Опреснительные установки. По нескольку видов рептилий, птиц и млекопитающих или переселились полностью в океан или, как пингвины и альбатросы

По нескольку видов рептилий, птиц и млекопитающих или переселились полностью в океан или, как пингвины и альбатросы, так тесно связали с ним свою судьбу, что будет небезынтересно посмотреть, как они решают проблемы водоснабжения.

Среди рептилий лучше всех приспособились к жизни в океане змеи. Имеется в виду не тот гигантский морской змей, о котором со слов бывалых людей так любят писать журналисты. Настоящие морские змеи карлики: 65–100 сантиметров, реже 1,5–2,5 метра длиной. Живут они в прибрежной зоне тропических морей и, подобно рыбам, образуют иногда огромные скопления.

В 1932 году в Малаккском проливе между Малайей и Суматрой была обнаружена лента из переплетенных между собою ярко‑красных змеиных тел, шириной около трех метров и протяженностью свыше ста километров! По самым скромным подсчетам, на ее создание пошло не менее миллиона астроций – крупных, до 1,5 метра, морских змей. Трудно сказать, что заставило их собраться вместе. Скорее всего виновником был инстинкт размножения.

Морские змеи в тропической зоне явление обыденное. Рыбаки многочисленных островов Индийского океана всегда находят их в своих уловах. Случается, что сети приносят больше змей, чем рыбы. Обычно это не огорчает рыболовов, так как во многих странах их охотно едят в жареном или копченом виде, изготовляют колбасу, а шкурку используют на различные поделки.

Морские змеи встречаются только в Тихом океане и Индийском. Обогнуть с юга Африканский континент им мешает холодная вода. Для змей необходима температура 24 градуса. Уже при 20 они перестают есть и делаются вялыми, неподвижными.

Змеи сумели хорошо приспособиться к жизни в океане. В настоящее время известно 48 видов морских змей. Только половина из них сохраняет связь с сушей. Остальные не только никогда не выходят на берег, где они совершенно беспомощны, но даже никогда не опускаются на дно, не забираются в щели подводных скал или в заросли водяных растений, вообще не касаются телом твердых предметов. Вся их жизнь проходит в воде. Здесь они рождаются, здесь же, став взрослыми, производят потомство.

Для жизни в воде у них много приспособлений. У змей маленькая голова, гибкая тонкая шея и плоский хвост, иногда плоским бывает и все тело. Ноздри помещаются на самом кончике носа и снабжены клапанами. Змея может дышать, не высовываясь из воды, лишь выставив наружу нос. Когда она ныряет, клапаны плотно закрываются. Если змея под водой не двигается, запаса кислорода ей может хватить на шесть часов.

Морские змеи получают его главным образом из воздуха с помощью одного, зато весьма длинного правого легкого. Это неудобно. Для жизни в подводном мире нужны бы жабры. Змеям их заменяет слизистая оболочка рта, богато снабженная кровеносными сосудами. Постоянно прополаскивая рот морской водой, змея извлекает из нее кислород.

У морских змей задняя часть тела по сравнению с крохотной головкой и тонкой шеей выглядит очень массивной. Это важное приспособление для жизни в воде. Их туловище является как бы корпусом судна, обеспечивая опору для стрелы подъемного крана: головы и шеи животного. Повиснув в толще воды и оставаясь неподвижной, змея может свободно ими манипулировать. Пресноводные ужи на это не способны. Их туловище такой опоры не создает. И еще одно приспособление для жизни в воде: способность плавать хвостом вперед и хватать добычу, оказывающуюся сзади.

Морские змеи яиц не откладывают, а прямо в воде рожают живых, готовых к самостоятельной жизни детенышей. Яйца, развивающиеся в полости тела самки, имеют связь с телом матери и получают от нее дополнительное питание. Обычно в помете всего 1–2 змееныша, зато очень крупных, почти в полроста взрослой змеи. Через 6–9 месяцев молодая змея становится взрослой и сама приступает к размножению.

