Роднички чистой воды

Вода не только важнейший, но, можно считать, основной компонент тела любого животного. Вполне естественно, что каждый организм должен быть обеспечен необходимым количеством воды с надлежащей концентрацией растворенных в ней ионов.

Казалось бы, морские организмы не должны страдать от нехватки воды. Действительно, у низкоорганизованных животных не возникает никаких проблем. Однако подавляющему большинству подданных Посейдона приходится всю жизнь бороться за воду с такой же настойчивостью, что и обитателям безводных пустынь. Дело в том, что морская вода по составу и концентрации растворенных в ней веществ существенно отличается от состава и концентрации веществ в организме животных.

Живя в солевом растворе, каким, по существу, является океан, трудно сохранить в неизменном виде состав и концентрацию веществ во внутренних средах организма. Между окружающей средой и телом животного, через его наружные покровы постоянно происходит взаимный обмен водой и растворенными в ней веществами. В соответствии с физическими законами различия в концентрации отдельных веществ должны быть ликвидированы. Вполне естественно, что выравнивание концентраций происходит за счет изменений состава тел обитателей океана. Правда, многие животные способны свести к минимуму изменения во внутренней среде своего организма, но за это им приходится отчаянно бороться. Используются два способа, позволяющих обеспечить постоянство состава крови и внутриклеточных жидкостей организма. Одни животные стремятся по возможности уменьшить проницаемость наружных покровов, чтобы надежнее отгородиться от окружающей среды, другие стараются уменьшить силы, которые заставляют воду и различные вещества покидать организм или проникать в него извне.

В первом случае животные облачаются в «скафандры», изготовленные из веществ, не имеющих пор, сквозь которые могли бы просочиться молекулы воды и других веществ или их ионы. Чрезвычайно надежным скафандром пользуются рептилии. Роговые пластины и чешуйки, покрывающие их тело, практически непроницаемы для морской воды и растворенных в ней солей. Однако в доспехах есть прорехи, не позволяющие полностью отгородиться от окружающей среды. Через «забрало» и другие дыры скафандра все‑таки происходит достаточно существенный обмен водой и солями.

О втором способе стоит поговорить более подробно. Вода и различные вещества способны мигрировать сквозь биологические мембраны без посторонней помощи, если в их концентрациях имеются существенные различия или разница в величине электрических потенциалов. Если наружные покровы тела проницаемы для растворенных в воде молекул, они будут постоянно проходить сквозь них то из окружающей среды внутрь организма, то наружу из организма. Естественно, что с той стороны преграды, где концентрация веществ выше, его молекулы чаще проходят сквозь мембрану, просто в силу того, что чаще с ней сталкиваются. Обратно, с противоположной стороны преграды, где концентрация этого вещества низка, тоже будет двигаться поток молекул, но менее мощный. Ведь их здесь меньше, они реже налетают на преграду, а значит, и возможностей для ее преодоления меньше. Процесс взаимного проникновения веществ через биологическую мембрану будет продолжаться до тех пор, пока их концентрация по обе стороны преграды не выравняется и интенсивность встречных потоков молекул не станет равной.

Если по обе стороны преграды заряды разные по знаку или по величине, диффузия идет более целенаправленно. Здесь ионы кильватерной колонной устремляются к порам в мембране. Обычно движутся два встречных потока ионов, несущих разноименные заряды. Обмен ионами продолжится до тех пор, пока заряды не станут одноименными и не уравняются по величине.

Мембраны живых организмов обладают свойствами полупроницаемости, то есть они пропускают молекулы одних веществ и не пропускают других. Обычно мембрана бывает проницаема для мелких, электрически нейтральных молекул, не имеющих электрического заряда, и, конечно, для воды. Диффузией воды чаще все и ограничивается. Ее молекулы устремляются туда, где концентрация растворенных веществ более высока. Такие растворы как бы засасывают воду. Общая суммарная концентрация всех растворенных веществ (ее называют эффективной, или осмотической, концентрацией) независимо от того, какие там вещества растворены, придает раствору совершенно определенные свойства. Для жидкостей тела и воды природных водоемов это очень важный показатель. Он определяет пригодность воды для жизни в ней различных животных.

Осмотическое давление раствора соответствует тому внешнему давлению, которое нужно к нему приложить, чтобы, сжав его, полностью предотвратить поступление через полупроницаемую мембрану новых порций воды или другого растворителя.

Растения чаще других организмов пользуются повышением внутриклеточного давления, чтобы предотвратить дальнейшее проникновение воды в клетки.

Мембраны растительных клеток изготовлены из высокопрочного материала целлюлозы и способны выдержать высокую нагрузку. Благодаря их полупроницаемости состав веществ во внутриклеточных жидкостях достаточно устойчив, меняется лишь количество воды. А так как их оболочки не способны значительно растянуться, давление внутри клеток растет, пока не достигнет такой величины, которая окажется достаточной, чтобы предотвратить дальнейшее проникновение воды. Гидростатическое давление внутриклеточных растворов позволяет поддерживать тургор^[2]растительных тканей, благодаря чему они приобретают упругие свойства, их листья сохраняют свою форму, а стебли – вертикальное положение.

