У всех позвоночных и многих беспозвоночных кровь играет главную роль в транспорте газов. У позвоночных кислород переносится гемоглобином, который содержится в эритроцитах. Двуокись углерода, напротив, переносится в основном в виде карбонат-ионов в плазме крови. Принято считать, что снабжение кислородом важнее, чем выведение двуокиси углерода, и что как бы ни было обильно снабжение кислородом, двуокись углерода выводится с той же скоростью, с которой она образуется.
Основными параметрами, которые представляют интерес в связи с переносом кислорода и влияниями размера тела (масштаба), являются: 1) концентрация гемоглобина, которая определяет, как много кислорода может перенести одна единица объема крови; 2) общий объем крови в теле и следовательно, общее содержание гемоглобина в крови; 3) размеры эритроцитов и 4) сродство гемоглобина к кислороду, которое важно как для связывания кислорода в легких, так и для передачи его в тканях.
Концентрация гемоглобина
Концентрацию гемоглобина и кислородную емкость крови изучали у большого ряда млекопитающих (Larimer, 1959; Burke, 1966). Как можно было ожидать, кислородная емкость крови оказалась строго пропорциональной концентрации гемоглобина в ней. Средняя концентрация гемоглобина у 18 млекопитающих размерами от мелкой летучей мыши до лошади составляла 128,7 г гемоглобина на 1 л крови. Соответствующее значение кислородной емкости крови было 175,0 мл О2 на 1 л крови. Какой-либо отчетливой связи с размерами тела не наблюдалось.
|
|
В литературе существует огромная масса дополнительной информации. Общая картина однообразна: концентрация гемоглобина в крови почти всех млекопитающих приближается к значению 150 г гемоглобина в 1 л крови, но редко его превышает, и эта величина, по-видимому, не зависит от размеров тела. Таким образом, у мелких млекопитающих, несмотря на присущий им
высокий уровень метаболизма и относительно большие потребности в кислороде, кровь обладает такой же кислородной емкостью, как и у крупных млекопитающих.
Чем же обусловлен этот верхний предел (который все же в некоторых случаях превышается)? Нормальная кровь у млекопитающих состоит почти на 45% из эритроцитов и на 55% из плазмы, причем доля эритроцитов лишь изредка бывает выше (Altman, Dittmer, 1961; Dunaway, Lewis, 1965). Когда человек акклиматизируется к большим высотам, доля эритроцитов и, таким образом, способность крови переносить кислород увеличиваются в ответ на более низкое его давление. Повышение концентрации гемоглобина в крови накладывает определенные обязательства, так как оно увеличивает вязкость крови и возлагает дополнительную нагрузку на сердце.
|
|
Когда доля эритроцитов в крови увеличивается, вязкость крови возрастает все более и более быстро, что делает невозможным бесконечное увеличение концентрации эритроцитов (рис. 10.1). До некоторого момента это окупается увеличением концентрации гемоглобина, поскольку на этом отрезке вязкость, а следовательно, и рабочая нагрузка на сердце возрастают лишь умеренно. Но затем, когда вязкость резко возрастает, рабочая нагрузка на сердце увеличивается непропорционально увеличению кислородной емкости. Оптимальная точка, при которой переносится максимальное количество кислорода на единицу работы сердца, задается касательной к кривой вязкости,, проведенной из начала координат. Соответствующая ей концентрация гемоглобина составляет около 150 г на 1 л крови. Это и есть обычная концентрация гемоглобина в крови млекопитающих, при которой, следовательно, переносится максимальное количество кислорода с наименьшей возможной рабочей нагрузкой на сердце.
150 Концентрация ге.мс |
Рис. 10.1. Вязкость крови млекопитающих (в сравнении с вязкостью воды, равной 1) резко увеличивается с увеличением концентрации гемоглобина. Точка А показывает концентрацию гемоглобина, оптимальную для транспорта кислорода и рабочей нагрузки на сердце.
