Тепло наших тел, ч.1

Терморегуляция наше все

Жизнь есть способ существования белковых тел. Но чтобы это существование не перешло в процесс разложения кучки белковых молекул, мы должны дышать, питаться, и иметь возможность сбрасывать в окружающую среду продукты жизнедеятельности. Вещества, поступившие извне, преобразуются в нашем организме благодаря химическим реакциям. А сам обмен веществ между организмом и окружающей средой называется метаболизмом.

Для протекания реакций обмена веществ нужен хороший окислитель. Последние пару миллиардов лет на этой планете самым популярным окислителем является кислород. Другой важный фактор метаболизма – температура. От температуры зависит структура и агрегатное состояние веществ, из которых мы состоим. От нее же зависит работа биохимических реакций, что сужает наши возможности до жалкого диапазона температур чуть выше точки замерзания воды. Отсюда вытекает и потребность в постоянном источнике тепла. И он у нас есть!

Сами биохимические реакции являются «печкой», выделяющей тепло для нашего организма. Эта «печка» работает даже в периоды покоя, а уж во время активной деятельности кочегарит вовсю. Через покровы тела тепло выводится наружу и рассеивается в окружающей среде.

Если тепла тратится больше, чем производится – организм остывает, если меньше – перегревается. И то, и другое чревато выходом за пределы температурного оптимума с потерей жизнедеятельности. Необходимо соблюдать баланс между производством тепла и его отдачей, если мы хотим сохранить стабильность обмена веществ и хорошее самочувствие. А значит, необходимы механизмы, позволяющие контролировать температуру тела. Чтобы изучить разнообразие этих механизмов, мы обратимся к эволюционному опыту позвоночных животных.

Базовая комплектация

Эволюция позвоночных началась в океане и проходила там первые 150 млн лет, пока не появились амфибии. Для всего разнообразия рыб и сегодня водоемы являются единственным местом обитания. Не удивительно, что их метаболизм по умолчанию настроен на существование при тех параметрах окружающей среды, которые обеспечивает водная стихия. Итак, на что может рассчитывать обычная рыбёха, мирно эволюционирующая в ордовикских и силурийских морях.

Кислорода, растворенного в воде, не много, всего несколько миллиграмм на литр, но сравнивать особо не с чем. Зато точно известно, что содержание его нестабильно. В верхних слоях его больше, чем на глубине. В пресной воде его больше, чем в соленой. А в холодной воде больше, чем в теплой. Например, в современных водоемах содержание кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л.

За газообмен у рыб отвечают жабры. Двухкамерное сердце гонит кровь к жабрам, где часть углекислого газа удаляется, кислород из воды поглощается, и оттуда через спинную аорту с током крови разносится по организму. Больше кислорода – быстрее обмен веществ, выше активность, температура тела растет. Но вокруг вода. А у воды высокая теплопроводность. Поэтому с рыбьим невысоким метаболизмом температура тела быстро выравнивается до окружающей. С другой стороны, у воды и теплоемкость высокая, а значит не стоит опасаться серьезных перепадов температуры.

Закономерно, что в таких условиях сформировался тот тип терморегуляции, который нормальные люди называют «холоднокровностью», а ученые – «пойкилотермией». Переводится пойкилотермия как «переменчивое тепло» и обозначает… по сути отсутствие терморегуляции как таковой.

Действительно, контролировать температуру тела в относительно стабильной среде нет необходимости. А качественно повысить метаболизм, чтобы стать активнее – нет возможности. Из доступных апгрейдов: увеличение площади жаберных лепестков, и отращивание плавательного пузыря. Первое увеличивает потребление кислорода из воды. Второе дает возможность дышать атмосферным воздухом и облегчает плавучесть. Все, выше анатомии не прыгнешь. Или все-таки прыгнешь?

Выход из зоны комфорта

Стабильное существование в стабильной среде могло продолжаться очень долго, если бы не давление эволюции. К середине девона (около 390 млн лет назад) количество разнообразных хищников в прибрежных морях стало слишком велико. Уходя от выбора между «кого бы съесть на обед» и «как бы самому не стать обедом», рыбы стали заселять территории вне зоны комфорта: открытый океан и внутренние водоемы.

