Кровь и перенос газов

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 (V_K, мл) относительно массы тела (М_т, кг) имеет следующий вид: У_к = 65,6 M_T^l>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 Ро_й 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.