Глава 10
Кровь и перенос газов
Мы видели, что при акклиматизации к высоте концентрация гемоглобина превышает это значение. Очевидно, особые обстоятельства приводят к нарушению оптимальной концентрации гемоглобина. И, по-видимому, не случайно у самого мелкого млекопитающего — землеройки — концентрация гемоглобина в крови выше, чем у других млекопитающих, — около 170 г на 1 л крови (Ulrich, Bartels, 1963). У мелких летучих мышей концентрация гемоглобина даже еще выше: отмечены значения до 244 г гемоглобина на 1 л крови (Jurgens et al., 1981).
Таким образом, мы пришли к выводу, что концентрация гемоглобина в крови млекопитающих не зависит от их размеров, однако могут возникать особые физиологические требования, которые приводят у некоторых животных к превышению оптимальной концентрации.
Объем крови
Общий объем крови у большинства млекопитающих составляет от 60 до 70 см3 на 1 кг массы тела; таким образом, относительный объем крови не зависит от размеров тела. Уравнение для объема крови (VK, мл) относительно массы тела (Мт, кг) имеет следующий вид: Ук = 65,6 MTl>02 (Stahl, 1967). Показатель степени при массе почти не отличается от 1,0; т. е. кровь млекопитающих составляет в общем постоянную часть массы тела.
Следует отметить, что из этого общего правила имеются исключения, и эти исключения весьма значительны. В частности, у некоторых ныряющих млекопитающих относительный объем крови гораздо больше. Очевидно, это объясняется тем, что кровь представляет собой наиболее важное хранилище кислорода, которым снабжается мозг во время ныряния.
Поскольку у наземных млекопитающих объем крови составляет постоянную долю массы тела, а концентрация гемоглобина в крови не зависит от размеров тела, общее количество гемоглобина в теле животного (произведение объема крови на концентрацию гемоглобина) будет постоянной долей массы тела (опять-таки за исключением ныряющих млекопитающих).
Размеры эритроцитов
Эритроциты млекопитающих по форме напоминают круглые двояковогнутые диски. Они легко деформируются и могут проходить через капилляры, диаметр которых меньше диаметра эритроцита, тем не менее диаметр этих клеток дает неплохое приближение для величины необходимого просвета капилляров. Если мы сравним размеры эритроцитов различных млекопитающих, то обнаружим, возможно, неожиданный факт — их диа-
метр оказывается довольно однообразным и не зависит от размеров тела (табл. 10.1).
|
|
Таблица 10.1, Диаметр эритроцитов разных млекопитающих; более чем у 100 видов дополнительно изученных млекопитающих эритроциты по диаметру не выходят за пределы, указанные в таблице. (Altaian, Dittmer, 1961.)
Вид | Диаметр эритроцита, мкм | Вид | Диаметр эритроците, ним | Вид | Диаметр эритроцита, мкм |
Землеройка Мышь КрысаСобака | 7,5 6,6 6,8 7,1 | Овца Человек Корова | 4,8 7,5 5,9 | Лошадь Слон Горбатый кит | 5,5 9,2 8,2 |
Мы располагаем обширнейшей информацией относительно эритроцитов (Altman, Ditmer, 1961). В списке эритроцитов от 115 видов млекопитающих большая часть значений (свыше 100) укладывалась в границы от 5 до 8 мкм без какой-либо корреляции с размерами тела. У самого мелкого млекопитающего — землеройки — и одного из самых крупных —■ горбатого кита — размеры эритроцитов практически одинаковы — 7,5 и 8,2 мкм соответственно. Ни у одного из млекопитающих диаметр эритроцитов не превышает 10 мкм, и только у нескольких (овца, коза, олень) диаметр меньше 5 мкм.