Морские змеи очень ядовиты, недаром они родственники кобры. Их яд во много раз сильнее, чем у самых опасных сухопутных змей. Дело в том, что рыбы, которые служат основной пищей морских змей, малочувствительны к ядам. На побережье Индии, где обитает особенно много морских змей, а население усиленно занимается рыболовством, в самом крохотном поселке можно услышать о рыбаках, погибших от змеиных укусов.

Яд нейротоксичен. Вскоре после укуса наступает слабость, расстраивается координация движений, возникают параличи, и, если не приняты необходимые меры, через 2–10 часов наступает смерть. Впрочем, несмотря на свою многочисленность, морские змеи дают гораздо меньше жертв, чем их сухопутные собратья. Дело в том, что яда у них немного – 1–20 миллиграммов, зубы короткие, а рот небольшой. Обороняться от человека таким оружием трудно. В загрубевшей коже рабочих рук укус не бывает глубоким, а попавшая порция яда смертельной, и после нескольких укусов у человека вырабатывается иммунитет. Морские змеи не агрессивны, и рыбаки без особых предосторожностей извлекают их из сетей голыми руками.

Морские змеи охотятся из засады. При этом змея не прячется. Повиснув в толще воды, она нежится в лучах тропического солнца. Рыбы сами плывут ей в «рот», привлеченные яркой окраской и введенные в заблуждение ее неподвижностью. Остается молниеносным броском хватать и отправлять добычу в желудок.

Излюбленная пища морских змей – угри, но охотятся они на любых рыб. Колючки не спасают их от хищника. Интересно, что потом эти колючки, проткнув желудок и тело змеи, выходят наружу прямо из кожи. Иногда неосторожный охотник при этом гибнет, но большинство зоологов склонны считать, что для змей это вполне нормальный способ освобождаться от острых предметов.

Морские змеи не способны упорно сопротивляться, и врагов у них много. Терроризируют их и паразиты. Морские уточки, своеобразные рачки, живущие в известковых домиках на плавающих и неподвижных предметах, особого вреда змее принести не могут, если, конечно, не залепят ей глаза. Тогда не исключена смерть от голода или от хищника, которого слепая рептилия заметить не может. Спасает очередная линька, если наступает не слишком поздно. Сбросив шкурку, змея разом освобождается и от своих мучителей.

Морские черепахи полностью с сушей не расстались: черепашата появляются на свет на берегу. В тесном пространстве собственного переносного «блиндажа» – внутри черепашьего панциря нет свободного места, где можно было бы устроить детскую для многочисленных чад. Поэтому самки раз в год выходят на берег в поисках потаенного местечка, чтобы снести и зарыть свои яйца. В отличие от них самцы сразу же после вылупления из яйца покидают родной пляж и на берег больше никогда не выходят.

Среди ящериц лишь галапагосские морские игуаны связали свою жизнь с океаном. Однако эпитет «морские» не совсем правилен, так как они живут на берегу, на безжизненных, покрытых лавовыми потоками береговых утесах, а в море спускаются ненадолго, лишь для того, чтобы набить желудок водорослями и только после того, как хорошенько прогреются под лучами тропического солнца. Проникать в царство Посейдона их заставляет отсутствие пищи, полная безжизненность скалистых островов, где они обитают. А полностью переселиться в океан помешала холодная вода Гумбольдтова течения, омывающего Галапагосский архипелаг. Вот почему они перед каждым погружением вынуждены запасаться теплом.

В солоноватой воде устьев крупных рек, впадающих в Индийский океан, и в мангровых зарослях охотно селятся крупные гребнистые крокодилы, а на острове Новая Гвинея собственный эндемичный вид – новогвинейский крокодил. В морской воде крокодилы, видимо, долго существовать не могут. Однако, когда они поселяются на берегу океана, у них с водоснабжением должны возникать такие же трудности, как и у типично морских животных.

