Реакция кислорода с гемоглобином относится к сильным экзотермическим: когда молекула гемоглобина присоединяется к кислороду, выделяется определенное количество тепла. Как правило, такое же количество тепла поглощается в обратной реакции, когда от гемоглобина отделяется кислород. Но поскольку окисление и вытеснение кислорода происходит в разных отделах организма, изменение параметров молекулярной среды, например кислотности, может привести к избыточной потере или накоплению тепла.
Количество тепла может варьироваться у разных существ. Организм антарктических пингвинов устроен так, что в морозы ткани периферийных органов, в том числе лап, выделяют меньше тепла, чем человеческие стопы. У этого явления есть два преимущества. Прежде всего, в гемоглобин птиц попадает меньше тепла при вытеснении кислорода, поэтому вероятность замерзания лап заметно снижается.
Еще одно преимущество — следствие законов термодинамики. При любой обратимой реакции, в том числе при поглощении или вытеснении кислорода гемоглобином, низкие температуры способствуют развитию реакции в экзотермическом направлении и препятствуют развитию в обратном. Следовательно, при низких температурах кислород активнее поглощается гемоглобином большинства живых существ и отделяется от него с трудом. Сравнительно низкое количество тепла означает, что в холодных тканях соединение гемоглобина с кислородом не достигает уровня, при котором кислород не может отделиться от него.
Изменение количества тепла у разных видов живых существ — еще одно любопытное следствие. У некоторых антарктических рыб тепло обычно выделяется при высвобождении кислорода. В крайнем проявлении это наблюдается у тунца, который при отделении кислорода от гемоглобина выдает столько тепла, что может поддерживать температуру тела, примерно на 17 °C превышающую температуру окружающей среды. Значит, тунец вовсе не хладнокровный!
Обратное явление наблюдается у животных, которым необходимо снижать количество тепла из-за чрезмерной метаболической активности. При окислении гемоглобина количество тепла в организме мигрирующей водяной курочки превышает этот же показатель в организме простого голубя. Поэтому курочка может преодолевать большие расстояния и не перегреваться.
И наконец, эмбрионам необходимо куда-то девать тепло, а единственное звено, которое связывает их с внешним миром, — кровеносная система матери. Снижение количества тепла при окислении гемоглобина эмбриона по сравнению с гемоглобином матери приводит к тому, что при выходе кислорода из крови матери тепла поглощается больше, чем выделяется при окислении гемоглобина эмбриона. Таким образом, тепло попадает в кровеносную систему матери и уносится от эмбриона.
Крис Купер и Майк Уилсон Университет Эссекса, Колчестер, Великобритания
Полеты на плавниках
«Почему летучие рыбы летают? Спасаются от хищников, ловят в воздухе насекомых или просто полеты для них — более эффективный способ передвижения, чем плавание? Или существует совершенно иная причина?»
Джулиан Картрайт Пальма-де-Майорка, Испания
Обычно полеты летучих рыб объясняют бегством от хищников, особенно от стремительных дельфинов. Рыбы выскакивают из воды не для того, чтобы ловить насекомых: летучие рыбы живут в открытом океане, а над большими водными пространствами насекомые летают редко.
Было высказано предположение, что рыбы летают (на самом деле парят, так как «крыльями» они не машут), чтобы сэкономить энергию, но для энергичных взлетов требуется активная работа белых анаэробных мышц, заставляющих хвост совершать 50–70 движений в секунду. Эти действия сопряжены с огромными затратами энергии.
Роговица глаза летучих рыб снабжена плоскими фасетками, поэтому рыбы видят и в воде, и в воздухе. Наблюдения позволяют предположить, что рыбы способны выбирать места «приземления». Возможно, так они перебираются в места, богатые пищей, но эта гипотеза пока не получила подтверждения.
Несомненно, бегство от хищников — главная причина полетов, именно поэтому рыб так часто видят улетающими от кораблей и лодок, которые рыбы считают источниками угрозы.
Джон Дейвенпорт Морская биологическая станция, Университет Миллпорт, остров Камбра, Великобритания
Строго говоря, летучие рыбы не летают, а скользят по воздуху; движения хвостового плавника выталкивают их из воды. Скольжение продлевается за счет быстрых движений чрезмерно развитых грудных плавников, благодаря которым дальность прыжка достигает 100 метров. Единственная цель этой деятельности — бегство от хищников. Всякий, кто сможет оторвать взгляд от чудесного и неожиданного зрелища — радужной рыбы в воздухе, — заметит, что под водой ее преследует другая, более крупная рыба.
Тим Харт Ла Гомера, Канарские острова, Испания
Я видел в воздухе целые косяки летучих рыб, удирающих от тунцов, а несколько минут спустя — косяки тунцов, которые пытались повторить тот же акробатический трюк, потому что дельфины были не прочь полакомиться ими. Пройдя утром по палубе океанской яхты, можно собрать полную сковороду летучих рыб на завтрак. Видимо, эти рыбы инстинктивно выскакивают из воды, чтобы спастись от хищника (за него рыбы принимали яхту), но в темноте не видят, куда летят, и плюхаются на палубу. Днем рыбы редко падают на палубу яхты. Опаснее всего попадание летучей рыбы в рулевую рубку: в темноте они могут с силой ударить зазевавшегося рулевого в висок.
Дон Смит Кембридж, Великобритания
Грибы-силачи
«Неподалеку от нашего дома прямо на тротуаре растут поганки, выломавшие довольно большие куски асфальта. Каким образом этим мягким, мясистым грибам удается пробить слой асфальта толщиной 5 сантиметров?»
Джон Франклин Лондон, Великобритания
Поганки, прорастающие через асфальт, вероятно, серые навозники (Corpinus), выросшие на растительном мусоре. Они пробивают асфальт потому, что их ножки функционируют как вертикальные гидравлические домкраты.
Давление, направленное вверх, обусловлено избыточным тургорным давлением отдельных клеток, составляющих стенки полой ножки гриба. Каждая клетка растет как вертикальная колонна, новый клеточный материал размещается по ее длине.
Основной структурный компонент клеток — пустотелое спиральное образование волокон хитина вокруг оси клетки. Эти волокна хитина встроены в связующие вещества, из которых состоят стенки. Хитин — чрезвычайно прочный биополимер (из него также состоят экзоскелеты насекомых), он придает клеткам стенок гриба устойчивость к поперечному сдавливанию, поэтому распределение внутреннего давления происходит по вертикали. Благодаря явлению осмоса вода попадает в стенки, в результате избыточное тургорное давление создает вертикально действующую силу, так гриб и пробивается через асфальт.
Этот феномен впервые исследовал 75 лет назад Реджинальд Буллер: меняя нагрузку, он измерил подъемную силу гриба, вытянутого внутри стеклянной трубки. По расчетам Буллера, направленное вверх давление гриба составило около 2/3 атмосферы.