У животных оболочки клеток построены из эластичных, легко растяжимых материалов, поэтому тургора тканей не возникает, а если равновесие в величине осмотического давления нарушается, они начинают набухать. Живые нормально функционирующие клетки, не испытывающие недостатка в кислороде, способны предотвратить набухание. Процесс этот энергоемкий. Он осуществляется за счет интенсивной работы мембранного натриево‑калиевого насоса, регулирующего концентрацию этих ионов внутри клетки и способного снижать внутриклеточное осмотическое давление.

Многие морские беспозвоночные способны стабилизировать количество находящейся в организме воды, меняя внутриклеточное осмотическое давление.

В отличие от ионов натрия, калия, кальция, магния, хлора и иных солей, растворенных в морской воде, количество которых в тканях организма не должно превышать какой‑то определенной величины, количество аминокислот во внутриклеточной среде может без какого‑либо вреда для организма изменяться в достаточно широких пределах. Если животное попадает в водную среду с более высокой осмотической концентрацией, чем внутриклеточные жидкости, в клетках происходит расщепление белков на аминокислоты. Увеличение концентрации аминокислот позволяет без вреда для клетки уравнять ее осмотическое давление с окружающей средой и предотвратить обезвоживание организма. Если возникнет противоположная ситуация и животное окажется в среде с низкой осмотической концентрацией, в клетках усиливается синтез белков, на что расходуется запас аминокислот. Уменьшение их концентрации приводит к падению осмотического давления, что позволяет избежать набухания тканей тела и сберечь во внутриклеточной среде необходимое количество ионов калия, натрия и других солей.

У большинства морских беспозвоночных животных осмотическая концентрация внутриклеточных жидкостей такая же, как в морской воде. Этим серьезно упрощается их жизнь. Однако солевой состав практически никогда не бывает точно таким же, как в окружающей среде, и о его сохранении приходится постоянно заботиться.

Вместе с пищей или через прорехи скафандра в организм всегда попадают нежелательные для животных вещества. От них приходится избавляться. Для этого предназначены органы выделения. Они должны удалять из организма все ненужное или вредное, но при этом ничто ценное не должно быть потеряно.

Регулировать состав своей внутренней среды умеют даже низкоорганизованные существа. У медуз концентрация сульфата удерживается на значительно более низком уровне, чем в морской воде. Сульфат – тяжелый ион. Удаляя его, медуза поддерживает свою плавучесть на необходимом уровне. Морские ежи и звезды не способны позаботиться о состоянии своей внутренней среды, поэтому могут жить лишь в морской воде со строго постоянной осмотической концентрацией и составом и гибнут, если они немного меняются.

Среди беспозвоночных к самым различным условиям существования лучших других, несомненно, умеют приспосабливаться ракообразные, что связано с непроницаемостью их хитинизированного панциря для воды и солей. Когда в организме возникают излишки того или другого, они умеют от них избавляться. Регулировать солевой состав жидкостей тела ракообразным помогают жабры. У морских ракообразных через жабры удаляются излишки солей, у живущих в опресненной воде жабры активно абсорбируют соли, препятствуя обессоливанию организма.

Многие крабы, раки‑отшельники и другие ракообразные живут в прибрежной приливно‑отливной зоне и подолгу бродят по обнаженным пляжам, а такие, как пальмовый вор, вообще переселились на сушу и, попав в море, могут утонуть. Их тела хорошо защищены от высыхания. Разгуливая по берегу, они почти не испаряют влаги и им не грозит перспектива значительного роста осмотической концентрации жидкостей тела.

Чемпион среди ракообразных по умению приспосабливаться – артемия, относящаяся к классу жаброногов. Этот удивительный крохотный рачок способен жить и размножаться в воде с соленостью от 20 промилле до концентрированного рассола солеварен, где соль выпадает в осадок, и может без вреда для себя перенести кратковременное опреснение. У артемий высока способность к осморегуляции. В любом солевом растворе, более концентрированном, чем вода Балтийского моря, кровь этих животных сохраняет осмотическую концентрацию на более низком уровне. Так, при солености среды, равной 58 и 200 промилле, соленость крови артемии будет эквивалента 13 и 26. Борясь за существование, рачок даже из очень соленого раствора ежедневно абсорбирует воду со скоростью, равной 3 процентам веса тела в час, а излишки солей выделяет с фекалиями. Жабры отвечают лишь за поддержание нужной концентрации поваренной соли.

