Как тюлени дышат под водой
Млекопитающие, живущие в воде, не обладают более существенным отношением объёма лёгких к размеру тела, чем млекопитающие, которые живут на суше, однако они могут погружаться под воду на длительное время, задерживая дыхание, поскольку выработали альтернативные механизмы увеличения количества вдыхаемого кислорода. В данной статье рассматриваются некоторые из этих механизмов.
В отличие от своих сухопутных собратьев, способных совершать погружения, тюлени, морские львы и киты погружаются на задержке дыхания из практических соображений — например, для поиска пищи или спасения от хищников. Как и в случае с животными, обитающими на суше, эти погружения сопровождаются физиологическими изменениями, требующими определённой адаптации.
Масштабы такой адаптации выражены сильнее, чем даже те, которые наблюдаются у самых выдающихся фридайверов из числа людей. Эта способность к повышенной адаптации даёт частичное объяснение глубины и продолжительности погружений, выполняемых такими млекопитающими. Например, существующий рекорд в дисциплине «без ограничений», составляющий 163 метра, — это относительно небольшая глубина по сравнению с глубинами, на которые опускаются бутылконосы. Использование средств, фиксирующих время и глубину погружения, а также акустических приёмопередатчиков позволило отследить погружение этих китов на глубину до 1450 метров. Для сравнения, северный морской слон погружается на глубину до 1500 метров, хотя следует отметить, что погружение на такие глубины не является нормой для этих животных.
Возможно, самым эффективным физиологическим «снаряжением» обладает новозеландский морской лев — млекопитающее, способное совершать более длительные погружения, чем любой другой вид, обычно опускаясь до 120-метровой глубины (наибольшая зафиксированная глубина составила 474 метра) и легко оставаясь на такой глубине в течение пяти минут. Хотя такая глубина и продолжительность погружений доступна и другим морским млекопитающим, этих животных выделяет среди других манера их погружений, поскольку они ныряют под воду практически беспрерывно. Для фридайверов интерес представляет тот факт, что почти половина погружений, выполняемых этим морским львом, превышает его теоретический аэробный порог ныряния (АПН, см. ниже).
Вычисление аэробного порога ныряния
В теории, если фридайвер начинает погружение с полным объёмом лёгких (ПОЛ), максимальную теоретическую глубину можно рассчитать по отношению ПОЛ к остаточному объёму лёгких (ООЛ). На основе этих расчётов можно предсказать максимальную «теоретическую глубину» или «точку прекращения погружения», которой может достичь Пипин Феррерас (Pipin Ferreras) — дайвер, ПОЛ которого равен 9,6 л, а ООЛ составляет 2,2 л. Применив закон Бойля-Мариотта, можно установить, что безопасный порог компрессии для Феррераса составляет около 4,4 атмосферы (при абсолютном давлении), что соответствует глубине в 34 метра. К счастью, в спортивном фридайвинге спортсмены обращают мало внимания на законы физики, поэтому Феррерас совершил погружение на 128 метров глубже его теоретической максимальной глубины. Очевидно, что существуют механизмы погружений, позволяющие фридайверам и тюленям обходить эти законы.
Для фридайверов, желающих вычислить свой теоретический порог глубины, есть следующая формула (только для практического применения).
Оценка остаточного объёма (ООЛ) лёгких в зависимости от возраста, роста и массы тела.
Во фридайвинге ООЛ влияет на глубину, которой может достичь фридайвер, не испытывая проблем, связанных со «сдавливанием груди». Обычно отношение ПОЛ к ООЛ на поверхности определяет максимальную глубину погружения, при которой спортсмен не будет испытывать сдавливание грудной клетки. Одни из способов установить свой ООЛ — это выполнить следующие вычисления.
Уравнения для вычисления ООЛ
Переменные: возраст (лет), рост (см), вес (кг).
Нормальный вес – мужчины:
ООЛ (л) = (0,022 x Возраст) + (0,0198 x Рост) – (0,015 x Вес) – 1,54
Нормальный вес – женщины:
ООЛ (л) = (0,007 x Возраст) + (0,0268 x Рост) – 3,42
Механизмы, при помощи которых «животные-дайверы» разрешают противоречие между потребностью в энергии во время погружения и сохранением ограниченных запасов кислорода, сходны с теми, с которыми сталкиваются фридайверы, живущие на суше, и до конца не изучены. Однако в распоряжении наших морских собратьев совершенно точно есть некоторые физиологические преимущества.
Например, максимальное время погружения тюленя не определяется только его способностью сохранять кислород, поскольку тюлени могут действовать в анаэробном режиме. Однако аэробный обмен веществ предпочтительнее анаэробного, поскольку он значительно эффективнее. Снижение интенсивности обмена веществ позволяет тюленям увеличить количество времени, в течение которого они поддерживают аэробное дыхание во время погружения, поскольку это позволяет экономнее расходовать запасы кислорода. Кроме того, посредством выборочной перфузии тканей тюлени способны увеличивать продолжительность сохранения запасов кислорода. Момент, в который тюленю или другому животному, совершающему погружения, нужно вынырнуть и вдохнуть кислород или переключиться на анаэробное дыхание, называется АПН. Уровень солей молочной кислоты в крови начинает повышаться сверх значений состояния покоя после достижения АПН и приводит к возникновению чувства жжения в мышцах.