Птиц, связавших свою жизнь с океаном, слишком много, чтобы их здесь перечислить. Море представляет для них интерес главным образом как место, где можно добыть себе пропитание. Вся остальная жизнь проходит в воздухе или на берегу. Лишь немногие птицы вроде крупных пингвинов, альбатросов и буревестников в свободные от размножения периоды жизни предпочитают путешествовать. Буревестники так мало усилий затрачивают на парящий полет, что не нуждаются в частых привалах. Крупные альбатросы способны взлетать только с гребней волн, а во время полного штиля подняться с воды не могут. Поэтому длиннокрылые океанские странники бывают достаточно осмотрительны, когда собираются приводниться.

Млекопитающие подарили океану три отряда типично морских животных: ластоногих, сирен и китов, к которым относятся и дельфины. Из них только ластоногие не утратили связи с берегом, в крайнем случае со льдами, и в период размножения покидают воду. Сирены и киты в своем приспособлении к жизни в океане пошли еще дальше и научились рожать детенышей прямо в воде, не опасаясь, что малыши захлебнутся еще во время родов. К тому же их конечности настолько видоизменены, а частично даже утрачены, что на суше они совершенно беспомощны.

Еще один представитель отряда хищных млекопитающих – калан ведет полуводный образ жизни. Самки рожают детенышей на берегу, заранее выбрав потаенное местечко – какую‑нибудь скалу или камень, прикрытый ворохом выброшенных волнами водорослей. За редким исключением на свет появляется только один детеныш. Устройство «детской» на берегу диктуется абсолютной необходимостью, так как малыш в первые недели жизни совершенно беспомощен. Мать ни на минуту не оставляет его одного. Спускаясь со скал, она волочит его в зубах, а в воде носит на груди, придерживая лапой или зубами, и в случае опасности ныряет вместе с ним. Новорожденные ни плавать, ни тем более нырять не умеют. Когда каланенок подрастет, звери плавают в воде в вертикальной позе: впереди детеныш, сзади мать, которая буксирует свое чадо «методом толкания».

Все высшие позвоночные, приспосабливаясь к жизни в океане, вынуждены были решать вопросы водоснабжения и солевого обмена. Морская вода, которую им приходится пить, во время еды проникает в их желудочно‑кишечный тракт, хотя, прежде чем проглотить, пищу стараются хорошенько отжать. С пищей в их организм попадает много солей, так как морские беспозвоночные и водоросли находятся в осмотическом равновесии с морской водой. Этой пищей питаются даже исполины. В их числе крупный тюлень‑крабоед. Его меню составляют отнюдь не крабы, а мелкие планктоновые ракообразные, так называемый криль.

Моржи – большие любители двустворчатых моллюсков и прочей донной мелочи. Наконец, морские левиафаны – голубые и прочие беззубые киты утоляют голод планктонными организмами, чаще всего все тем же крилем. Гораздо легче живется хищникам, питающимся рыбой. В ее теле в три раза меньше солей, чем в океанской воде, и рыбоядные существа не испытывают чрезмерных трудностей с водоснабжением.

Переселившись в царство Посейдона, высшие млекопитающие обзавелись мощными опреснителями. Опресняется отнюдь не вода, поступающая в их желудок, а кровь. Это вынуждает животных пользоваться высокопроизводительными опреснительными установками. Кровь должна оперативно освобождаться от попадающих в нее солей, иначе их концентрация в тканевых жидкостях превысит допустимый уровень и вызовет необратимые изменения в организме.

Высшие позвоночные создали опреснители двух типов. Рептилии и птицы приобрели совершенно оригинальную установку, ранее никем из животных не употреблявшуюся. Она быстродействующая и включается в работу по мере надобности в ответ на солевую нагрузку. Опреснитель получил название солевой железы. Местоположение очистных сооружений не совсем традиционно. Мы привыкли, что у высших животных командный пункт организма и все важнейшие органы чувств сосредоточены на голове животного, а все «грязные» цеха и грязевые стоки отнесены на задний конец туловища животного. Солевая железа – исключение. Она всегда располагается на голове, где‑то в районе носа.

