Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 2 (страница 21)
3. Прежде чем вести отсчет, следует проверить герметичность прибора. Для этого в прибор с помощью шприца нагнетают воздух, чтобы вызвать смещение уровня манометрической жидкости. После этого закрывают трехходовой кран, отключая таким образом манометр от атмосферного воздуха. Если прибор герметичен, то разность уровней манометрической жидкости в двух коленах не должна уменьшаться.
11.8. Дыхание в необычных условиях
11.8.1. Влияние высоты над уровнем моря и акклиматизация
При восхождении на высокие горы люди страдают от недостаточной насыщенности крови кислородом. Такое состояние называют аноксией или гипоксией. Возникает оно вследствие того, что с возрастанием высоты над уровнем моря парциальное давление кислорода, так же как и других газов, содержащихся в атмосферном воздухе, падает; на высоте 5450 м атмосферное давление равно, например, уже только 0,5 бар, т. е. здесь оно вдвое меньше, чем на уровне моря. И хотя воздух содержит здесь столько же процентов кислорода, концентрация О2 на единицу объема вдвое меньше.
Дыхательная активность стимулируется хеморецепторами. На больших высотах усиление легочной вентиляции, вызванное потребностью в большем количестве кислорода, приводит к тому, что из крови в легкие переходит больше СO2 и кислотность крови соответственно снижается. Возрастание щелочности (повышение рН) порождает состояние, известное как алкалоз. При более высоком рН активность хеморецепторов подавляется; легочная вентиляция становится недостаточной, и это вызывает недомогание и чувство сильной усталости.
Со временем дыхательная и кровеносная системы могут в известной мере приспособиться к низкому парциальному давлению кислорода, существующему на больших высотах. По истечении нескольких дней из организма начинает выводиться щелочная моча, в результате чего алкалоз уменьшается. Теперь, когда подавление хеморецепторов снято, легочная вентиляция снова усиливается и концентрация СО2 опять становится главным химическим фактором, регулирующим интенсивность дыхания. Одновременно стимулируется кроветворная активность костного мозга — он начинает вырабатывать больше эритроцитов. Вследствие этого возрастает способность крови переносить кислород, и это частично компенсирует неполное ее насыщение кислородом в условиях пониженного парциального давления О2. После того как все эти приспособительные изменения произойдут, можно считать, что организм акклиматизировался в новых условиях.
11.8.2. Млекопитающие, способные долгое время оставаться под водой
Тюлени могут оставаться под водой до 15 мин. Способность их крови к переносу кислорода гораздо выше, чем у человека: в 100 мл крови у них переносится от 30 до 40 мл кислорода.
При нырянии в дыхательной и кровеносной системах животного происходят значительные изменения, обеспечивающие перераспределение кислорода в теле животного и эффективное его использование. Происходит это обычно следующим образом. В начале ныряния рефлекторно снижается частота сердечных сокращений и замедляется ток крови. Кровяное давление в артериях остается при этом на прежнем уровне, так как сосуды сужаются. Некоторые сосуды сжимаются полностью, т. е. отключаются вообще, и характер кровоснабжения меняется; теперь кровью снабжаются только самые важные для жизни органы: сердце, головной мозг и некоторые другие части нервной системы. Эти изменения означают, что кислород в крови используется медленно, но при этом остается всегда доступным для тех органов, которые наиболее чувствительны к аноксии. В почти лишенных кислорода мышцах тюленя идет процесс анаэробного дыхания, поэтому в них накапливается молочная кислота. Однако, поскольку из мышц в общий кровоток поступает мало крови, эта молочная кислота не расходится по телу животного в больших количествах и не причиняет вреда. Когда животное, вынырнув на поверхность, делает первый вдох, этот вдох служит сигналом для повышения частоты сокращений сердца и для возобновления нормального тока крови во всех органах. Молочная кислота поступает теперь в кровь и подвергается в печени соответствующим превращениям. Воздух в легких быстро замещается свежим, так как количество воздуха, обмениваемого при каждом вдохе, составляет около 80% от его общего количества в легких.
