Занимательная физиология - Борис Сергеев

Очень распространенный обитатель кишечника млекопитающих животных — аскариды. Еще недавно считали, что они научились обходиться без кислорода. Однако, к удивлению ученых, в теле свиной аскариды было обнаружено два сорта гемоглобина, который сосредоточен в двух местах, в стенке тела и в парентеральной жидкости, заполняющей полость тела. Наружный гемоглобин в 2500, а внутренний даже в 10 000 раз медленнее расстается с захваченным кислородом, чем гемоглобин свиньи.

Для чего аскариде гемоглобин, если она может обходиться без кислорода? Теоретические расчеты показывают, что система из двух гемоглобинов с нарастающей жадностью к кислороду может быть идеальным его переносчиком, особенно в условиях значительного кислородного дефицита.

Еще более низко организованные животные, и в первую очередь бактерии, не имеют гемоглобина и поэтому не могут активно извлекать кислород из окружающей среды. Между тем судьба нередко забрасывает их туда, где кислорода ничтожно мало или он полностью отсутствует. Тем не менее эти существа прекрасно себя чувствуют, легко мирясь с отсутствием кислорода. Их называют анаэробными, то есть живущими без воздуха.

Как же удается анаэробам обходиться без кислорода? Еще сравнительно недавно этот вопрос казался неразрешимой загадкой. Теперь мы знаем, что без кислорода дело не обходится. Просто анаэробы получают его не из атмосферы, а из органических веществ, некоторые же бактерии умеют извлекать кислород даже из неорганических соединений, используя для этого нитриты и сульфиты.

Сущность дыхательных процессов анаэробов состоит в том, что они умеют окислить продукты обмена, не прибегая к помощи дополнительного кислорода, вполне довольствуясь тем количеством, которое уже содержится в окисляемом веществе. Ведь чтобы вещество окислилось, безразлично, прибавлять ли к нему кислород или отнимать водород.

Процесс окисления, когда отнимается водород, называют брожением. Брожение приводит к расщеплению органических веществ, в результате которого возникают окисленные и восстановленные вещества и высвобождается необходимая для организма энергия.

Наиболее известный вид брожения, которое встречается у одноклеточных, — расщепление молекулы глюкозы с образованием двух молекул этилового спирта (восстановленное вещество) и двух молекул углекислого газа (окисленное вещество).

У многоклеточных животных наиболее широкое распространение имеет молочнокислое брожение: расщепление углеводов, например молекулы сахара, на две молекулы молочной кислоты, в которых содержится меньше энергии, чем в исходном веществе. Расщепление углеводов происходит не сразу, а сопровождается целой серией реакций, в результате которых кислород, находящийся в молекуле сахара, у внутреннего атома углерода, переходит к внешнему, что и является причиной высвобождения энергии.

Существует и еще один способ окисления, путем отдачи электрона, но возможность использования его живыми организмами изучена еще плохо.

Почему же, если можно получать энергию путем брожения, у живых организмов возникла потребность в использовании атмосферного кислорода? Причин для этого немало, и они достаточно существенны. Брожение никогда не приводит к полному окислению вещества, и поэтому энергии выделяется мало. Если мы полностью окислим одну грамм-молекулу глюкозы до углекислого газа и воды, то получим 673 килокалории. При брожении же, в результате которого образуются этиловый спирт и углекислый газ, выделится всего 25 килокалорий, то есть почти в 27 раз меньше. Следовательно, чтобы получить одинаковое количество энергии, анаэробам приходится тратить в 27 раз больше глюкозы, чем ее расходуют аэробы. Заметная разница, природа не могла смириться с таким расточительством.

Другая важная причина в том, что в результате брожения образуются различные вредные для организма вещества: этиловый и бутиловый спирты, молочная и масляная кислоты, ацетон и многие другие. Освобождаться от них не так-то легко.

Нередко в процессе дыхания образуются горючие газы. Микроорганизмы часто выделяют водород. Так дышат микробы, живущие в кишечнике термитов. Среди многоклеточных животных особенно много водорода выделяют личинки некоторых мух. Кроме водорода, некоторые организмы могут выделять метан и другие еще пока неизвестные, в том числе и самовоспламеняющиеся, газы. Красочное зрелище представляет выход со дна водоемов скопившихся в иле газов, пузыри которых вспыхивают на поверхности воды голубоватым таинственным пламенем.