Главная опасность для рыбы в открытом море – утонуть. Будешь тяжелее воды, и уйдешь во тьму, туда, где нет еды, низкие температуры, кислорода мало (а иногда и вообще нет) и запредельное давление. Стратегию хрящевых рыб можно описать словами «плыви или сдохнешь». Им и так приходилось постоянно быть в движении, чтобы обеспечивать приток воды к жабрам. Не удивительно, что они быстро вышли на просторы морей. За ними потянулись и костные рыбы, имевшие преимущество – плавательный пузырь. Наполняя его газом, можно приобрести нейтральную плавучесть и не тратить силы. А ток воды к жабрам создавать движением жаберных крышек.

Во внутренних водоемах опасность иная – задохнуться. Мелководное, прогретое до дна озеро могло стать настоящей ловушкой в жаркий сезон: падение кислорода вызывало массовый замор рыбы. Но у нас же есть плавательный пузырь, помним? Плавательным он стал потом, а изначально это был вырост кишечника, в котором накапливался заглатываемый воздух. Постепенно вырост оформился в отдельный орган, оброс кровеносными сосудами, и у пресноводных кистеперых рыб сохранил соединение с глоткой. Получилось примитивное легкое.

Что было потом – мы знаем. Тиктаалик, резвящийся в грязи лаврентийских болот, превращение плавников в лапы, и первые шаги на берег. К концу девона возник новый класс позвоночных – амфибии, способные жить и в воде, и на суше.

На границе двух миров

Амфибии сохраняют пойкилотермный тип метаболизма, характерный для рыб. В воде этого достаточно. Но чтобы поддерживать даже такой невысокий уровень обмена веществ на суше, потребовались серьезные изменения анатомии.

В атмосфере содержится 21% кислорода, а в каменноугольном периоде его было еще больше – до 35%. В пересчете на мг/л это более чем в 20 раз превышает долю кислорода в воде. Надо только научиться его извлекать.

Жабры хороши в воде, когда ее поток обволакивает каждую тычинку. На суше они слипаются в комок и высыхают. Основным органом дыхания становятся легкие, которые у амфибий выглядят как два оплетенных сосудами мешочка. Для полноценного дыхания этого явно недостаточно, и в ход идет поверхность тела. Покрытая слизью кожа и ротовая полость участвуют в газообмене, насыщая кровь необходимым кислородом. Сердце теперь имеет три камеры, ведь появился легочный круг кровообращения. Обогащенная кислородом кровь поступает через предсердие в желудочек, где смешивается с венозной кровью от органов и уже в смешанном виде расходится по сосудам. Не идеал, но немного лучше, чем в рыбьем варианте.

Вот только условия окружающей среды на суше совсем не такие, как в воде. Главный минус воздуха – его низкая теплоемкость. Он быстро нагревается и также быстро остывает, что приводит к сильным перепадам температуры даже в течение суток. Быть холоднокровным в такой ситуации неудобно, как только наступает ночь или сезонное похолодание, твой метаболизм падает, тело становится вялым и слабым. Прыгать днем под палящим солнцем тоже некомфортно – высыхает кожа и начинаешь задыхаться, да и тепловой удар получить можно. Приходится держаться во влажных тенистых местах поближе к водоемам.

Зато у воздуха теплопроводность ниже, чем у воды, в 25 раз. Это значит, что нагретые поверхности остывают дольше. Чтобы подстегнуть свой обмен веществ, можно посидеть на нагретом лучами утреннего солнца камушке – и вот ты уже в состоянии слопать кого-нибудь из вялых, медлительных соседей. Правда, придется отказаться от влажной кожи и сменить ее на сухие, ороговевшие покровы. А чтобы компенсировать нехватку кислорода, нужно увеличить объем легких и частоту дыхания. Например, не заглатывать воздух ртом, а расширять грудную клетку движениями ребер.

Есть у амфибий и еще одна слабость, привязывающая их к воде: жизненный цикл. Как и рыбы, амфибии откладывают икру, из которой вылупляются личинки-головастики. Множество их погибает, став пищей разнообразных хищников. Чтобы сохранить потомство, лучше откладывать икру в укромных местах поближе к берегу. А слой клейкой слизи поможет защитить икру от высыхания. Со временем защитные оболочки икринок стали кожистыми, а сами икринки увеличились в размерах. Ведь теперь головастик оставался внутри, под защитой оболочки, и ему требовалось питание на время развития. Так, на 150 млн лет раньше всех птиц, появилось самое первое яйцо.

Эти важные изменения с амфибиями происходили в карбоне. А уже в пермском периоде суша, включая жаркие пустыни, была заселена первыми полностью наземными позвоночными – рептилиями. 


О том, что было дальше, читайте в следующей части статьи...