Так как же тюлени действуют в анаэробном режиме? В отличие от тканей человека, ткани тюленей значительно легче переносят три фактора асфиксии: недостаток кислорода, высокий уровень двуокиси углерода и низкий уровень pH. Недостаток кислорода вызывается его потреблением при аэробном дыхании, двуокись углерода — это отходы жизнедеятельности мышц, а низкий уровень pH — это результат выделения молочной кислоты при анаэробном дыхании. Способность легко переносить эти три фактора позволяет тюленю действовать в анаэробном режиме после исчерпания запасов кислорода.
Длительные погружения обычно вынуждают тюленей превышать АПН и прибегать к анаэробному дыханию. Экспериментально это было установлено путём забора крови: увеличение уровня солей молочной кислоты в крови свидетельствовало о том, что тюлень использовал анаэробное дыхание. Тюлени используют разные способы ныряния, чтобы избавиться от остатков молочной кислоты, которая скапливается при анаэробном погружении. Например, время восстановления после погружения у тюленей Уэддела различается в зависимости от продолжительности времени, проведённого под водой. После нескольких длительных (около 20 минут каждое) погружений эти тюлени выполняют серию коротких аэробных ныряний, что позволяет постепенно удалить из крови накопившиеся соли молочной кислоты.
Ещё одна стратегия, применяемая тюленями, морскими львами и китами при запасании кислорода, — это достижение энергетической эффективности. Как можно ожидать, глубина погружения и, соответственно, пройденное расстояние влияют на количество времени, остающееся для плавного скольжения, которое является основным способом сохранения кислорода, применяемым морскими млекопитающими. Количество времени, затраченного на плавное скольжение во время погружения, значительно и нелинейно увеличивается с глубиной погружения и выражается в существенной экономии энергии с точки зрения использования кислорода.
Ещё один механизм, используемый тюленями, — это способ хранения ими кислорода. Тюлени не используют для хранения кислорода свои лёгкие. Как видно на графике, во время погружения в лёгких тюленя находится значительно меньше кислорода, чем в лёгких человека. При погружении тюлень не может хранить кислород в лёгких из-за серьёзного риска возникновения декомпрессионной болезни при всплытии.
График: Расположение запасов кислорода
Фиолетовый — тюлень, сиреневый — человек.
Так как же тюлень запасает кислород? Ответ находится в крови и тканях.
Кровь тюленя обладает лучшей способностью переносить кислород, чем кровь человека, отчасти благодаря большему объёму крови у тюленей, а частично из-за более высокого гематокрита (концентрации гемоглобина). Поскольку в теле тюленя больше крови, у него больше и красных кровяных телец (эритроцитов). Большее количество эритроцитов приводит к более высокому содержанию гемоглобина — кровяного пигмента, который содержится в эритроцитах и переносит кислород. Однако эритроциты тюленя отличаются меньшим содержанием воды, чем эритроциты сухопутных млекопитающих, поэтому даже на клеточном уровне это животное создано для запасания большего количества кислорода — этим объясняется его более высокий гематокрит. Конечно, содержание эритроцитов в крови ограничено, поскольку, как мы знаем, если их слишком много, то кровь становится слишком густой для нормальной работы сердца. Однако морские млекопитающие обходят это ограничение, прибегая к дополнительным методам хранения кислорода для последующего использования.
Один из таких способов — это использование миоглобина, то есть соединения, которое содержится в мышцах и связывает кислород. На самом деле миоглобин имеет столь высокую концентрацию в мышцах тюленя, что под микроскопом он почти чёрного цвета! У людей также есть миоглобин, но, к сожалению для фридайверов, его способность хранить кислород намного меньше, чем у тюленей.
Содержание миоглобина у морских млекопитающих
Вид / Миоглобин (г/100 г)
Северный морской котик — 3,5
Кашалот — 5,0
Тюлень Уэддела — 5,4
Полосатый тюлень — 8,1
Помимо всего прочего, морские млекопитающие способны хранить кислород в тех тканях тела, в которых не может человек, что даёт им возможность хранить больше кислорода. Особенно это касается селезёнки. Механизм хранения кислорода в селезёнке схож с тем, который использует человек, однако кислородная вместимость селезёнки морских млекопитающих значительно больше, чем у человека.
Источник
Почему тюлени могут долго находиться под водой?
Подводная среда враждебна к млекопитающим. Без акваланга человек может продержаться под водой не более шести минут, тогда как некоторые тюлени могут погружаться на период до получаса.
