Как водные млекопитающие дышат под водой

Средний объём лёгких человека составляет 2500 миллилитров. При спокойном вдохе поглощается 500 миллилитров воздуха, из которых 140 остаётся в так называемом «вредном пространстве», а 360 поступает в лёгкие. Значит, альвеолярный воздух вентилируется всего лишь на одну седьмую часть (360/2500).

Водные млекопитающие киты за одно дыхательное движение обновляют содержимое лёгких на 90 процентов! Подвижная грудная клетка, мощные дыхательные мускулы, развитая мускулатура в лёгочной ткани – всё это приспособлено для того, чтобы сделать глубокий выдох – вытолкнуть бесполезный, отдавший кислород воздух и как можно быстрее заменить его новой порцией чистого атмосферного воздуха. С каждым дыхательным движением в лёгкие кита поступает в 4-5 раз больше кислорода, чем в лёгкие человека.

Кашалот перед длительным погружением делает 60-70 вдохов; можно представить себе, как основательно он «заряжает» свой организм кислородом.

У водных млекопитающих повышена так называемая кислородная ёмкость крови. Известно, что кислород по организму разносит особый, содержащийся в красных кровяных тельцах (эритроцитах) пигмент – гемоглобин. Проходя через лёгкие, гемоглобин присоединяет кислород и в виде оксигемоглобина устремляется по артериям во все уголки организма.

Один грамм гемоглобина крови человека связывает 1,23 кубических сантиметра кислорода, а тюленя – 1,78. К этому надо добавить, что процесс связывания кислорода гемоглобином идёт у ныряющих млекопитающих очень быстро.

Водные млекопитающие отличаются экономным расходованием кислорода во время ныряния. Так, у обыкновенного тюленя расход кислорода в течение одной минуты после погружения снижался в 15 раз! Эта экономия обеспечивается различными способами. Замедляется обмен веществ в организме зверя, уменьшается количество вырабатываемого тепла, происходят резкие изменения в кровообращении и характере кровоснабжения различных тканей.

У морского льва, например, уже через 10 секунд после начала ныряния количество сокращений сердца падает от 130-140 до 30-40 в минуту, а у серого кита – со 100 до 10 ударов. Но особенно отличается в этом отношении нутрия. У неё частота сердцебиений при погружении в воду уменьшается с 216 до 4! Разница колоссальная. У северного морского слона частота сокращений сердца в конце 40 – минутного ныряния также падала до 4, но исходный уровень у этого вида гораздо ниже, чем у нутрии: 60 ударов в минуту.

Специальные измерения показали, что при нырянии давление крови в магистральных сосудах сохраняется в норме. Зато в малых артериях оно уменьшается до уровня венозного, а иногда и вовсе сходит на нет, то есть пульс перестаёт прощупываться.

Перераспределение кровопотока имеет огромнейшее значение для зверя. В любых условиях его головной мозг нормально омывается кровью, в достатке снабжается кислородом. Болезненно реагирует головной мозг на недостаток кислорода: 4-5 минут – и в нежных клетках наступают необратимые изменения. «Оживление» организма становится невозможным. Другие органы могут побыть и на голодной диете, они гораздо выносливее и неприхотливы.

Нервные клетки дыхательного центра животных находятся в передней трети продолговатого мозга. Водные млекопитающие очень чувствительны к концентрации углекислого газа в крови. Чуть содержание его превышает норму – дыхательный центр даёт «команду» усилить вентиляцию лёгких, увеличить приток кислорода, улучшить вывод углекислоты из крови. И здоровый организм выполняет эти команды, дыхание становится глубоким, нормальный состав газов крови восстанавливается. Но вот что удивительно – дыхательный центр головного мозга водных млекопитающих чрезвычайно устойчив к повышению концентрации в крови углекислого газа.

Поразмыслив, учёные поняли в чём суть дела: сохранение у этих зверей свойственной для наземных млекопитающих чувствительности к углекислоте могло позволить дыхательному центру сыграть злую шутку со своим хозяином – заставить его усилить «вентиляцию» лёгких в самый неподходящий момент, во время ныряния. Конечно, вдох под водой был бы для зверя последним…

Перераспределение кровяного потока, усиленное питание головного мозга, когда зверь находится под водой, — эти механизмы обнаружены не только у водных млекопитающих – они есть у бобра, ондатры и некоторых других зверей.

Гемоглобин есть не только в крови, но и в форме миоглобина присутствует в мышечной ткани животных. Миоглобин запасает кислород и отдаёт его по мере надобности. У водных млекопитающих этого пигмента очень много, у дельфинов, например, его столько же, сколько и гемоглобина. В мышцах сердца и головы дельфинов миоглобина в 4-5 раз больше, чем у кролика или морской свинки, а в спинных и брюшных мышцах – в 15 раз!

Учёные установили, что запас кислорода в организме человека составляет в среднем 2640 миллилитров, из них в лёгких – 900, в крови – 1160, тканевой жидкости – 245, в миоглобине – 335 миллилитров — одна седьмая часть общего запаса. У тюленя же из 5400 миллилитров кислорода миоглобин удерживает свыше 2500, то есть почти половину!

Итак, получить больше свежего воздуха, полнее использовать содержащийся в нём кислород, доставить тканям быстрее, лучше «выгрузить» его, создать резервы воздуха и кислорода при нырянии, экономнее расходовать драгоценный газ в погруженном состоянии, обеспечивать им в первую очередь жизненно важные центры – вот к чему сводятся, в сущности, все сложнейшие морфологические и физиологические приспособления, выработавшиеся у водных млекопитающих в процессе великого обратного пути с суши в воду.

Некоторые водные млекопитающие достигли высокой степени совершенства, другие же обладают менее яркими и полными приспособлениями, но принцип для всех общий. А это для нас главное.