Жизнь океанских глубин
Шрифт:
Темпы хемосинтеза не зависят от климатических факторов среды. Зимой, когда дни на севере становятся короче, а тучи и туманы все чаще заслоняют бухту от солнца, доля хемосинтезированной пищи возрастает. Повышенная температура воды позволяет здешним обитателям поддерживать высокий уровень обмена веществ, быстрый рост и бурные темпы размножения, а два пути снабжения продуктами питания закладывают энергетическую основу всеобщего процветания.
Геотермальные воды — не единственный источник сероводорода. Наше безразличие к судьбам океана породило множество свалок на его дне, где сероводород образуется при разложении белковых веществ. Чаще всего его искусственные месторождения возникают в местах сброса сточных вод. Одно из таких мест расположено в Тихом океане у западных берегов Северной Америки. Сточными водами его снабжает Лос-Анджелес. Недавно зоологи обнаружили там своеобразных
Вторая особенность океанских мусорщиков — большие перистые жабры. Они не только успешно выполняют дыхательную функцию в бедной кислородом среде, но и дают возможность разместить на своей обширной территории цеха «химкомбината», где трудятся все те же серные бактерии. Жабры служат единственными поставщиками продовольствия. Кишечник у солемий отсутствует, и другими видами пищи они воспользоваться не в состоянии.
У обитателей глубоководных оазисов, в том числе у рыб активность большинства ферментов высока. Обмен веществ у них протекает значительно интенсивнее, чем принято среди глубоководных животных. Это лишний раз подтверждает, что не кромешный мрак, не холод и даже не высокое давление, а лишь бедность глубоководных районов пищевыми ресурсами служит единственной причиной низкого уровня обменных процессов и соответствующего склада жизни его обитателей.
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
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.
2
Слово «тургор» латинского происхождения. Оно означает «наполнение».
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.