Солевые железы вырабатывают жидкость с высоким содержанием ионов натрия и хлора. В выделениях змеи морской пеламиды концентрация натрия на 30 процентов выше, чем в морской воде, у морских черепах ридлей – на 60, а концентрация калия в три раза выше, чем в океане. Секрет солевых желез может содержать натрий в концентрации, в 190 раз превышающей его количество в крови, а его секреция способна осуществляться со скоростью 0,19 кубического сантиметра в час.

Солевые железы птиц находятся над каждым глазом в специальном углублении черепных костей. У наземных птиц, имеющих постоянный доступ к пресной воде, они совсем маленькие, зато у морских, вынужденных пить соленую воду, железы развиты хорошо. Солевые железы своеобразно устроены. Мембраны секреторных клеток собраны в глубокие складки, направленные от основания клеток к их вершинам. В результате образуются узкие каналы, как бы проходящие через всю клетку. Тут же находится масса тонких митохондрий, энергетических агрегатов, обеспечивающих процесс секреции необходимой энергией.

Состав выделяемой солевыми железами жидкости строго постоянен и не зависит от количества поступивших в организм солей. Меняется лишь ее общее количество, так как железа или совсем бездействует, или выделяет секрет с высокой концентрацией натрия. Как только кровь очистится от солей, железа прекращает работу. Никаких органических веществ она не выделяет, только электролиты, причем калия в среднем в 30 раз меньше, чем натрия.

Птицы, питающиеся морскими беспозвоночными, продуцируют более концентрированный секрет, чем рыбоядные. В выделениях солевой железы серебристой чайки натрия в полтора, а калия в два с половиной раза больше, чем в морской воде. Темп секреции – 0,6 кубического сантиметра жидкости в минуту на 1 грамм железы.

У морских змей протоки желез открываются в полость рта, и змеям приходится систематически «выплевывать» соленую жидкость. У птиц секрет солевых желез сливается в полость носа и, вытекая из носовых отверстий, повисает на кончике клюва в виде крупных прозрачных капель, которые птица время от времени стряхивает. Когда секрета вырабатывается слишком много, птицы чихают, широко разбрызгивая скапливающуюся в полости носа жидкость. Если морскую птицу накормить очень соленым кормом, через 10–12 минут из ее носа начинает капать. Такое впечатление, будто у нее сильный насморк.

У черепах, сухопутных змей, ящериц и крокодилов проток солевой железы открывается в угол глаза. Давно уже замечено, что крокодилы умеют плакать крупными прозрачными слезами. Съев очередную жертву, хищник «оплакивает» ее. Отсюда возникло крылатое выражение «крокодиловы слезы» как символ высшего лицемерия. И только в наши дни стала ясна их причина: так организм рептилий освобождается от излишка солей, поступивших с водой и пищей.

Умеют плакать и черепахи. Выкопав ночью на уединенном пляже ямку, морские черепахи начинают откладывать туда яйца, а из их глаз скатываются слезинки. Это начинает давать о себе знать потеря влаги за счет усиленного испарения воды у непривычных к сухопутным прогулкам рептилий и повышение концентрации солей в крови.

Возвращаясь обратно в море, черепахи продолжают ронять на сухой песок крупные соленые слезы. Грустят ли они, расставаясь с родными местами? Оплакивают ли брошенное на произвол судьбы потомство? Нет, конечно. Просто их солевые железы заняты своей обычной работой. Морские черепахи – большие плаксы, но разве в воде заметишь слезы?

У морских млекопитающих роль опреснителей взяли на себя почки. В отличие от человека и большинства млекопитающих почки ластоногих, сирен и китообразных способны выделять соли в более концентрированном виде, чем в океанской воде. Например, количество хлора в моче кита в полтора раза больше, чем в морской воде. Способность почек концентрировать соли такова, что кит, выпив литр морской воды, может избавиться от всех находившихся в ней солей, сконцентрировав их в 650 кубических сантиметрах мочи. В результате в его организме останется 350 кубических сантиметров пресной воды, пригодной на все случаи жизни.

