Я познаю мир. Биология
Шрифт:
Недостаток кислорода случается в загнивающих водоемах. Мало остается кислорода к весне в воде прудов, покрытых льдом. Ничтожно мало кислорода в желудке и кишечнике позвоночных. Но и здесь живут существа, которым показалось тесно под солнцем. Среди них можно назвать личинок желудочного овода, живущих в пищеварительном тракте лошадей, и очень распространенных обитателей кишечника – аскарид и других глистов. Между тем такие животные, их называют анаэробами, живя в бескислородной среде или пользуясь ничтожными количествами кислорода, прекрасно себя чувствуют.
Как же анаэробам удается обходиться без кислорода? Когда–то этот вопрос считался неразрешимой загадкой. Теперь мы знаем, что без кислорода дело не обходится. Просто анаэробы получают
image l:href="#"
Аскарида человеческая (вверху самец, внизу самка)
Сущность дыхательных процессов анаэробов состоит в том, что они умеют окислять 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.
Для тех читателей, кто еще не овладел химией, объясню это на простом примере. Представьте себе, что вы варите суп и пробуете его, чтобы узнать, хорошо ли он посолен. Если вам показалось, что суп недосолен, ясно, что в него нужно подсыпать соли. А что делать, если соли под рукой нет? Самый простой способ – покипятить его подольше. Часть воды выкипит, и супа станет меньше, но вся соль, которую вы уже положили в суп, там и останется, и соленость супа возрастет. Аналогично протекает и бескислородное окисление: у молекулы органического вещества отнимается водород, при этом вещества становится меньше, а количество кислорода не уменьшается.
Процесс бескислородного окисления, позволяющий организму получать энергию, называют брожением. Наиболее известный вид брожения, которое встречается у одноклеточных, – спиртовое. Оно состоит в расщеплении молекулы глюкозы с образованием двух молекул этилового спирта и двух молекул углекислого газа.
У многоклеточных животных наиболее широкое распространение имеет молочнокислое брожение: расщепление молекулы сахара на две молекулы молочной кислоты, в которых содержится меньше энергии, чем в исходном веществе. Благодаря молочнокислому брожению караси могут довольно долго жить в воде, лишенной кислорода.
Зачем же понадобился процесс окисления, если его вполне может заменить брожение? Причин для этого немало, и они достаточно существенны. Брожение никогда не приводит к полному окислению веществ, и поэтому энергии выделяется мало.
Если мы полностью окислим одну грамм–молекулу глюкозы до углекислого газа и воды, то получим 673 килокалории. При брожении, в результате которого образуется этиловый спирт и углекислый газ, из того же количества выделится всего 25 килокалорий, то есть почти в 27 раз меньше. Следовательно, чтобы получить одинаковое количество энергии, анаэробам понадобилось бы в 27 раз больше глюкозы, чем ее расходуют животные, использующие кислород. Заметная разница, и природа не могла согласиться на такое расточительство.
Другая важная причина того, что брожение не получило широкого распространения, состоит 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.
Когда кислород в избытке
Как же сумели животные приспособиться к отсутствию кислорода? Оказывается, это было нетрудно. Когда на Земле возникла жизнь, свободного кислорода еще вообще не было, так что первые существа могли быть только анаэробами. Только когда какие–то бактерии (возможно, синезелёные) «изобрели» фотосинтез, кислород начал накапливаться в атмосфере, и когда его стало довольно много, животные научились полностью «сжигать» энергосодержащие продукты. При этом анаэробный тип дыхания не исчез, просто его роль сильно сократилась. Однако по–прежнему первые фазы
биологического окисления абсолютно у всех животных протекают без участия кислорода. Когда аэробным (то есть использующим атмосферный кислород) животным заблагорассудилось вновь переселиться в места, где кислорода взять неоткуда, им не нужно было «изобретать» брожение заново: достаточно было просто ограничиться частичным использованием энергии и вспомнить старые способы обезвреживания недоокисленных продуктов.Поскольку жизнь на нашей планете возникла в бескислородную эпоху, немудрено, 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 химик 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 дышали, неизбежно гибли.
Кислородными отравлениями заинтересовались неслучайно. Разобраться в этом вопросе было необходимо для налаживания водолазной службы. Ученым представлялось, что на больших глубинах водолазам безопаснее всего дышать чистым кислородом, так как это могло предохранить их от возникновения кессонной болезни.
Однако оказалось, что человек может находиться в атмосфере чистого кислорода лишь около суток. При более длительном использовании кислорода возникает пневмония и смерть, как ни странно, от асфиксии, недостатка кислорода в важнейших органах и тканях человека. При давлении, равном 2–3 атмосферам, человек может находиться в кислородной среде 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 кишечными паразитами – аскаридами, поселяющимися в кишечнике человека и наших любимцев – собак. Кислород, введенный на некоторое время в кишечник человека, опасности для него не представляет, но совершенно непереносим для паразита.
Излишек кислорода опасен не только для животных. Он оказывает вредное воздействие и на растения. Интересно, что атмосфера нашей планеты, которую растения насытили кислородом, в наше время для них неблагоприятна. Им маловато углекислого газа и, что еще удивительнее, слишком много кислорода. Как показали исследования, не только обычная концентрация, но даже наличие в газовой среде всего лишь двух процентов кислорода, десятой часть того, что обычно содержит атмосфера, заметно тормозит фотосинтез. Оказывается, растения создали сами для себя не совсем подходящую атмосферу. Будь кислорода меньше, они бы росли и развивались более интенсивно.
Временная консервация
Кому требуется больше пищи, слону или мышонку? Ясно, что слону. Однако, если мы захотим выяснить, сколько пищи нужно на единицу веса едока, то результат получится совсем не такой. Полевка, землеройка, крот, синица–московка за день съедают количество пищи, составляющее 50% от массы их тела. Масса пищи, съедаемой за день кошкой, составляет 5–6% массы ее тела, а слоном – 1,5–2,5%. Это неудивительно. Мелкие животные быстро остывают. Хотя у них маленькое тело, его поверхность, через которую они отдают свое тепло, велика. На уроках математики вы узнаете, что при увеличении массы тела (а следовательно, и его объема) в 8 раз, площадь поверхности тела увеличится лишь в 4 раза.