Углекислый газ и карбонатная система воды. Часть 2.

Подавляющему большинству свободноживущих многоклеточных животных для дыхания необходим кислород. С другой стороны также жизненно необходимо выведение из организма образующегося углекислого газа. Исполнение и сопряжение этих процессов составляют сущность т.н. внешнего дыхания. В ракурсе нашей темы важны два аспекта. Во-первых, доставку кислорода и выведение небезопасных продуктов метаболизма рыб выполняет система красной крови – эритроциты и плазма. Во-вторых, рыбы имеют замкнутую систему кровообращения, или систему кровообращения с высоким давлением. В таких системах органы и ткани получают необходимое количество крови не только в зависимости от интенсивности своей жизнедеятельности, но и в зависимости от состояния самих сосудов. Рассмотрим это несколько подробнее.

Транспорт газов в организме рыб . Основную часть работы, связанную с обменом газов в организме, т.е. снабжение кислородом и удаление углекислого газа, выполняет система красной крови: плазма и эритроциты. Как известно, гемоглобин ( Нb ) эритроцитов обладает способностью обратимо связывать кислород: Нb+О 2 ↔НbО 2 . Доля связанного гемоглобина (оксигемоглобина, HbО 2 ) зависит от содержания кислорода в среде, окружающей эритроциты, т.е. в плазме. Тогда, казалось бы, одной разницы по содержанию кислорода в жаберных капиллярах и капиллярах тканей вполне достаточно для выполнения гемоглобином своей кислород-транспортной функции. Однако, ввиду особой важности задачи снабжения кислородом дышащих тканей, эволюция сформировала множество механизмов, обеспечивающих тонкую зависимость свойств гемоглобина крови как от экологических, так и от физиологических условий. Во-первых, эритроциты содержат несколько типов гемоглобинов, различающихся по своим свойствам. Во-вторых, гемоглобин по сути является аллостерическим ферментом, т.е. эффективность реакции Hb+O 2 -HbO 2 кроме содержания кислорода, регулируется множеством других факторов, среди которых особое значение имеют концентрации углекислого газа и ионов водорода.

Среда с высоким содержанием СО 2 (капилляры активно функционирующих тканей) усиливает, облегчает диссоциацию HbO 2 , что приводит к более полной отдаче кислорода, «залповой разрядке» HbO 2 , по сравнению с таковой в неактивных тканях. Такое влияние СО 2 на отдачу гемоглобином кислорода известно как эффект Бора. Считается, что у рыб эффект Бора более выражен, чем у наземных позвоночных.

Обеспечив ткани кислородом, кровь должна выполнить и другую часть своей работы – удалить небезопасные продукты метаболизма, в том числе СО 2 , от работающих тканей. Скорость его образования в активно работающих тканях превышает емкость буферных систем крови и может привести к понижению ее рН . Однако стабильность рН внутренней среды организма является основой фундаментального понятия гомеостаза, сформулированного К. Бернаром: постоянство внутренней среды организма является основой независимой жизни. Установлено, что для рыб изменение рН крови в ту, или другую сторону более, чем на 0,5 единицы смертельно. В основе механизма выведения СО 2 при постоянном значении показателя рН лежат процессы, описываемые уже известным нам уравнением Хендерсона-Хассельбальха:

рН = рК 1 +lg[HCO 3 - ]/[CO 2 ]