Почки человека с такой работой не справятся. Человеку, выпившему один литр морской воды, чтобы удалить из организма все внесенные с нею соли, потребуется 1 литр 350 кубических сантиметров мочи. Таким образом, человек не может утолить жажду морской водой. Ее использование приведет лишь к обезвоживанию организма.

Зоологи не знают, пьют ли киты или довольствуются той водой, которая содержится в их пище, в теле рыб, моллюсков или ракообразных. Американские ученые 45 дней содержали калифорнийских морских львов вне бассейна, кормили одной рыбой, а воды не давали вовсе, но этот суровый режим никак не сказывался ни на аппетите, ни на настроении животных. Такое же состояние сохранялось у морских львов, если вместо рыбы они получали кальмаров, а ведь в теле морских моллюсков солей значительно больше, чем в тканях рыб.

У самок млекопитающих в период лактации и выкармливания потомства молоком потребность в воде резко возрастает. К морским млекопитающим это не относится. В их молоке мало воды. Например, молоко тюленя Уэдделла в самый разгар периода лактации содержит 58 процентов жира, 20 – белков и только 27 – воды.

Итак, животные блестяще справились с освоением Мирового океана. Здесь в достаточно концентрированном растворе солей, вполне пригодном для засолки огурцов, возникло удивительное по разнообразию и богатству сообщество живых организмов. Освоение океана – впечатляющий пример способности всего живого приспосабливаться к самым необычным условиям существования.

Глоток кислорода

Все живые существа нуждаются в пище. Она необходимый источник энергии для поддержания всех функций организма, а также как материал для построения и обновления клеточных структур. Главным способом получения энергии является окисление пищевых веществ, а для окисления, как известно, требуется кислород. Мы познакомились с тем, как распределены в океане пищевые ресурсы. Теперь настало время рассказать, где подданные Посейдона берут необходимый им кислород, как он попадает в океанские глубины.

Все газы способны растворяться в воде. В воду природных водоемов они попадают из атмосферы Земли. Их растворимость зависит от многих причин. Среди важнейших – доля данного газа в исходной газовой среде или, точнее, его парциальное давление^[3]. Больше всего в ней азота, 78,09 процента. На втором месте кислород – 20,95. Остальные газы находятся в мизерных количествах. Инертных газов всех скопом 0,93, причем львиная доля падает на аргон, а углекислого газа всего 0,03 процента. Принято говорить, что растворенный в воде газ находится под тем же парциальным давлением, которое он создавал в соприкасающейся с ней атмосфере. Это объясняет, почему в воде океанов больше всего азота и меньше всего углекислого газа, а кислорода примерно в 4 раза меньше, чем азота.

Для растворимости важнейшее значение имеют свойства самого газа. При 15 градусах и давлении, равном 1 атмосфере, в 1 литре воды может раствориться следующее количество газов:

азота – 16,9,

кислорода – 34,1,

углекислого газа – 1019,0 миллилитра.

Таким образом, среди атмосферных газов лучше всего в воде растворяется углекислый газ.

Количество газов, растворенных в воде, зависит от их давления и температуры. Мы говорили о растворимости газов при атмосферном давлении, обычном на уровне моря. Если его увеличить вдвое, удвоится и содержание газов в воде. Повышение температуры дает противоположный эффект. В отличие от твердых тел растворимость газов по мере нагревания воды существенно снижается.

Наличие в воде того или иного газа никак не отражается на растворимости других. Иное дело – прочие вещества. Присутствие в морской воде значительного количества солей примерно на 20 процентов снижает ее способность растворять газы. Теперь посмотрим, сколько кислорода способно раствориться в воде в наших обычных земных условиях. Напомним, что эта величина пропорциональна его парциальному давлению, то есть в 5 раз меньше, чем могло бы раствориться, если бы атмосфера Земли состояла из одного кислорода. Вот почему при 15 градусах в 1 литре воды пресноводных водоемов будет растворено не 34, а только 7 миллилитров кислорода. Итак, в 1 литре воды в природных водоемах Земли может раствориться следующее количество миллилитров кислорода:

Днем, при ясном небе, когда планктонные растения в процессе фотосинтеза выделяют много кислорода, его содержание в воде может оказаться чуть выше. Зато ночью, если в воде много живности, растворение, а главное, проникновение кислорода в глубину может не поспевать за расходом, и его реальное содержание окажется ниже расчетного.

