Biblioteka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:   Wirtualny Wszechświat > Biblioteka > Biologia > GENY I ŻYCIE. Niepokoje współczesnego biologa  



[1]  [2]  [3] 
Maszyna do nurkowania

Foka Weddella (Leptonychotes weddelli) jest morskim ssakiem, którego naturalnym siedliskiem są lodowate wody przybrzeżne Antarktydy. Żywi się dorszem atlantyckim, którego ławice występują na tym obszarze nawet na głębokości 300-500 metrów. Nasza foka, dzięki dużym rozmiarom ciała i grubej warstwie izolacyjnej wypełnionej tranem, jest dobrze przystosowana do znoszenia niskich temperatur. Znacznie większym problemem niż przebywanie w zimnej wodzie jest konieczność nurkowania na głębokość do pół kilometra i spędzania tam nieraz ponad godziny w celu schwytania dostatecznej liczby ryb. Dla ssaków, które są zwierzętami oddychającymi powietrzem, nurkowanie na taką głębokość stanowi bardzo trudne zadanie. Wiedzą o tym dobrze nurkowie amatorzy. Najlepsi z nich potrafią zejść pod wodę na głębokość nie większą niż kilkanaście metrów i przebywać tam bez oddychania nie dłużej niż 3 minuty.

W czasie nurkowania krew musi dostarczać tkankom tlenu. Gaz ten służy do biologicznego spalania podstawowego paliwa komórek, którym jest cukier glukoza. Podobnie jak w przypadku zwykłego spalania, produktem tego procesu jest dwutlenek węgla. W normalnych warunkach dwutlenek węgla usuwany jest z tkanek do krwi, przenoszony przez nią do płuc i uwalniany do atmosfery w postaci gazu. W czasie nurkowania, na skutek braku wymiany gazowej w płucach, dwutlenek węgla pozostaje we krwi, powodując wzrost jej kwasowości. Zachowanie stałej kwasowości płynów ustrojowych jest niesłychanie ważne dla organizmu. Nawet niewielka jej zmiana prowadzi do poważnego upośledzenia najważniejszych funkcji krwi. Nie mniejszy problem stanowią związane z nurkowaniem zmiany ciśnienia. Każdy, kto nurkuje w wodzie, jest narażony na zaburzenia wywołane przez rosnący wraz z głębokością nacisk zewnętrznego środowiska. Ciśnienie wody co 10 metrów rośnie o jedną atmosferę, co odpowiada wzrostowi nacisku o jeden kilogram na każdy centymetr kwadratowy powierzchni ciała. Zwiększone ciśnienie powoduje wzrost pobudliwości komórek nerwowych, co może się objawiać drgawkami i konwulsjami. Następuje również kompresja rozmaitych pustych przestrzeni wypełnionych powietrzem, na przykład zatok w czaszce. Nurkujący szybko człowiek odczuwa to jako silny ból. Jeśli ciśnienie zewnętrzne nie jest równoważone dodatkowym powietrzem wprowadzanym do zatok od wewnątrz, naczynia krwionośne przebiegające w wyścielających zatoki tkankach mogą się niebezpiecznie rozszerzyć w stronę pustych przestworów i w końcu pęknąć. Nurkowie znają też dobrze konsekwencje zależnych od ciśnienia zmian w rozpuszczalności azotu. Gaz ten stanowi ponad trzy czwarte powietrza. Podczas wdychania powietrza pod normalnym ciśnieniem azot dostaje się wraz z tlenem do układu krążenia i w tych warunkach jest całkowicie obojętny dla organizmu. Sytuacja zmienia się jednak dramatycznie, gdy ciśnienie zewnętrzne wydatnie wzrasta. Wtedy pewna część azotu rozpuszcza się w płynach tkankowych. Rozpuszczony azot ma działanie narkotyczne. Powoduje zaburzenia koordynacji, oszołomienie, a w końcu utratę przytomności. Nurkowie nazywają ten efekt upojeniem głębokością. Podczas szybkiego wynurzania się na powierzchnię zachodzi proces odwrotny, to jest uwalnianie się rozpuszczonego przedtem azotu z płynów ciała. Ma to jeszcze groźniejsze konsekwencje. Z powodu nadmiaru gazu ciśnienie wewnątrz naczyń i tkanek staje się większe niż ciśnienie wywierane na ciało z zewnątrz. W rezultacie następuje pękanie mniejszych naczyń. Pęcherzyki uwalnianego gwałtownie azotu mogą zablokować naczynia krwionośne w mózgu i rdzeniu kręgowym, co oznacza paraliż, a nawet śmierć.