Выводы, которые можно сделать из приведенных данных, таковы: 1) капилляры у самых мелких и самых крупных млекопитающих имеют фактически одинаковый диаметр и 2) высокая интенсивность метаболизма у самых мелких млекопитающих, очевидно, не требует какой-либо специфической адаптации эритроцитов (т. е. расстояние диффузии внутри эритроцита не оказывает влияния на интенсивность метаболизма).
У других позвоночных эритроциты овальные, а не дискообразные. У птиц короткий диаметр овального эритроцита почти равен диаметру эритроцита млекопитающих — от 6 до 7 мкм, а длинный — почти в два раза больше. Эритроциты рептилий также овальны и несколько больше, чем у птиц, — короткий и длинный диаметры составляют около 12 и 20 мкм. Эритроциты рыб имеют приблизительно такие же размеры, но в сравнении с ними эритроциты амфибий кажутся гигантскими. У бесхвостых амфибий эритроциты достигают 20—25 мкм длины, тогда как у хвостатых — 35 мкм, а у некоторых видов даже превышают 50 мкм (Szarski, Czopek, 1966). Мы пока еще не понимаем, каково функциональное значение более крупных по сравнению с другими позвоночными эритроцитов амфибий, поэтому и не будем обсуждать этот вопрос более подробно.
|
|
9 Шмидт-Ниельсен
Кровь и перенос газов |
Глава 10
Поглощение кислорода и его перенос
Обратимое связывание кислорода с гемоглобином имеет значение для двух процессов: 1) поглощения кислорода в органах дыхания и 2) высвобождения кислорода в метаболически активных тканях. Высокая степень сродства гемоглобина к кислороду благоприятствует активному поглощению кислорода дыхательной поверхностью. Вместе с тем высвобождению кислорода в тканях благоприятствует низкая степень сродства, так что кислород легко высвобождается из связи с гемоглобином. Таким образом, степень сродства гемоглобина к кислороду должна быть в некотором роде компромиссной между этими двумя требованиями. Можно ли найти какую-либо связь между сродством гемоглобина к кислороду и размерами тела, которая бы соответствовала высокой интенсивности метаболизма у мелких млекопитающих?
Сродство гемоглобина к кислороду. Обычный и очень удобный способ описания связи между гемоглобином и кислородом— это так называемая кривая кислородной диссоциации. Эта кривая показывает для любой конкретной пробы крови степень насыщения гемоглобина кислородом при любой данной его концентрации. Ряд типичных кривых кислородной диссоциации для крови млекопитающих приведен на рис. 10.2.
Форма этих кривых почти одинакова, но их расположение в обычной системе координат до некоторой степени различно. Если кривая диссоциации расположена левее, то гемоглобин связывает больше кислорода при любом данном давлении кислорода. Иными словами, кривая, расположенная левее, указывает на более высокое сродство к кислороду. Если кривая расположена правее, то при любом данном давлении кислорода его связывается меньше, т. е. сродство гемоглобина к кислороду низкое, и он легче высвобождается. Таким образом, расположение кривой диссоциации левее или правее указывает соответственно на высокое или низкое сродство к кислороду.
В гл. 9 было показано, что интенсивность вентиляции легких тесно связана с потребностью в кислороде, причем парциальное давление кислорода в легких не зависит от размеров. У всех млекопитающих при нормальных условиях парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе очень близко к 100 мм рт. ст. (при нормальном атмосферном давлении). Взглянув на кривые диссоциации, приведенные на рис. 10.2, мы видим, что при Ро2, равном 100 мм рт. ст., кровь всех млекопитающих насыщена фактически на 100%, т. е. гемоглобин принял полную нагрузку кислорода и больше связывать его не в состоянии, даже если давление кислорода повысится.
Парциальное давление кислорода, кПа 4 ' 8 12 |
0 40 80 120
Парциальное давление кислорода, мм рт.ст.