Морские позвоночные животные двояко относятся к повышенной солености окружающей среды. У миксин, пластиножаберных и кистеперых рыб внутриклеточная осмотическая концентрация поддерживается на том же уровне, что и в морской воде, или чуточку ее превышает, а у миног и костистых рыб она в три раза ниже, чем в океане. Миксины, обитающие только в морях, не способны регулировать ни осмотическую концентрацию, ни солевой состав внутриклеточной среды. У акул, скатов и кистеперых рыб осмотическая концентрация жидкостей тела всегда выше, чем океанской воды. Правда, концентрация солей такая же, как в человеческом теле. Высокая осмотическая концентрация поддерживается за счет органических веществ, главным образом мочевины, которой у них в сто раз больше, чем у млекопитающих, и отчасти за счет триметиламиноксида.

Мочевина – конечный продукт белкового обмена. Она ядовита, и млекопитающие стараются как можно быстрее избавиться от нее, удалив из организма вместе с мочой. Такое количество мочевины, как у акулы, у человека или собаки вызвало бы смертельное отравление, а этим рыбам она совершенно необходима. Если из организма акул и скатов удалить большую часть мочевины, обменные процессы в тканях их тел разлаживаются. Они специально оберегают свой организм от потерь этого вещества. Мочевина, попавшая в мочу, возвращается обратно в кровь.

Происхождение в организме триметиламиноксида неизвестно. В принципе он является продуктом окисления особого газа триметиламина, имеющего запах селедочного рассола и очень хорошо растворяющегося в воде. Это вещество встречается в мышцах, почках, печени и в мозгу животных и человека. Оно менее токсично, чем мочевина, но в организме позвоночных животных долго не задерживается. У человека только через почки ежедневно удаляется 37 миллиграммов триметиламина.

Кроме создания в клетках тела высокого осмотического давления, предотвращающего потерю воды, акулам и скатам пришлось позаботиться о солевом постоянстве внутренней среды. Так как концентрация натрия, основного солевого компонента их внутриклеточных жидкостей, должна быть в два раза ниже, чем в окружающей среде, акулам и скатам пришлось разработать способы выведения его излишков. В этом принимают участие несколько органов. Жабры позволяют освободиться от одной трети того количества натрия, которое сами же пропустили в организм. Примерно столько же выводится через почки. Они у акул никудышные и используются главным образом для удаления магния, фосфатов и сульфатов. Главным органом для выведения натрия служит особый орган – крохотная ректальная железа, проток которой открывается в прямую кишку. Железа секретирует жидкость, в которой концентрация натрия и хлора на 15–25 процентов выше, чем в воде океана. Благодаря повышенному внутриклеточному осмотическому давлению акулы и скаты понемножку сосут из океана молекулы воды, а пить соленую воду и загружать организм добавочными порциями солей им ни к чему.

Высокая соленость среды обитания постоянно угрожает костистым рыбам утечкой воды из их организма. Океан сосет из них воду, и они вынуждены систематически пить, чтобы своевременно возмещать возникающие потери. Однако это обрекает рыб на постоянную борьбу с солями, попадающими в их пищеварительный тракт вместе с водой. В этом не было бы большой беды, но их почки устроены весьма примитивно и не могут обеспечить очистку организма от натрия и хлора. Трудности с удалением солей столь велики, что океанические рыбы вынуждены экономить воду и стараются пить как можно меньше, чтобы не загружать организм солями. Видимо, они, как и обитатели пустынь, постоянно испытывают жажду.

Роль ведущих очистных сооружений у костистых рыб выполняют жабры. Здесь находятся особые клетки, названные хлоридными, так как внутри их находятся многочисленные пузырьки, содержащие хлориды. Кровь морских рыб по отношению к морской воде электроположительна, и разность потенциалов между ними значительна, порядка 20 микровольт. Так что на удаление из организма отрицательного иона хлора требуется затратить значительные усилия. Натрий, видимо, удаляется из организма пассивно, благодаря его положительному заряду. Он должен проникать в пузырьки хлоридных клеток, чтобы уравнять их электрический потенциал с электрическим зарядом протоплазмы, что позволяет избавляться от натрия, не затрачивая на это каких‑либо усилий. Подсчитано, что натрия в компании с хлором удаляется через жабры в два раз больше, чем его проникает в организм через тот же орган в результате простой диффузии. В целом масштабы очищения организма от избытка натрия впечатляющие. Из организма морских коровок за один час удаляется половина всего натрия, находящегося в организме, а у каменных окуней – почти 60 процентов.

Почки морских костистых рыб выделяют мало мочи. У морских карпозубых рыб, камбал, а также у угрей в период их пребывания в океане мочеотделение не превышает 1–1,5 процента веса тела. Это примерно в два раза меньше, чем у человека. А у восьмилинейных морских вьюнов еще меньше, всего 0,34 процента. Но этого оказывается вполне достаточно, чтобы удалять магний, сульфаты, фосфаты и кальций, оперативно очищая от них организм. В моче больших удильщиков магний и сульфаты находятся в концентрации, в 100 раз превышающей их концентрацию в крови. В чуть менее концентрированном виде из их организма выводится кальций.