W jaki sposób radzi sobie z tymi wszystkimi niebezpieczeństwami foka Weddella? Fizjolog Warren Zapol z Massachusetts General Hospital w Bostonie poświęcił wiele lat, by odpowiedzieć na to pytanie [W. M. Zapol: Diving adaptations of the Weddell seal, "Scientific American" 256 (6), 1987, s. 100-105]. Początkowo Zapol i jego współpracownicy badali foki pływające w basenach zbudowanych w laboratorium. Za pomocą specjalnie skonstruowanej aparatury dokonywali pomiarów różnych wskaźników informujących o zmianach w stanie fizjologicznym zwierzęcia. Później udało się im tak bardzo udoskonalić i zminiaturyzować urządzenia pomiarowe, że mogli prowadzić badania fok w ich naturalnym środowisku, to jest w lodowatych wodach u wybrzeży Antarktydy. Warto dodać, że badania Zapola, zarówno laboratoryjne, jak i prowadzone na otwartym oceanie, nie uczyniły zwierzętom żadnej szkody.

Opisując wyniki swoich badań, Zapol zwraca najpierw uwagę na kilka szczególnych cech fizjologii foki, które udało mu się poznać za pomocą stosunkowo nieskomplikowanych pomiarów. Jednym z bardziej istotnych było odkrycie, że w przeliczeniu na kilogram masy ciała foka zatrzymuje w organizmie znacznie więcej tlenu niż na przykład człowiek. W czasie nurkowania foka magazynuje tlen nie w płucach (tylko 5%), ale przede wszystkim we krwi (aż 70%), to jest tam, gdzie jest on najbardziej potrzebny. Dla porównania, człowiek przechowuje w płucach aż 36%, we krwi zaś zaledwie 51% swego zapasu tlenu. Pozostała część zapasu (20% u foki i 13% u człowieka) przechowywana jest w mięśniach. Jak wynika z powyższych danych, krew jest głównym magazynem tlenu w organizmie. U człowieka krew stanowi około 7% masy ciała, u foki natomiast aż 14%. W rzeczywistości proporcja krwi do masy pozostałych tkanek jest u foki jeszcze korzystniejsza, bo 1/3 masy jej ciała stanowi nie zużywająca tlenu warstwa tłuszczu. Nie koniec na tym. Pomiary wykazały, że w porównaniu z krwią człowieka krew foki zawiera znacznie więcej czynnika wiążącego tlen - hemoglobiny. Wypełnione hemoglobiną czerwone ciałka krwi - erytrocyty, stanowią u człowieka około 40% objętości krwi, u foki zaś - aż 60%. Tak znaczna pojemność magazynowa nie wystarczy jednak, by utrzymać normalny poziom tlenu podczas jego zużywania w czasie długiego nurkowania. Foka włącza więc niezwykle skuteczny mechanizm oszczędnościowy, znany pod nazwą bradykardii, czyli rzadkoskurczu. Bradykardia, zwana też odruchem nurkowania, polega na zwolnieniu akcji serca i zwężeniu niektórych naczyń. Powoduje to zmniejszenie ukrwienia większości narządów i znaczną oszczędność tlenu. Bradykardia jest odruchem występującym u większości ssaków w momencie, gdy zanurzają głowę pod wodę. Uruchamia go sygnał z mózgu powstający w odpowiedzi na docierającą za pośrednictwem neuronów informację o tym, że część twarzowa głowy wraz z otworem oddechowym znalazła się pod wodą. U ssaków spędzających dużą część życia pod wodą, takich jak foka i wieloryb, odruch nurkowania jest szczególnie silny. Foce Weddella umożliwia on niezwykle oszczędne gospodarowanie tlenem. Współpracownicy Warrena Zapola stwierdzili, że racjonowanie tlenu nie obejmuje jednak siatkówki oka, mózgu i rdzenia kręgowego. Nie jest to szczególnie zaskakujące. Stanowią one centrum odbioru sygnałów świetlnych oraz ośrodki koordynacyjne i zarządzające całego organizmu i, podobnie jak dowództwo czy sztab generalny w czasie wojny, są uniezależnione od systemu racjonowania. Co ciekawe, u foki normalną ilość tlenu otrzymują również tkanki wchodzące w skład dwóch innych narządów: łożyska i gruczołu nadnerczy. Jeśli chodzi o łożysko, przyczyna jest oczywista. Narząd ten zapewnia wymianę gazową (dostawę tlenu i usuwanie dwutlenku węgla) między krwią foki a krwią jej płodu. Ciężarne foki muszą nurkować, by zdobywać pokarm. Płód także wówczas musi mieć zapewnione normalne warunki rozwoju. W wypadku gruczołów nadnerczy sprawa jest bardziej skomplikowana. Być może chodzi tu o wydzielany przez ten gruczoł hormon sterydowy - kortyzol. Istnieją dowody na to, że wpływa on stabilizująco na komórki nerwowe i zapobiega ich nadpobudliwości w warunkach zwiększonego ciśnienia.