Кессонная (декомпрессионная) болезнь (известная как болезнь водолазов), вызывающая потерю сознания на глубине 100 м, отравление кислородом, вызывающее конвульсии, сильная гипоксия, из-за которой темнеет в глазах — все это проблемы, связанные с погружением на большую глубину. Чтобы избежать этих опасностей, тюлени прошли долгое эволюционное развитие и выработали целый ряд совершенных приспособлений.
Многие млекопитающие кормятся в воде или около нее, но только два отряда — китообразные и сирены — приспособлены полностью к водному образу жизни. Тюлени, морские котики и морские львы, принадлежащие к отряду ластоногих, большую часть своей жизни проводит в воде, лишь на короткий срок покидая ее.
Итак, все эти животные хорошо приспособлены к подводной жизни, но, оставаясь воздуходышащими, они вынуждены возвращаться к поверхности воды, чтобы пополнить запас кислорода.
Первым шагом для ныряющих тюленей стало выдыхание большей части воздуха из легких. После погружения под давлением воды легкие сжимаются, и воздух выталкивается в бронхи, а затем выходит через рот и нос. Этот механизм сжатия легких приводит к тому, что на глубине около 60 м в теле животного не остается свободного газа, что помогает избежать воздушной эмболии — явления, когда пузырьки свободного газа под давлением на большой глубине растворяются в крови, а при поднятии на поверхность вскипают в сосудах ныряльщика.
На первый взгляд, идея сжатия легких — не самая удачная. Но эта способность стала необходимой для тюленей, ныряющих на значительную глубину. Когда легкие сжимаются, длительность погружения зависит от количества кислорода, запасенного в теле.
Ныряя, все млекопитающие нуждается в запасе кислорода, поскольку обмен веществ не прекращается во время погружения. Их кровеносная система хорошо приспособлена к тому, чтобы снабжение мозга кислородом не прекращалось. Кровь тюленей содержит большое количество красных кровяных телец и много гемоглобина, который связывает кислород и разносит его по всему телу. Значительную часть кислорода тюлени запасают в мышцах, используя миоглобин (кислородосвязывающий белок).
Другая ключевая адаптация — это ограничение потребляющих кислород тканей путем уменьшения или остановки циркуляции крови в конечностях и органах, не имеющих жизненно важных функций. Этот эффект достигается путем сжатия кровеносных сосудов и снижения частоты сердечных сокращений. В некоторых случаях сердце во время погружения совершает до 4 ударов в минуту вместо обычных 60-80. У беременных самок даже сердечный ритм эмбрионов замедляется одновременно с материнским.
Все эти физиологические изменения позволяют млекопитающим совершать экстраординарные погружения. Чемпионами считаются морские слоны, хотя их достижения меркнут перед способностями клюворылов и кашалотов. Самцы морских слонов ныряют в среднем на 30-40 минут, восстанавливая кислородный дефицит за пару минут на поверхности воды. В море, где они проводят 10 месяцев в году, 90% времени морской слон находится под водой. При необходимости он увеличивает длительность погружения до часа, что позволяет ему ловить рыбу на значительной глубине. Обычно морские слоны кормятся в 300-600 метрах от поверхности воды, но в случае необходимости они опускаются на глубину около 900 метров.
Ныряя на длительное время, тюлени нуждается в продолжительном отдыхе: 45 минут, проведенные под водой, требуют отдыха в течение часа на поверхности. Однако морские слоны способны совершать несколько погружений подряд, отдыхая на воздухе всего пару минут.
Морским слоном помогает значительная масса, позволяющая снизить метаболические затраты при нырянии в расчете на единицу массы. Поскольку количество запасаемого кислорода напрямую зависит от массы, у крупных млекопитающих запас больше как в абсолютных величинах, так и относительно к их потребностям. Но даже самцы морских котиков, чья масса тела сравнима с массой собаки, способны погружаться на глубину свыше 200 метров более чем на 5 минут.
Ученые долго спорили о том, каким образом животные, чья анатомия и физиология столь схожи с таковой у большинства наземных млекопитающих, могут совершать такие длительные погружения. Ныряющие млекопитающие использовали всю пластичность своего строения, позволившую им получить доступ к богатым кормовым ресурсам океана. Предел их возможностей определяется в основном количеством кислорода, которое можно запасти в теле. Кроме того, мы знаем, что некоторые животные обладают режимом анаэробного метаболизма, который зависит от окислительно-восстановительных буферных свойств крови и мышц в условиях быстрого накопления молочной кислоты как продукта такого метаболизма.
Морские млекопитающие более устойчивы к высоким концентрациям молочной кислоты, чем люди. Анаэробный метаболизм в 18 раз мене эффективен, чем аэробный, и обычно требует длительного восстановительного периода, так что может быть использован только в крайнем случае. С другой стороны, он необходим, чтобы обеспечить ныряльщику доступ к богатым пищевым ресурсом, что уравновешивает относительно высокую энергетическую ценность процесса погружения в толщу воды.
Источник