Т.е., СО 2 переводится в НСО 3 - ; при этом отношение [HCO 3 - ]/[CO 2 ] сохраняется постоянным при увеличении концентрации его компонентов, и значение рН не изменяется. Этот процесс происходит в эритроцитах при участии цинк-содержащего фермента карбангидразы. СО 2 , как и О 2 , являясь мелкой, не несущей заряда молекулой, свободно диффундирует через клеточные мембраны эритроцита по градиенту концентрации. В рабочих капиллярах это направление плазма – эритроцит. В эритроците карбангидраза многократно ускоряет реакцию СО 2 +Н 2 О→Н + +НСО 3 - , идущую в свободной воде весьма слабо ( К 1 =4•10 -7 ). Накапливающийся в эритроцитах НСО 3 - переводится в плазму в обмен на хлорид-ион Cl - благодаря работе ионных каналов. Это обеспечивает свободную работу карбангидразы, но приводит к перераспределению хлорид-ионов из плазмы в эритроцит – т.н. хлоридный сдвиг. Остающийся в эритроците ион водорода Н + не изменяет рН его цитоплазмы благодаря буферным свойствам самого гемоглобина: обладая менее выраженными по сравнению с HbO 2 кислотными свойствами, Hb связывает образующийся в результате работы карбангидразы ион водорода – т.н. эффект Холдейна.

В капиллярах жаберного аппарата происходят процессы, обратные рассмотренным. Углекислый газ покидает плазу крови по градиенту концентрации в направлении плазма – окружающая среда. Несущий заряд гидрокарбонат-ион НСО 3 - , в отличие от СО 2 , не способен проникать через клеточные мембраны жаберного эпителия. Но в соответствии с уравненим Хендерсона-Хассельбальха, изменение отношения НСО 3 - /СО 2 при снижении концентрации СО 2 приводит к разложению гидрокарбонатов по реакции: НСО 3 - → СО 2 +ОН - и СО 2 свободно диффундирует в воду.

Оставшийся ОН - нейтрализуется освободившимися после образования НbО 2 ионами водорода Н + - процесс, обратный эффекту Холдейна. Жаберный эпителий, как и эритроциты, также обладает повышенным содержанием карбангидразы, но ее роль в процессе обмена СО 2 не совсем ясна. Более вероятным представляется сопряжение работы карбангидразы с механизмами удаления аммония NH 4 + и Н + , а также поглощением ионов Na + и Cl - , протекающими у рыб в жабрах. Приблизительно таким образом работают механизмы обмена газов в естественных условиях, т.е. в воде, находящейся в состоянии, близком к газовому равновесию и содержащей мало углекислого газа.

Низкое содержание СО 2 в большинстве природных вод и постоянство направления градиента концентрации углекислого газа в направлении организм – среда, дало основание некоторым физиологам для радикальной формулировки: рыбы живут в углекислотном вакууме. Именно поэтому рыбы обладают минимальной среди всех позвоночных буферной емкостью крови. К сожалению это не всегда так даже в природе, например, в тропических водоемах с кислой водой, рН которой, как мы убедились, зависит от содержания СО 2 . В этих случаях рассмотренный выше эффект Бора мог бы сыграть отрицательную роль. Но природа решила это противоречие весьма просто: живущие в таких водах рыбы не обладают выраженным эффектом Бора и их гемоглобин способен к транспорту кислорода даже при высоком содержании СО 2 в крови. Это относится к большинству успешно освоенных аквариумистикой мелких харациновых, карповых, радужницам и др., о чем упоминалось выше. Для аквариумиста важно, что все они удовлетворительно переносят плотные посадки (т.н. «плотные» рыбы) и прекрасно чувствуют себя в слабощелочной воде. Тем не менее, кислые природные воды еще прячут в себе немало «запретных плодов»: взять хотя бы дискуса Хеккеля - Symphysodon discus Haeckel,1840…

В отличие от выше упомянутых, многие обитатели текущих и слабощелочных вод обладают гемоглобином, чувствительным к эффекту Бора, что при содержании их в аквариумах может привести к проблемам. При высоком содержании СО 2 в воде аквариума, низких значениях рН и dКН имеет место следующее противоречие. Содержание кислорода в воде достаточно для насыщения гемоглобина кислородом в жабрах. Но остаточное высокое содержание СО 2 в плазме крови приводит к уменьшению доли HbO 2 еще в магистральных артериях. При «залповой разрядке» такого оксигемоглобина в капиллярах активно работающих тканей, высвобождаемого кислорода оказывается уже недостаточно и развивается тканевая гипоксия. При этом жаберные рецепторы сигнализируют в дыхательный центр о нормальном насыщении крови кислородом, а от работающих тканей поступает диаметрально противоположная информация. Чтобы понять, что может происходить с организмом рыб в такой ситуации, необходимо рассмотреть особенности организации их сосудистого русла.