Главный механизм распределения растворенных в воде газов – диффузия, то есть растекание вещества из места его сосредоточения во все стороны пространства. Сущность диффузии состоит в том, что молекулы любого вещества, если их концентрация велика, стремятся проникнуть туда, где их мало. Диффузия продолжается до тех пор, пока концентрация молекул этого вещества не станет везде одинаковой. Диффузия газов как в воде, так и в цитоплазме живых клеток, а также в межтканевых жидкостях происходит без специальных затрат энергии. Для распространения газов тонкие оболочки клеток и даже тонкие наружные покровы тела животных не являются серьезным препятствием. Газы легко проникают через эти преграды. Второй механизм распространения газов в жидкостях – перемещение самого растворителя, в том числе океанские течения и циркуляция крови.

Диффузия происходит с определенной скоростью, которая зависит от свойств растворителя и от характера молекул диффундирующего вещества. Чем они тяжелее, тем медленнее диффундируют. Молекула кислорода, состоящая из двух атомов (именно в виде двухатомных молекул кислород находится в земной атмосфере), значительно легче молекулы углекислого газа, а их диффузия осуществляется скорее.

Мелкие примитивные животные не имеют специальных органов для извлечения кислорода из воды и кровеносной системы для доставки его в различные уголки своего тела. Они довольствуются тем количеством газа, которое в силу простой диффузии проникает в их организм и равномерно по нему распространяется. Возможность обеспечить кислородом все «уголки» организма лимитируется длиной пути, который должен пройти газ. Для того чтобы путем диффузии обеспечить организм кислородом, его концентрация у наружной поверхности живого существа должна быть достаточно велика, а само животное иметь небольшие размеры. В противном случае кислород в глубь организма не поступит, так как он еще в пути будет полностью израсходован.

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.

Легкие у подданных Посейдона не пользуются популярностью. Так называют органы, имеющие вид углубления или впячивания внутрь тела и рабочую поверхность на внутренних стенках полости. Чаще всего она имеет очень сложную конфигурацию, образуя бесчисленное множество альвеол. Неправильно думать, что легкие предназначены для извлечения кислорода лишь из воздуха, хотя чаще всего именно этим они и занимаются.

Голотурии пользуются легкими, представляющими собою пару длинных разветвленных каналов, лежащих справа и слева от клоаки. От нее они и берут начало, а своими слепыми концами почти дотягиваются до переднего полюса тела. Из правого кислород поступает в полостную жидкость и разносится по всему телу. Левое легкое покрыто густой сетью кровеносных сосудов, и добытый с его помощью кислород разносится током крови.

Благодаря слаженной деятельности мышц легкие голотурий то заполняются водою, то опорожняются. К сожалению, вязкость воды значительно выше, чем воздуха, поэтому заполнение всех закоулков легких водой и последующее освобождение от нее требуют значительных энергетических затрат. Это серьезно снижает эффективность работы легких. Вот почему подданные Посейдона отдают предпочтение жабрам.

Морские млекопитающие – сирены, тюлени и киты пользуются воздушными легкими. Извлекать кислород непосредственно из воды они не могут, тем не менее совершают в царство Посейдона продолжительные экскурсии. Хочу заверить читателя, что добиться этого было нелегко. Сравните способности человека, позволяющие ему находиться под водой от силы 2,5 минуты, с достижениями морских млекопитающих. Продолжительность подводных прогулок, то есть время от одного всплытия до другого, у обыкновенного тюленя достигает 15, у кита‑полосатика – 30 минут, у кашалота – 1,5 часа, а у кита‑бутылконоса – 2 часов. Продолжительные погружения возможны благодаря тому, что эти животные умеют делать значительные запасы кислорода, научились его экономить и даже способны некоторое время обходиться совсем без него.