Рис. 10.2. Кривые кислородной диссоциации для крови млекопитающих разных видов. У мелких млекопитающих сродство гемоглобина к кислороду ниже. Это облегчает отдачу кислорода в тканях для поддержания высокого уровня метаболизма у мелких животных. (Из Schmidt-Nielsen, 1972.)
Мы можем заключить, что, хотя кровь млекопитающих и различается по сродству к кислороду, это не оказывает заметного влияния на количество кислорода, которое она может забрать при нормальном парциальном давлении кислорода в альвеолах.
Таким образом, кажется, что у млекопитающих сродство гемоглобина к кислороду не имеет существенного значения для скорости его поглощения в легких. Это, однако, неверно для животных, у которых обычно Рой в альвеолярном воздухе не достигает 100 мм рт. ст. Так, у животных, которые обитают на больших высотах, например у южноамериканской ламы, сродство крови к кислороду гораздо выше величины, обычной для млекопитающих, т. е. кривая кислородной диссоциации для них расположена значительно левее границ, обычных для млекопитающих (Hall el at., 1936). Таким образом, высокое сродство крови к кислороду у ламы облегчает поглощение кислорода при низком атмосферном давлении на больших высотах. Это высокое сродство к кислороду и его влияние на степень насыщения кислородом артериальной крови ламы подтверждено достаточно полно (например, Banchero et al., 1971). Сдвиг влево характерен для небольшого числа животных, обитающих на большой вы-
Глава 10
соте. Когда равнинные животные, в том числе человек, акклиматизируются к высоте, их кривые диссоциации по существу не меняются или даже могут слегка сдвигаться в противоположную сторону (Lenfant, Sullivan, 1971).
У некоторых роющих грызунов кровь характеризуется исключительно высоким сродством к кислороду (кривая диссоциации расположена слева). Среди них у луговых собачек (грызуны) сродство крови к кислороду особенно высокое, фактически такое же высокое, как у ламы. Луговые собачки роют норы глубиной до 5 м (Sheets et al., 1971), и, по-видимому, иногда этим животным приходится дышать в своих плохо вентилируемых норах воздухом с низким парциальным давлением кислорода; при этом высокое сродство крови к кислороду облегчает его поглощение. И действительно, из 17 изученных видов грызунов лишь собачки способны выжить при самом низком парциальном давлении кислорода (Hall, 1966).
В заключение еще раз отметим, что у огромного большинства млекопитающих расположение кривой кислородной диссоциации (сродство к кислороду) не имеет большого значения для поглощения кислорода в легких при обычном парциальном давлении кислорода. Однако из этого правила имеются исключения, которые можно объяснить особенностями местообитаний животных, такими, как большая высота или подземный образ жизни. В этих случаях поглощение кислорода обеспечивается более высоким, чем обычно, сродством крови к кислороду.
Высвобождение кислорода в тканях. Серия кривых диссоциации на рис. 10.2 показывает связь между сродством к кислороду и размерами тела млекопитающих. Кривые кислородной диссоциации для мелких животных расположены правее, что указывает на более низкое сродство крови к кислороду и более легкое его высвобождение, тогда как у более крупных животных кривые расположены левее, т. е. сродство крови к кислороду у них выше.
Мы видели, что расположение кривой диссоциации, вероятно, не связано с поглощением кислорода в легких, за исключением некоторых особых случаев (высокогорные и роющие животные). В таком случае существует ли более значимая связь между легкостью высвобождения кислорода и размерами тела?
С этой точки зрения в расположении кривых диссоциации можно найти больше смысла. Однако нам необходим удобный способ, чтобы выразить положение кривой диссоциации и сродство к кислороду. Обычно эти переменные выражаются через величину давления полунасыщения (Р50), которое иногда называют «давлением отдачи» для кислорода. Это давление (Pso) не является точным давлением отдачи О2, так как в некоторых
Глава 10
Кровь и перенос газов
нов сродство к кислороду высокое. Фактически обнаруживается такое большое разнообразие и изменчивость, что представляется сомнительной тесная корреляция сродства к кислороду с размерами тела (Lahiri, 1975), а большую часть вариаций, по-видимому, можно объяснить другими факторами (например, высотой или рытьем нор) (Prothero, 1980; Bartels, 1982).