Кровеносная система рыб . В замкнутой системе кровообращения каждый тип сосудов выполняет свою определенную физиологическую функцию. Кровь движется по сосудам от центра – сердца, к периферии – капиллярам. Сердце, являясь источником движения, создает необходимые для перемещения крови импульс и давление. Кровяное давление рыб четко кореллирует с частотой сердечных сокращений. Аорта и крупные магистральные артерии, благодаря эластичности своих стенок, сглаживают пульсовую волну и поддерживают скорость кровотока. Более мелкие артериолы, путем изменения своего просвета за счет тонуса гладкомышечной оболочки, регулируют кровоснабжение различных органов. Прекапиллярные артериолы определяют количество работающих в каждом органе капилляров, опять же за счет изменения своего просвета.

В собственно капиллярах происходит обмен жидкостей и газов между кровью и тканевой жидкостью, непосредственно омывающей элементы тканей. Стенки капилляров не имеют мышечных элементов, поэтому величина их просвета, а значит и возможность продвижения по ним крови, зависит только от давления крови в артериолах. Cуммарное сечение капилляров почти в 1000 раз больше сечения аорты (данные для млекопитающих). Объем капиллярного ложа составляет большую часть объема всего сосудистого русла и многократно превышает объем имеющийся крови. Поэтому для нормальной жизнедеятельности организма очень важна физиологическая управляемость системы кровообращения.

Венозная часть сердечно-сосудистой системы является емкостным, коллекторным звеном. Скорость кровотока в венах значительно ниже, чем в артериях. Вены могут вмещать до 80% крови, способствуя ее перераспределению в организме. Наиболее емкими являются вены брюшной полости, селезенки и кожи, составляя т.н. депо крови в организме. В состоянии покоя организм депонирует до 50% своей крови, да и в состоянии активности определенная часть крови всегда находится в депо. Физиологические механизмы депонирования крови и ее мобилизации из депо специфичны и к сожалению мало изучены даже у человека. Емкость венозной части сосудистого русла определяет очень важную величину венозного возврата крови к сердцу. При недостаточном венозном возврате крови возможна рефлекторная остановка сердца. Недостаточность венозного возврата крови к сердцу возможна, например, при расстройствах кровообращения, связанных с обширными травмами, некрозами, действием раздражающих кожу веществ. В основе этого явления лежит неуправляемое расширение капилляров, что приводит к падению кровяного давления и недостаточному венозному возврату.

Организм всегда обходится только частью имеющейся крови, снабжая ей лишь постоянно работающие (мозг, сердце, почки, жабры) и активно функционирующие структуры. В основе этого лежит т.н. принцип перемежающейся активности функционирующих структур: органы никогда не работают все вместе, а только поочередно и частично (Крыжановский Г.Н.). Из него же вытекает необходимость постоянного перераспределения крови и ее частичное депонирование.

Среди регуляторов кровоснабжения органов и тканей организма важное значение принадлежит углекислому газу. Но если СО 2 активно функционирующих структур является физиологическим стимулятором их местного кровоснабжения, то тотальное повышение уровня СО 2 крови вызывает ее перераспределение по механизму стресс-реакции. При этом происходит т.н. централизация кровообращения: продолжают активно снабжаться кровью только постоянно работающие органы (см. выше), а остальные оказываются на «голодном пайке» за счет сокращения прекапиллярных артериол. В результате кровь циркулирует только по магистральным сосудам и постоянно работающим органам – сердцу, мозгу, почкам, жабрам. Понятно, что такое состояние долго продолжаться не может, и если содержание СО 2 не уменьшится, организм отвечает формированием патологических процессов. Их конкретное проявление группоспецифично, но чаще всего это локальные кожные некрозы и нарушения обмена жидкости.