Как же сумели животные так резко изменить свой способ дыхания и приспособиться к отсутствию кислорода? Оказывается, это было не трудно. Когда на Земле возникла жизнь, свободного кислорода здесь было мало и первые живые существа вынуждены были стать анаэробами. Только когда кислорода в атмосфере стало много, животные научились полностью сжигать энергетические продукты. Анаэробный же тип дыхания не исчез, а, передаваясь по наследству из поколения в поколение, дошел до нас. Как уже говорилось в начале этой главы, абсолютно у всех животных первые фазы освобождения энергии протекают без участия кислорода. Когда аэробным животным заблагорассудилось вновь переселиться в места, где кислород взять неоткуда, им опять пришлось ограничиться частичным использованием энергии, заключенной в пищевых веществах, вспомнить старые способы обезвреживания недоокисленных продуктов.

Животный мир нашей планеты возник в эпоху, когда кислорода в атмосфере планеты было очень мало. Не мудрено, что живые организмы приспособились к его недостатку. Гораздо удивительнее, хотя мы этого обычно не замечаем, что животные, обитающие в условиях избытка кислорода, сумели сдерживать интенсивность окислительных процессов в организме, тушить всегда готовый вспыхнуть пожар.

Количество кислорода в окружающей среде постоянно, а если и меняется, то только в сторону уменьшения. Поэтому у животных есть разнообразные приспособления для борьбы с недостатком кислорода, но нет ничего, что могло бы их защитить от его избытка.

Впервые с возможностью кислородного отравления при использовании для дыхания чистого кислорода около ста лет назад столкнулся Бер. Это было для ученых так неожиданно, что ему не поверили. Возникло подозрение, что в использованном Бером кислороде содержались какие-то ядовитые примеси. Опыты были многократно повторены, но, как бы тщательно ни очищался кислород, животные, которые им длительно дышали, неизбежно гибли.

Кислородными отравлениями заинтересовались не случайно. Разобраться в этом вопросе было необходимо для налаживания водолазной службы. Человек может находиться в атмосфере чистого кислорода лишь около суток. При более длительном дыхании кислородом возникает пневмония и смерть, как ни странно, от асфиксии, недостатка кислорода в важнейших органах и тканях. При давлении, равном 2–3 атмосферам, человек может находиться не больше 1,5–2 часов, потом наступает кислородное опьянение, нарушение координации движений, нарушение внимания, потеря памяти. При давлении кислорода свыше 3 атмосфер очень быстро начинаются судороги, приводящие к смерти.

Для животных, живущих в условиях острого недостатка кислорода, он еще более ядовит. На этом основан способ борьбы с аскаридами, поселяющимися в кишечнике человека. Кислород, введенный в кишечник человека, опасности для него не представляет, но совершенно непереносим для паразита.

Излишек кислорода опасен не только животным. Он оказывается вредным и для растений. Интересно, что атмосфера нашей планеты, которую растения насытили кислородом, для них неблагоприятна. Им маловато углекислого газа и, что еще удивительнее, слишком много кислорода. Как показали недавние исследования, не только обычная концентрация, но даже всего лишь 2 процента кислорода в среде, десятая часть того, что содержит атмосфера, заметно тормозит фотосинтез. Оказывается, растения создали сами для себя совсем неподходящую атмосферу. Будь кислорода меньше, они росли бы и развивались более интенсивно.

Шлак и балласт

В операционной царила деловитая тишина. Молодой врач — практикант склонился над юной пациенткой. Все уже было готово к операции, ждали только сигнала хирурга.

— Давайте наркоз, — скомандовал высокий седеющий мужчина, не отходя от умывальника. — Я сейчас кончу мыться.

Операция предстояла несложная. Но лежать на операционном столе все-таки страшно; не удивительно, что, когда первая порция эфира достигла легких, больная испугалась, сделала попытку освободиться от маски. Сестре приходится удерживать ее, молодой врач невольно форсирует наркоз. Результат энергичного введения наркоза проявляется быстро. Проходит минута-другая, мышцы расслабляются, больная затихает. Но почему такая странная неподвижность? Больная не дышит! Теперь уж сам наркотизатор поспешно снимает с нее маску и начинает делать искусственное дыхание.