Связь с размерами тела, по-видимому, существует у птиц (Lutz et al., 1974) и, возможно, также у лягушек (Tazawa et al., 1979) и ящериц (Pough, 1977). Лутц с соавторами исследовали семь видов птиц, от воробья (0,025 кг) до нанду (30 кг), различающихся по размерам в тысячу раз, и нашли значения Р50 от 41,3 до 20,7 мм рт. ст., достоверно связанные с размерами. Предположим, что, несмотря на большое разнообразие, связь с размерами все же существует. В чем тогда состояло бы ее функциональное значение?
Более высокое давление отдачи у мелкого млекопитающего соответствовало бы его более высокому удельному метаболизму. Поскольку удельное поглощение кислорода у млекопитающего размером с землеройку почти в 30 раз выше, чем у слона, ткани землеройки должны получать кислород в 30 раз быстрее, т. е. кислород должен диффундировать из капилляров в клетки, где происходит обмен веществ, с такой же высокой скоростью. Для этого необходим более крутой градиент диффузии, что достигается 1) уменьшением расстояния диффузии; 2) увеличением способности к диффузии. Расстояние диффузии зависит от плотности капилляров, что мы обсудим позже, а способность к диффузии — от давления отдачи для кислорода (функция кривой диссоциации). Для крови мыши и землеройки Р5о в два или три раза выше, чем для крови слона, что соответствует сказанному выше. Почему же давление отдачи (Pso) в крови мелких животных не достигает еще большей величины? Ответ очевиден — если бы кривая диссоциации была расположена еще правее, кровь в легких не насыщалась бы полностью при нормальном альвеолярном Ро2, равном 100 мм рт. ст.
Однако существует и другой фактор, способствующий высвобождению кислорода, это — хорошо известный эффект Бора. Когда СО2 или другая кислота добавляется в кровь, кривая диссоциации сдвигается вправо, обеспечивая высвобождение кислорода. Этот эффект увеличивает количество кислорода, высвобождающегося в тканях, когда СО2 или другие кислые метаболиты (например, молочная кислота) поступают в кровь капилляров. В 1960 г. Риггсом (Riggs, I960) было показано, что эффект Бора сильнее проявляется у мелких, нежели у крупных млекопитающих. В цельной крови этот эффект выражен неотчетливо, но он явно больше у самых мелких млекопи-
тающих, таких, как землеройка и мышь (Bartels, 1964). Таким образом, эффект Бора дополняет уже и так более высокое давление отдачи кислорода в тканях мелких животных.
Расстояние диффузии упоминалось как важная составляющая градиента диффузии кислорода из капилляра в потребляющую клетку. О необходимости высокой плотности капилляров у мелких животных писал еще Крог (Krogh, 1929), который определил количество капилляров в мышцах лошади, собаки и морской свинки. Он обнаружил, что у самых мелких животных плотность капилляров наиболее высокая (более короткое расстояние диффузии), эти наблюдения были впоследствии подтверждены другими исследователями. Однако тот факт, что разные авторы использовали различные методики, затруднил сравнение результатов, поэтому мы решили предпринять исследование плотности капилляров в некоторых мышцах у большого числа животных (Schmidt-Nielsen, Pennycuik, 1961). В мышцах особей одного вида мы обнаружили широкие вариации, связанные частично с соотношением красных и белых мышечных волокон, а также с общим использованием мышц. Например, исключительно большое количество капилляров в жевательных мышцах овец, по-видимому, связано с тем фактом, что эти жвачные животные проводят много времени, двигая челюстями. Связь между плотностью капилляров и размерами тела оказалась не столь неоспоримой, как это предполагалось ранее. У самых мелких животных плотность капилляров действительно очень высока, но у более крупных, начиная с кролика, очевидной связи плотности капилляров с размерами тела обнаружено не было.