Niedostatek ukrwienia sprawia, że funkcjonowanie wielu narządów jest bardzo niewydajne. Prawdopodobnie z tego powodu u foki Weddella niektóre z narządów są całkowicie wyłączone podczas nurkowania. Dotyczy to na przykład nerek, których praca ustaje w czasie pobytu pod wodą. Zaczynają one działać dopiero po wynurzeniu się foki na powierzchnię. Bardzo pomysłowo rozwiązany został problem przedostawania się do krwi szkodliwych substancji wytwarzanych w mięśniach szkieletowych, które muszą bardzo intensywnie pracować podczas nurkowania. W warunkach przejściowego niedoboru tlenu uruchamiany jest w organizmach inny (mniej wydajny) system uzyskiwania energii. Polega on na tym, że energia uzyskiwana jest nie w wyniku całkowitego spalania glukozy do dwutlenku węgla (nie ma bowiem potrzebnego do tego tlenu), lecz dzięki reakcjom, które przekształcają ją w kwas mlekowy. Negatywnym skutkiem ubocznym tego procesu jest gromadzenie się dużych ilości kwasu mlekowego we krwi, co prowadzi do jej zakwaszenia, czyli acydozy. Opisując skutki nadmiernego stężenia dwutlenku węgla we krwi, wspomniałem już, jak niebezpieczna jest wszelka zmiana kwasowości tego płynu. Acydoza może łatwo doprowadzić do poważnego osłabienia skurczów serca, a nawet do jego zatrzymania. Jednakże foka unika acydozy, całkowicie zatrzymując dopływ krwi do mięśni w czasie nurkowania. Kwas mlekowy nie przedostaje się do układu krążenia aż do momentu wynurzenia, kiedy to płuca, wątroba i inne narządy oczyszczające krew podejmują normalną pracę.

Foka unika także negatywnych skutków gwałtownych zmian ciśnienia. Niebezpieczne dla nurka puste przestrzenie, takie jak wspomniane zatoki czaszkowe u człowieka i innych ssaków, w których może dochodzić do pękania naczyń na skutek niezrównoważenia ciśnienia, po prostu u foki nie występują. Niebezpieczeństwo narkozy azotowej i groźne skutki uwalniania się azotu są zmniejszone do minimum głównie dzięki małej objętości płuc, a także dlatego, że przed nurkowaniem foka usuwa z nich powietrze, czyli robi po prostu pełny wydech. To jednak nie wszystko. Klatka piersiowa foki jest elastyczna. Na głębokości 60-70 metrów zapada się pod wpływem rosnącego ciśnienia zewnętrznego i wyciska resztki powietrza do przewodów oskrzelowych, które w odróżnieniu od płuc nie są ukrwione. Azot zawarty w przetrzymywanym w nich powietrzu nie ma się zatem w czym rozpuścić. Dlaczego ciśnienie nie zgniata ani przewodów oskrzelowych, ani klatki piersiowej? Dzieje się tak z tej prostej przyczyny, że ich ściany wzmocnione są specjalnymi chrzęstnymi pierścieniami, co czyni je wyjątkowo odpornymi na zgniatanie. Przewody oskrzelowe są w gruncie rzeczy zbiornikiem ciśnieniowym przeznaczonym do przechowywania powietrza wyciśniętego z płuc. Oskrzela i oskrzeliki człowieka uległyby w tych samych warunkach (to jest na głębokości 60-70 metrów) całkowitemu sprasowaniu.

U foki Weddella rozbudowane jest jeszcze jedno urządzenie wspomagające nurkowanie. Umożliwia ono szybkie wzbogacanie układu krążenia w erytrocyty, które, jak już wspomniałem, służą do magazynowania i rozprowadzania tlenu. Zapasowe krwinki magazynowane są w śledzionie, która u foki jest wyjątkowo duża. W warunkach normalnego ciśnienia foka przechowuje w niej 60% wszystkich swoich czerwonych krwinek (człowiek - tylko 10%). W trakcie nurkowania następuje gwałtowny skurcz śledziony i wyrzucenie ogromnej porcji bogatych w tlen krwinek do naczyń krwionośnych, które u foki są bardzo elastyczne i mogą się łatwo rozszerzyć. Tak więc śledziona u foki jest w gruncie rzeczy odpowiednikiem dodatkowego zbiornika tlenowego używanego przez nurków.

Gdy pozna się różne szczegóły budowy i fizjologii foki, fakt, że jest ona znakomitym nurkiem, zupełnie przestaje dziwić. Przeciwnie, odnosi się wrażenie, że jest po prostu stworzona do nurkowania.

[1]  [2]  [3] 
[  góra strony  ]

Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach