Підручник з Біології і екології (профільний рівень). 11 клас. Задорожний - Нова програма

§ 39. Адаптації людини й тварин до гіпоксії, тиску, концентрації солей

Поміркуйте

  • Людина може затримати подих максимум на кілька хвилин. А кашалоти перебувають під водою декілька годин. Як їм це вдається?

Згадайте

  • Гіпотонічне й гіпертонічне середовище
  • Осмос, осмотичний тиск
  • Функції гемоглобіну і міоглобіну

Пристосування до гіпоксії та тиску в умовах високогір'я

У високогірних районах атмосфера розряджена і вмісту кисню в повітрі недостатньо для нормального дихання. За таких умов виникає гіпоксія.

У разі екстреної адаптації до гіпоксії збільшуються частота й глибина подиху, посилюється серцебиття, розширюються судини головного мозку й серця. Посилюється ефективність процесів енергетичного обміну, особливо гліколізу. Стимулюється вихід еритроцитів із кров'яних депо (селезінки).

Якщо гіпоксія триває досить довго, формуються механізми тривалої адаптації. Відбувається гіпертрофія легень і серцевого м'яза, збільшується кількість альвеол у легенях. Активується утворення еритроцитів. У клітинах збільшується число мітохондрій, у тканинах підвищується ефективність метаболізму.

Мал. 39.1. У лам із високогір'я Південної Америки насиченість артеріальної крові киснем навіть на висоті понад 3000 м залишається вищою за 92%

У корінних мешканців високогір'їв Південної Америки й Гімалаїв наявні генетичні зміни молекули гемоглобіну, який добре насичує артеріальну кров киснем. Така адаптація характерна і для людей, і для тварин (мал. 39.1).

Адаптація до гіпоксії в пірнаючих тварин

Ефективні адаптації до нестачі кисню формуються в пірнаючих тварин. Так, морські змії можуть перебувати під водою 2,5 години, морські черепахи — 6 годин, кашалоти — до 2 годин (мал. 39.2).

Пірнаючі тварини мають збільшений об'єм легень і високий вміст гемоглобіну в крові. Уміст міоглобіну в м'язах пірнаючих ссавців у 4 рази більший за наземних тварин. Під час занурення частота серцевих скорочень знижена, кровоток уповільнений і перерозподілений так, що насамперед кров'ю забезпечується головний мозок. Окрім того, кисень дуже заощаджується. Частина клітин може тимчасово переходити до анаеробного гліколізу.

Пристосування водних тварин до екстремальних глибин

Зі збільшенням глибини у водоймах знижуються концентрація їжі і вміст кисню. На великих глибинах немає сонячного світла, низька температура і величезний тиск. Відомо, що під час збільшення глибини на кожні 10 м тиск збільшується на 1 атмосферу. Тобто живі істоти, що живуть на глибині океану до 10 000 м, зазнають надзвичайного тиску.

Мал. 39.2. Кашалоти здатні зупиняти подих на 2 години, занурюючись на глибину понад 1000 м

В усіх глибоководних риб слабко розвинені кістяк і мускулатура. Завдяки проникності тканин м'язи й кістки глибоководних риб просочені водою так, що риба відчуває однаковий тиск і зсередини, і ззовні. Чим глибше середовище існування, тим більш желеподібним є тіло риб і меншою частка кісткової структури. Такі характеристики роблять мешканців глибин повільними й менш рухливими порівняно з рибами, які живуть поблизу поверхні води.

Глибоководним рибам притаманний своєрідний баланс метаболічних реакцій. У них відбуваються такі біохімічні реакції, у яких об'єм продуктів менший за об'єм субстратів. Адже реакції, що спричинюють збільшення об'єму, будуть гальмуватися тиском.

Відсутність сонячного світла на глибині робить фотосинтез неможливим, тому джерелом енергії для глибоководних риб є органіка, яка опускається зверху. Мізерні запаси їжі — причина малих розмірів глибоководних тварин.

Багатьом глибоководним мешканцям властива біолюмінесценція. За допомогою світла вони шукають корм, спілкуються, відволікають хижаків.

Збереження водно-сольового гомеостазу

Гіпотонічне середовище. Оскільки концентрація солей у прісній воді нижча, ніж у клітинах, вода надходить в організм прісноводних гідробіонтів осмотичним шляхом. В одноклітинних тварин цей процес відбувається через поверхню клітини, у багатоклітинних — через зябра й слизову оболонку травного тракту.

Щоб вилучити зайву воду й підтримати на потрібному рівні осмотичний тиск, організм активно виводить надлишок води через скорочувальні вакуолі (у найпростіших) або через бруньки у складі сечі. Але разом із сечею з організму виводяться й необхідні для життєдіяльності солі.

Ці втрати солей необхідно компенсувати. Прісноводні тварини роблять це, закачуючи різні йони з навколишнього середовища крізь поверхню тіла й зябер. Цей процес відбувається як активний транспорт — проти градієнта концентрації.

Гіпертонічне середовище. Завдання осморегуляції в морському середовищі зворотне: у морі концентрація солей вища, чим в організмі. У результаті осмосу вода залишає клітини і організм весь час зневоднюється.

Тому морські риби постійно п'ють воду, але й одержують надлишок солей, який виводиться через зябра, нирки (із сечею), кишечник. У ниркових канальцях морських кісткових риб реабсорбція йонів дуже знижена, а зворотне всмоктування води з первинної сечі відбувається вкрай інтенсивно.

Практична робота

Моделювання адаптаційних змін в організмі людини (або тварин) при зміні умов (спека, холод, підйом в гори)

1. Розгляньте графік, на якому показана кількість еритроцитів (млн) та концентрації гемоглобіну (%) в людей, які постійно живуть на різних висотах.

2. Визначте, на скільки відсотків збільшаться обидва показники, якщо людина, котра мешкає на висоті 0 м над рівнем моря, потрапить надовго на висоту 2200м і 3800м над рівнем моря.

3. Зробіть висновки про причини спостережуваних змін.

Ключова ідея

Довгочасні адаптації до гіпоксії формуються в мешканців високогірних районів і пірнаючих тварин. На значних водних глибинах живі істоти адаптуються до високого тиску, холоду, темряви. Прісноводні й морські мешканці по-різному підтримують водно-сольовий баланс.

Запитання та завдання

1. Чому в умовах гіпоксії збільшується кількість мітохондрій у клітинах? 2. Чому глибоководні риби гинуть, якщо намагатися підняти їх на поверхню? 3. Поясніть, чому морські риби не можуть жити в річках.