У морских млекопитающих большие легкие, и они умеют ими пользоваться. Если человек при обычном дыхании заполняет воздухом около 20 процентов объема легких, то дельфины используют 80. Это не значит, что, ныряя, они стараются унести с собой как можно больше воздуха. Напротив, некоторые киты, обыкновенные тюлени, морские слоны и тюлени Уэдделла, собираясь нырять, освобождают легкие. Запасать воздух невыгодно, в нем всего 20 процентов кислорода, остальные газы животным не нужны и могут только затруднить погружение.

Морские млекопитающие запасают чистый кислород и хранят его в химически связанном виде, используя для этого особый консервант. Когда возникла необходимость в создании транспортной системы, способной взять на себя доставку кислорода, энергетических и строительных материалов, а также других веществ, необходимых для жизнедеятельности организма, выяснилось, что без него или, точнее, без газовых баллонов не обойтись, так как в 1 миллилитре кровяной плазмы или межтканевой жидкости, которая у примитивных животных заменяет кровь, может раствориться всего 0,003 миллилитра кислорода. Представляете, сколько потребовалось бы крови, какой толщины должны быть кровеносные сосуды и какая мощность необходима сердцу, чтобы обеспечить ткани тела кислородом?

Кислородные баллоны – это особые белки – глобины, находящиеся в соединении с металлсодержащими пигментами. Морские черви полихеты в качестве баллонов используют зеленые молекулы железосодержащего белка хлорокруорина. (Вот почему их кровь зеленого цвета.) К нему легко присоединяется кислород: каждый атом железа удерживает два атома кислорода. С помощью хлорокруорина кровь полихет переносит кислорода в 10 раз больше, чем смогла бы перенести без него.

Однако такие баллоны неудобны. Дело в том, что клетки тела интересуются не только содержащимся в них кислородом, но норовят использовать для собственных нужд и сами баллоны. Они рассматривают их как отличный металлолом, вполне годящийся в «переплавку» для последующего использования в строительных конструкциях.

Единственный способ предотвратить расхитительство – строить большие «цистерны», то есть очень крупные молекулы белка – переносчика кислорода, состоящие из сотен тысяч атомов. Они не могут пролезть сквозь поры стенок кровеносных сосудов, поэтому на другие нужды организма их использовать трудно. Однако большие цистерны иметь нерационально, ибо их размер растет, так сказать, за счет утолщения стенок, а вместимость остается прежней. Громоздкие, но невместительные баллоны нерентабельны.

Большинство животных перешло на небольшие, но вместительные кислородные баллоны, в которых в обратном направлении можно перевозить углекислый газ. В качестве тары используются гемоглобины. Молекула глобина взрослого человека состоит из четырех полипептидных цепей. Две альфа‑цепи содержат по 141 аминокислотному остатку, а две бета‑цепи по 146. Эти цепи спирально закручены и в образованных ими карманах удерживают небелковую часть молекулы – гем. Его основой служит структура из четырех пятичленных порфириновых колец, в центре которых расположен атом железа.

Гемы работают согласованно, являясь как бы членами одного кооператива. Пока «баллон» еще не начал заполняться кислородом, атом железа в альфа‑цепях выступает из плоскости порфиринового кольца. Это облегчает присоединение кислорода. Затем атом железа втягивается в плоскость порфиринового кольца, что видоизменяет конфигурацию всего гема и тем облегчает связывание других атомов кислорода. Поэтому они вступают в связь с гемоглобином значительно легче, особенно четвертый, присоединяющийся к железу в 500 раз быстрее первого. Точно так же происходит разгрузка «баллонов». Отсоединение первого атома кислорода требует некоторых усилий, зато остальные «отваливаются» практически сами собой.

Описанные здесь дыхательные белки – отличные переносчики кислорода. Например, каждая молекула хлорокруорина оснащена 80 гемами. О гемоглобине и говорить нечего. Однако морские животные используют и другие пигменты. Сипункулиды, донные червеобразные существа, и плеченогие, живущие в раковинах, низшие черви приапулиды, не избегающие глубоководья, где сооружают для себя норки в плотных песчаных грунтах, и некоторые кольчатые черви используют железосодержащие пигменты – гемоэритрины, в окисленном состоянии имеющие пурпурно‑розовый цвет. Два атома железа этих пигментов удерживают одну молекулу кислорода, меньше, чем железо гемоглобина. Зато железа в них в три раза больше, чем в пигментах позвоночных.

