорода, кровь транспортирует и кислород. Близкое соседство опасно. Сырье обладает повышенной горючестью, а при соседстве кислорода всегда возможно «самовозгорание». Сульфидосвязывающий белок обеспечивает противопожарную безопасность: связывая молекулы сероводорода, он не дает им вступать в какие‑либо реакции. Организация транспортной системы безупречна. Неясным остается только вопрос, каким образом на «химкомбинате» происходит разгрузка сырья, как серные бактерии снимают молекулы сероводорода с транспортных платформ.

«Химкомбинаты» гигантских погонофор работают в обычных для больших глубин температурных условиях при +2–3 градусах. Серные бактерии, которыми богата вода оазисов, во всяком случае, некоторые из них, предпочитают более теплый климат. Их основная масса зарождается где‑то на кухне у сатаны в глубине пористых вулканических отложений морского дна. Учитывая высокую температуру воды, выбрасываемой из жерл «черных курильщиков», это может показаться совершенно невероятным. Однако лабораторные эксперименты убедили, что при температуре 250 градусов и давлении в 250 атмосфер бактерии чувствуют себя превосходно. Видимо, для них это зона температурного комфорта. В такой парилке они плодятся с невероятной скоростью и всего за несколько часов численно увеличиваются в 100 раз! Бактерии чувствуют себя вполне сносно даже при 300 градусах. Напомню, что сухая газетная бумага загорается уже при температуре +265. Такую жару бактерии могут переносить, лишь находясь в воде.

В соответствии с физическими законами при давлении в 250 атмосфер точка кипения воды оказывается значительно выше 100 градусов. Поэтому на кухне у дьявола она не кипит, не превращается в пар, а остается жидкой. Серные бактерии на нашей планете чемпионы по термоустойчивости и вполне достойны быть занесенными в книгу рекордов Гиннесса.

Погонофоры не одиноки. В оазисах обитает ряд животных, пользующихся помощью первичных продуцентов. Двустворчатые моллюски выделяют серным бактериям жилплощадь на территории жабр. Видимо, это позволяет уже здесь, в жабрах, очистить кровь от проникшего в нее из воды сероводорода и тем оградить себя от последствий его воздействия на организм. Химические цеха этих моллюсков невелики и вряд ли способны обеспечить «продовольствием» своих хозяев. Вероятно, это лишь «подсобное хозяйство», поставляющее деликатесные продукты к барскому столу или помогающие пережить перебои в продовольственном снабжении.

Источник процветания глубоководных оазисов – сероводород. Мощнейшие «курильщики», впервые обнаруженные в Атлантике советскими океанологами, не назовешь богатыми жизнью оазисами. Здесь отсутствуют заросли погонофор – гигантских вестиментифер, не бродят огромные крабы, не ползают по конусам стаи моллюсков. Стены подводных пиков дают приют лишь голубоватым актиниям и толпам серовато‑белых невзрачных креветок. Ведь атлантические «курильщики» выбрасывают мало сероводорода. На кухне у сатаны сероводород не деликатес, а главное пищевое вещество, без которого здесь трудно добиться процветания.

Геотермальные ключи бьют не только на дне океана. Они встречаются на мелководье и просто на суше. Внимание советских ученых привлекли источники горячих сернистых вод в бухтах Брохтом и Кратерная на островах Курильской гряды Семушир и Янкича. Они давно известны людям и всегда вызывали суеверный страх. На Янкиче, среди отвесных стен кратера уже приутихшего вулкана и ручьев сернистого кипятка, петляющих по желто‑зеленой прибрежной луговине, над которой протянулись шлейфы раскаленных газов, местные жители – айны – некогда совершали жертвоприношения. А в бухте бурлит жизнь. Здесь живут и размножаются морские черви и голотурии, двустворчатые моллюски и рыбы, кишат всевозможные рачки, инфузории, микроскопические водоросли. Основой питания им служат продукты биосинтеза. А как же иначе, когда живешь под солнцем? Эта пища употребляется с гарниром из органических веществ, синтез которых оказался возможен за счет сероводорода. Все обитатели бухты, которым доступна такая мелочь, как серные бактерии, усиленно питаются ими, в свою очередь, становясь добычей более крупных животных.

Темпы хемосинтеза не зависят от климатических факторов среды. Зимой, когда дни на севере становятся короче, а тучи и туманы все чаще заслоняют бухту от солнца, доля хемосинтезированной пищи возрастает. Повышенная температура воды позволяет здешним обитателям поддерживать высокий уровень обмена веществ, быстрый рост и бурные темпы размножения, а два пути снабжения продуктами питания закладывают энергетическую основу всеобщего процветания.

Геотермальные воды – не единственный источник сероводорода. Наше безразличие к судьбам океана породило множество свалок на его дне, где сероводород образуется при разложении белковых веществ. Чаще всего его искусственные месторождения возникают в местах сброса сточных вод. Одно из таких мест расположено в Тихом океане у западных берегов Северной Америки. Сточными водами его снабжает Лос‑Анджелес. Недавно зоологи обнаружили там своеобразных моллюсков из семейства солемий, живущих в удлиненно‑овальных раковинах с фестонами на брюшном краю их дома, образованными из волокнистого рогового вещества конхиолина, которым снаружи бывают отделаны раковины моллюсков.

Вторая особенность океанских мусорщиков – большие перистые жабры. Они не только успешно выполняют дыхательную функцию в бедной кислородом среде, но и дают возможность разместить на своей обширной территории цеха «химкомбината», где трудятся все те же серные бактерии. Жабры служат единственными поставщиками продовольствия. Кишечник у солемий отсутствует, и другими видами пищи они воспользоваться не в состоянии.

У обитателей глубоководных оазисов, в том числе у рыб активность большинства ферментов высока. Обмен веществ у них протекает значительно интенсивнее, чем принято среди глубоководных животных. Это лишний раз подтверждает, что не кромешный мрак, не холод и даже не высокое давление, а лишь бедность глубоководных районов пищевыми ресурсами служит единственной причиной низкого уровня обменных процессов и соответствующего склада жизни его обитателей.