Возможно, масштабные влияния, другие, чем только снабжение кислородом, в данном случае важнее расстояния между капиллярами. Быть может, такие причины, как размеры мышечного волокна и ограничения, накладываемые на них, оказывают вторичное влияние на плотность капилляров способом, который мы еще не понимаем.
Снабжение топливом
До сих пор мы обсуждали интенсивность метаболизма только с точки зрения снабжения кислородом, но так же важно снабжение топливом или субстратом, который окисляется. К сожалению, об этом важном аспекте часто забывали или его совершенно игнорировали. Чтобы высокая удельная интенсивность метаболизма поддерживалась на стационарном уровне, топливо должно поставляться тканям со скоростью, соответствующей использованию О2. В свете этого можно объяснить
Глава 10
Кровь и перенос газов
очень высокое содержание сахара в крови, обнаруженное у некоторых насекомых.
У насекомых кислород проникает к клеткам через заполненные воздухом трубочки-трахеи и не зависит от крови и кровообращения, но топливо поступает через кровь. У очень активных летающих насекомых, таких, как пчелы, концентрация сахара в крови может достигать 5 или 10%, что на два порядка выше, чем у большинства млекопитающих (Wyatt, 1967); очевидно, это обусловлено необходимостью поставлять топливо высокоактивным летательным мышцам.
Концентрация глюкозы в крови млекопитающих, по-видимому, связана с размерами тела, причем более высокая концентрация обнаружена у мелких млекопитающих (Umminger, 1975). Это аналогично снабжению кислородом, когда высокая скорость поступления его к тканям достигается посредством крутого градиента диффузии, который в свою очередь определяется большой разницей концентраций и небольшими расстояниями диффузии. Интересно было бы выяснить, подтвердится ли эта зависимость по мере получения новых данных, а также обнаруживаются ли сходные зависимости у птиц.
4. Степень сродства гемоглобина к кислороду, по-видимому, меняется в зависимости от размеров тела. Это, очевидно, не связано со скоростью поглощения кислорода в легких, за исключением некоторых животных, у которых более высокая степень сродства к кислороду имеет адаптивное значение (роющие грызуны и высокогорные животные, но не ныряющие млекопитающие). Вместе с тем низкая степень сродства к кислороду у мелких млекопитающих облегчает высвобождение кислорода в тканях. Доставка кислорода к тканям у самых мелких млекопитающих облегчается и более высокой плотностью капилляров, т. е. более коротким расстоянием диффузии, и, кроме того, действием СОг, уменьшающим сродство гемоглобина к кислороду (эффект Бора).
Выводы
Обобщая свойства крови, которые важны для переноса кислорода, мы можем сделать следующие выводы:
1. Концентрация гемоглобина в крови высших позвоночных
относительно постоянна (около 15 г гемоглобина на 100 мл
крови) и не зависит от размеров животного. Это значение опти
мально для нагрузки на сердце. Более высокая концентрация
гемоглобина связана с исключительными потребностями, таки
ми, как у ныряющих животных, у которых необходимость уве
личенных запасов кислорода в крови заставляет нарушать огра
ничения на рост концентрации гемоглобина.
2. Объем крови у млекопитающих составляет от 6 до 7%
объема тела и не зависит от размеров животного. Ныряющие
млекопитающие, для которых важен большой запас кислорода,
и тут составляют исключение — объем крови у них больше.
3. Размеры эритроцитов в каждой группе позвоночных не
зависят от размеров тела. У слона и землеройки эритроциты
примерно одинаковых размеров. Пока неясно, почему для каж
дой группы позвоночных характерны специфические размеры
эритроцитов. Тот факт, что у хвостатых амфибий эритроциты
очень велики, не имеет рационального объяснения.