Занимательная физиология

Сущность дыхательных процессов анаэробов состоит в том, что они умеют окислить 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.

Процесс окисления, когда отнимается водород, называют брожением. Брожение приводит к расщеплению органических веществ, в результате которого возникают окисленные и восстановленные вещества и высвобождается необходимая для организма энергия.

Наиболее известный вид брожения, которое встречается у одноклеточных, – расщепление молекулы глюкозы с образованием двух молекул этилового спирта (восстановленное вещество) и двух молекул углекислого газа (окисленное вещество).

У многоклеточных животных наиболее широкое распространение имеет молочнокислое брожение: расщепление углеводов, например молекулы сахара, на две молекулы молочной кислоты, в которых содержится меньше энергии, чем в исходном веществе. Расщепление углеводов происходит не сразу, а сопровождается целой серией реакций, в результате которых кислород, находящийся в молекуле сахара, у внутреннего атома углерода, переходит к внешнему, что и является причиной высвобождения энергии.

Существует и еще один способ окисления, путем отдачи электрона, но возможность использования его живыми организмами изучена еще плохо.

Почему же, если можно получать энергию путем брожения, у живых организмов возникла потребность в использовании атмосферного кислорода? Причин для этого немало, и они достаточно существенны. Брожение никогда не приводит к полному окислению вещества, и поэтому энергии выделяется мало. Если мы полностью окислим одну грамм-молекулу глюкозы до углекислого газа и воды, то получим 673 килокалории. При брожении же, в результате которого образуются этиловый спирт и углекислый газ, выделится всего 25 килокалорий, то есть почти в 27 раз меньше. Следовательно, чтобы получить одинаковое количество энергии, анаэробам приходится тратить в 27 раз больше глюкозы, чем ее расходуют аэробы. Заметная разница, природа не могла смириться с таким расточительством.

Другая важная причина 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.

Нередко в процессе дыхания образуются горючие газы. Микроорганизмы часто выделяют водород. Так дышат микробы, живущие в кишечнике термитов. Среди многоклеточных животных особенно много водорода выделяют личинки некоторых мух. Кроме водорода, некоторые организмы могут выделять метан и другие еще пока неизвестные, в том числе и самовоспламеняющиеся, газы. Красочное зрелище представляет выход со дна водоемов скопившихся в иле газов, пузыри которых вспыхивают на поверхности воды голубоватым таинственным пламенем.

Как же сумели животные так резко изменить свой способ дыхания и приспособиться к отсутствию кислорода? Оказывается, это было не трудно. Когда на Земле возникла жизнь, свободного кислорода здесь было мало и первые живые существа вынуждены были стать анаэробами. Только когда кислорода в атмосфере стало много, животные научились полностью сжигать энергетические продукты. Анаэробный же тип дыхания не исчез, а, передаваясь по наследству из поколения в поколение, дошел до нас. Как уже говорилось в начале этой главы, абсолютно у всех животных первые фазы освобождения энергии протекают без участия кислорода. Когда аэробным животным заблагорассудилось вновь переселиться в места, где кислород взять неоткуда, им опять пришлось ограничиться частичным использованием энергии, заключенной в пищевых веществах, вспомнить старые способы обезвреживания недоокисленных продуктов.

Животный мир нашей планеты возник в эпоху, когда кислорода в атмосфере планеты было очень мало. Не мудрено, 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 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 длительно дышали, неизбежно гибли.