Моллюски и высшие ракообразные – креветки, лангусты, омары используют медьсодержащий белок гемоцианин. У норвежских омаров гемоцианин составляет 88 процентов всех белков крови. Два атома меди этого пигмента способны удержать одну молекулу кислорода. Окисленный гемоцианин имеет синий цвет. Это он придает крови ракообразных «благородный» голубой оттенок. В царстве Посейдона меди совсем немного, всего 1 миллиграмм на 100 литров морской воды. В крови животных, пользующихся гемоцианином, меди в тысячу раз больше – 1 миллиграмм на 100 миллилитров крови. Видимо, скопить столько цветных металлов нелегко, и животные бережно относятся к своему богатству. Если моллюск голодает, и гемоцианин используется как энергетический материал, то есть «сжигается», медь не выбрасывается в шлаках на свалку, а отправляется на внутренние склады.

Иногда животные пользуются несколькими типами дыхательных белков, обладающих неодинаковым сродством к кислороду. У кеты два вида гемоглобинов. Один предназначен для использования в богатой кислородом холодной воде горных ручьев и рек, другой – для дыхания в морской воде. Сипункулиды, живущие в подземных норках, но извлекающие кислород с помощью торчащих наружу щупалец, пользуются двумя гемоэритринами. Пигменту, циркулирующему в сосудах щупалец и извлекающему кислород из окружающей воды, нет нужды обладать большим сродством к кислороду. А вот гемоэритрину целомической жидкости это необходимо, чтобы отбирать из крови весь принесенный ею кислород и передавать его тем органам, до которых сосуды не дотягиваются.

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.

Морским млекопитающим кессонная болезнь не грозит. Они уносят в легких совсем немного азота и в отличие от водолазов эти запасы не возобновляют. У них нет возможности перенасытить свои ткани азотом. Кроме того, во время погружения азот из легких в кровь вообще не поступает. У китов уже на глубине 100 метров давление воды должно сильно сжать легкие и выдавить оттуда весь воздух, объем которого под воздействием высокого давления уменьшился в десять раз, в большую трахею, защищенную от сжатия костными кольцами. Кроме того, в результате перераспределения кровотока движение крови в легких прекращается, а это значит, что все пути проникновения азота в кровь оказываются перекрыты. В общем, в тканях тела у странствующих под водой животных не происходит накопления азота, а следовательно, нет и причин для возникновения кессонной болезни.

Жизнь на ощупь

Органы чувств, или рецепторы, как называют их ученые, должны сообщать своим владельцам обо всем, что творится в мире. Работа по приему, анализу, систематизации информации, отбору самой важнейшей и ее хранению является одним из главных и наиболее трудоемких видов мозговой деятельности. В этом отношении подданные Посейдона практически ничем не отличаются от других животных.

Другое дело – работа самих анализаторов. Обитатели океана, особенно живущие в толще воды, существуют в обедненной среде, в зоне информационного вакуума, где подолгу ничего не происходит, а значит, нечего и анализировать. В этом случае задача анализаторов упрощается: здесь трудно проморгать появление нового объекта или возникновение нового явления. Анализ полученной информации направлен на опознание каждого объекта или явления, установление его местоположения в пространстве и определение расстояния до этого объекта. Совершенно очевидно, что размер зоны действия анализаторов находится в соответствии с величиной животного.

Несмотря на значительные различия в характере поставляемой информации, принцип работы анализаторных систем имеет между собой много общего и сходен с характером их деятельности у наземных животных. Однако жизнь в толще воды вносит свои коррективы. Обитатели океана оснащены как самыми обычными анализаторами, встречающимися и у сухопутных животных, так и совершенно неожиданными, немыслимыми в воздушной среде.