Борис Сергеев - Занимательная физиология
То же самое относится и к паукам. Подавляющее большинство из них — характерные наземные животные, дышащие при помощи особых легочных мешков. Тем замечательнее единственный в нашей фауне перебежчик в водную стихию из этого отряда животных — водяной паук серебрянка. Тело его покрыто мелким несмачиваемым пушком. Когда паук погружается в воду, к пушку пристают мельчайшие пузырьки воздуха, покрывая все тело сплошной воздушной оболочкой. В воде эта оболочка блестит, и паук становится похож на живой шарик ртути. Кроме того, выставляя из воды кончик брюшка, паук забирает более крупный пузырек воздуха и, придерживая его задними лапками, отправляется в царство Нептуна.
Среди водных растений паук натягивает нити своей паутины точно так же, как это делают его наземные сородичи. Сначала паутина имеет плоский вид. Но по мере того как паук переносит под нее пузырьки воздуха, она начинает выпячиваться, принимая форму наперстка. Получается миниатюрный кессон. В этом кессоне и проводит большую часть жизни паук. Здесь же самка откладывает яички, из которых выводятся молодые паучата.
Сходство с аквалангом и кессоном чисто внешнее. Происходящие здесь процессы гораздо сложнее. Пузырьки воздуха, которые несут на себе насекомые, с одной стороны, являются запасными резервуарами, а с другой — помогают извлекать кислород из окружающей воды. Это приспособление даже получило специальное название — физические легкие.
В воде, как известно, растворены все газы, входящие в состав воздуха, в количестве, пропорциональном их концентрации в атмосфере. По мере того как насекомое дышит, концентрация кислорода в воздушном пузырьке уменьшается, и, когда станет меньше 16 процентов, в воздушный пузырек начинается диффузия кислорода, растворенного в воде. Таким образом, запас кислорода в пузырьке все время пополняется.
Если расход кислорода небольшой, например когда насекомое находится в состоянии покоя, физическое легкое может обеспечить потребность в кислороде в течение неограниченно долгого времени. Если же расход кислорода велик, диффузия его из воды не может своевременно восполнять потерю, процентное содержание кислорода в воздушном пузырьке резко уменьшается, а процентное содержание остальных газов (и в первую очередь азота) повышается и делается значительно большим, чем это обычно бывает в воздухе. Поэтому азот начинает растворяться в воде. Объем воздушного пузырька уменьшается за счет расхода части кислорода на дыхание и растворения азота в воде, насекомое вынуждено всплывать на поверхность для пополнения своих запасов.
Количество воздуха, которое насекомое может унести на себе, невелико, и, если бы не происходило пополнения запасов кислорода из воды, его хватало бы очень ненадолго. Это отчетливо проявляется в тех случаях, когда диффузия газов невозможна. Например, если поместить плавунцов и гладышей в кипяченую воду, они вскоре погибнут, так как в кипяченой воде нет никаких растворенных газов и, следовательно, пополнять запасы кислорода неоткуда.
То же самое произойдет, если посадить этих насекомых в воду, в которой растворен только кислород, и в качестве запаса дать тот же кислород в чистом виде. Запаса хватит не больше чем на полчаса, так как в таких условиях диффузия идти тоже не будет. Обычно же гладыши могут находиться в воде, не пополняя запаса воздуха 6 часов. Так благодаря диффузии кислорода из воды в воздушный пузырек продолжительность пребывания насекомых в воде без возобновления запаса воздуха увеличивается во много раз.
Мелкие насекомые, расход кислорода у которых невелик, могут очень долго не пополнять запас воздуха. Причем, оказывается, они не так страдают от уменьшения запасов кислорода, как от убыли из воздушного пузырька азота. Если водяного клопа посадить в воду, насыщенную кислородом, предварительно тонкой кисточкой убрав под водой воздушные пузырьки и заменив их пузырьками из чистого азота, то насекомые долгое время будут чувствовать себя нормально, так как в пузырек азота очень скоро из воды выделится достаточное для дыхания количество кислорода.
Некоторые насекомые не могут сами всплывать на поверхность за возобновлением запасов воздуха. На тюленях паразитирует несколько родственных между собой видов вшей, которые никогда не покидают своего хозяина и поэтому пополнять запасы воздуха могут только тогда, когда тюлень выходит из воды. В связи с этим они в разной степени приспособлены для длительного пребывания в воде. У видов, живущих на теле тюленя, грудь и брюшко покрыто широкими чешуйками, позволяющими удерживать большое количество воздуха. У видов, живущих только на голове тюленя, таких чешуек нет. Но им и не нужен большой запас, так как тюлень сам дышит воздухом и поэтому очень часто высовывает из воды голову.