11.9. Цветковые растения
Растения расходуют на единицу массы меньше энергии, чем животные, поскольку интенсивность метаболизма у них ниже. У некоторых небольших растений газообмен осуществляется путем диффузии газов через всю поверхность, но у крупных цветковых растений для этой цели служат устьица на листьях и на зеленых стеблях (у травянистых форм), а также чечевички и трещины в коре на одревесневших стеблях (разд. 21.6.6).
Внутри растения распространение кислорода определяется диффузионными градиентами в воздухоносных межклетниках. По этим путям кислород достигает клеток и растворяется во влаге, покрывающей клеточные стенки. Отсюда он диффундирует уже внутрь клеток. СО2 движется по растению тем же путем, но в обратном направлении.
Сложнее обстоит дело с клетками, содержащими хлорофилл, когда в них одновременно протекают и дыхание, и фотосинтез. Здесь выделяемый хлоропластами кислород может сразу же потребляться митохондриями той же клетки, а продукт дыхательного метаболизма митохондрий — СO2 — может использоваться для фотосинтеза хлоропластами.
Более подробные сведения о газообмене у цветковых растений содержатся в гл. 9.
Глава 12. Организмы и окружающая среда
Экология — это наука о взаимоотношениях живых организмов друг с другом и с окружающей средой. Термин "экология" был впервые введен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г.; он образован из двух греческих слов: oikos, что значит дом или жилище, и logos — изучение или наука. Таким образом, буквально "экология" означает нечто вроде науки о земном "хозяйстве". Экология как наука основывается на холистическом подходе, при котором воссоздание общей картины важнее проработки частных деталей. И хотя различные частности нередко приходится анализировать порознь (см. гл. 13), в рамках такого подхода осуществляется синтез всей доступной информации для получения всеобъемлющей картины живых систем и их физического окружения.
Своими корнями экология уходит в "естественную историю"; как самостоятельная биологическая дисциплина она выделилась только с начала XX в. наряду с физиологией, генетикой и др. С середины пятидесятых годов ее значение и сферы приложения стали значительно расширяться, и современную экологию можно охарактеризовать как междисциплинарную область, развивающуюся на стыке физики, биологии и общественных наук. Взаимоотношения экологии с другими биологическими науками представлены на рис. 12.1, где показано, что живые организмы можно изучать на разных уровнях организации. Область экологии соответствует правой части приведенной схемы и охватывает организмы, популяции и сообщества. Экология рассматривает их как живой (биотический) компонент системы, называемой экосистемой; последняя включает также неживой (абиотический) компонент — физическую среду с ее веществом и энергией. Термины "популяция", "сообщество" и "экосистема" имеют в экологии точные определения, которые приводятся на рис. 12.1. Различные экосистемы вместе образуют биосферу, или экосферу, включающую все живые организмы и всю физическую среду, с которой они взаимодействуют. Таким образом, океан, поверхность суши и нижние слои атмосферы-все это входит в экосферу.
Рис. 12.1. Уровни организации от генов до экосистем. Определения: Популяция — это группа организмов одного вида, занимающая определенную территорию и обычно в той или иной степени изолированная от других сходных групп. Сообщество — это любая группа организмов различных видов, сосуществующих в одном и том же местообитании или на одной площади и взаимодействующих посредством трофических и пространственных взаимоотношений. Экосистема — это сообщество организмов с окружающей их физической средой, взаимодействующих между собой и образующих экологическую единицу
В экологических исследованиях по традиции выделяют два направления — аутэкологию и синэкологию. Аутэкология концентрирует свое внимание на взаимоотношениях между организмом или популяцией и окружающей средой, тогда как синэкология занимается сообществами и средой. Например, изучение отдельного экземпляра дуба или вида
Как отмечает Саутвуд (1981) в обзоре, резюмирующем происходящие в экологии изменения, первая экологическая статья, опубликованная в журнале New Scientist (1956), была посвящена реинтродукции благородного оленя в Шотландию и представляла собой в основном аутэкологическое исследование. Однако позже акценты в экологической работе переместились на изучение экосистем (т.е. сообществ и окружающей среды) и даже экосферы (целой планеты). При этом существенный вклад в понимание закономерностей, действующих на этих уровнях организации, вносят и небиологические науки, особенно химия, физика, почвоведение и гидрология, а также различные социальные дисциплины.