Физическими легкими пользуется икра лабиринтовых рыб, для которой родителям приходится сооружать специальную постройку, так называемое гнездо. Оно строится из пузырьков воздуха, заключенных в слюнообразную жидкость. Окруженная лишь тонкой пленкой жидкости, икра, плавая среди воздушных пузырьков, получает достаточное количество кислорода. Убыль кислорода пополняется из воздуха.
Полиакант, живущий в более богатой кислородом среде, строит свои гнезда не на поверхности, а где-нибудь под широким листом подводного растения, под камнем или корягой. Раз в воде есть кислород, физические легкие будут работать и на глубине. Интересно, что полиакант строит свое гнездо в любое время года, а не только в период размножения и пользуется им сам, дыша воздухом из гнезда. Это позволяет рыбе не подниматься на поверхность, где может подстерегать опасность, а оставаться у дна в густых зарослях растений, в завалах коряг. Полиакант забирает из своих кладовых воздух, богатый кислородом, а взамен для обогащения кислородом и очистки от углекислоты возвращает пузырек азота с примесью углекислого газа. Только когда в гнезде станет мало азота, полиакант поднимается на поверхность, чтобы пополнить свои запасы.
В поисках кислорода
Наша планета очень богата кислородом. Видимо, эта доступность объясняет, почему животные не научились запасать его в достаточно больших количествах. Только очень немногие обитатели Земли способны делать существенные запасы кислорода, зато по мелочам запасают довольно часто.
Кровь находится в капиллярах альвеол всего две секунды, но этого вполне достаточно, чтобы установилось кислородное равновесие между воздухом альвеол и кровью. Однако какое ничтожное количество кислорода может при этом раствориться в крови! Всего-навсего 0,003 кубического сантиметра в кубическом сантиметре плазмы крови. Чтобы обеспечить животное необходимым количеством кислорода, при этом способе снабжения пришлось бы почти в 100 раз увеличить объем легких и количество протекающей по ним крови. Совершенно ясно, что осуществить подобный проект оказалось очень трудно.
Природа пошла по другому пути, снабдив кровь веществом, которое легко вступает в реакцию с кислородом и, таким образом, удерживает его в гораздо больших количествах, чем он мог бы содержаться в простом растворе. Чтобы ткани тела смогли воспользоваться запасенным кислородом, это вещество должно при необходимости очень легко с ним расставаться. Таким веществом является гемоглобин. Он обладает обоими, совершенно необходимыми для дыхания свойствами. Когда кровь оказывается в легких, где кислорода много, гемоглобин немедленно вступает в контакт с кислородом. Благодаря этому кубический сантиметр крови уносит с собой 0,2 кубического сантиметра кислорода, то есть 20 процентов от объема крови, и затем отдает его тканям тела.
Более мощные запасы кислорода потребовались отдельным органам, главным образом мышцам. В организме многие мышцы работают ритмично по нескольку часов подряд. Это мышцы ног, крыльев, жевательные, а дыхательные и мышца сердца никогда не прерывают своей работы. Оказалось, что на ходу снабжать их кислородом практически невозможно. Когда мышца сокращается, сосуды в ней пережимаются, и кровь по ним следовать не может.
В это время мышца дышит за счет запасов кислорода, созданных с помощью особого мышечного гемоглобина. Он очень похож на гемоглобин крови. Единственное существенное отличие в том, что мышечный гемоглобин гораздо легче захватывает кислород и более крепко его держит, отдавая только тогда, когда в окружающей среде кислорода станет совсем уж мало. В сердечной мышце теплокровных содержится 0,5 процента мышечного гемоглобина, что позволяет на каждый грамм мышцы запасать 2 кубических сантиметра кислорода. Вполне достаточное количество, чтобы обеспечить нормальную работу мышцы в момент прекращения кровотока.
Водные млекопитающие и водоплавающие птицы, которым приходится подолгу находиться под водой, превратили мышцы, в первую очередь самые важные, в еще более мощные склады кислорода, насытив их большим количеством мышечного гемоглобина. Это дает возможность кашалотам на 30–50 минут погружаться в воду и проплывать за это время большие расстояния. Еще дольше — 1,5–2 часа может находиться под водой аллигатор.