Так, у живородок, атерин наиболее, уязвима кожа. На теле, чаще всего возле спинного плавника или хвоста, появляются белые пятно, или сетка. Их размер и окраска увеличивается и усиливается. В течение 1-2 суток рыба погибает. По внешним признакам заболевание сравнивают с химическим ожогом (Р. Бауэр), или описывают как флексибактериоз, колумнариоз (Дж. Баслер). Антимикробные препараты малоэффективны. Даже по перенесении в другую воду, заболевшие рыбы погибают; выживают только экземпляры, у которых кожа не была повреждена. Молодь гораздо чувствительнее взрослых.

У некоторых цихлид – скалярий, акар, псевдотрофеусов – длительная централизация кровообращения приводит к застою крови в воротной вене печени. Вследствие этого увеличивается давление в капиллярах органов брюшной полости, что приводит к экссудации жидкости в брюшную полость и развитию асцита - водянки брюшной полости. Антимикробные препараты опять же малоэффективны, но нормализация условий содержания часто позволяет добиться положительных результатов. При этом проявляется одна из особенностей действия углекислого газа на организм: длительность периода восстановления близка к длительности периода воздействия (Массарыгин А.Г., 1973).

Золотые рыбы как бы объединяют в себе оба предыдущих типа. Но в отличие от живородок, их кожные реакции в силу возможности более длительного развития процесса, формируют несколько иную клиническую картину: локальные очаги кожного некроза отторгаются и образуются открытые, глубокие трофические язвы. Как и у живородок, их терапия также зачастую безуспешна.

Следует обратить внимание, что СО 2 в нормальных условиях является естественным физиологическим регулятором кровоснабжения органов. Поэтому его недостаток также может быть опасен, особенно для молоди. Но такие состояния легче контролировать, просто придерживаясь рекомендуемых значений показателя рН . Так, например, личинки звездчатого анциструса ( Ancistrus leucostictus ), черного ножа ( Apteronotus albifrons ) при рН>7,5 не переходят на экзогенное питание и даже при наличии стартового корма пассивно лежат на дне, погибая от голода. Как известно, СО 2 для молоди является мощным стимулятором двигательной активности. Информации по рекомендуемым значениям dКН , рН и др. в аквариумной литературе довольно много.

Подытожить разговор о СО 2 -системе можно с экологической точки зрения, поскольку грамотно устроенный декоративный аквариум все же является моделью экологической системы. В течение жизненного цикла организм рыб встречается с разнообразными экологическими факторами. Безусловно СО 2 и рН относятся к экологическим факторам, являясь также и факторами лимитирующими, поскольку и СО 2 , и рН влияют на выживаемость рыб. Диапазон колебаний содержания СО 2 в среде, совместимый с жизнью рыб не превышают 10 раз. Так например, если для многих живородок содержание СО 2 1-2мг/л является комфортным, то при 10-15мг/л СО 2 о долгой и «счастливой» жизни этих рыб не может быть и речи. В то же время, колебания концентраций многих ионов (для них биологические мембраны непроницаемы) большинство рыб выдерживают в диапазоне до 100 крат (2 порядка), и являются относительно этих факторов эврибионтами. Так, например, минимальная жесткость воды, согласно ПР СаСО3 составляет 0,35° dGH . Такое значение общей жесткости весьма рекомендуемо для размножения красных неонов ( Cheirodon axelrodi ). Но малек этого вида прекрасно себя чувствует и в воде с общей жесткостью 30° dGH . То же можно сказать и о гидрокарбонатах. Однако возможны и исключения. Так, для большинства рыб физиологический диапазон колебаний значения кислотности воды составляет 2 порядка, или 2 единицы рН : рН 6,0-8,0. Но есть и виды, диапазон устойчивости (толерантности) которых не превышает 10 крат – 1 единицы рН . К таковым относятся некоторые эндемики Танганьики, Амазонии ( Symphysodon discus ), являющиеся т.н. стенобионтными видами. Можно утверждать, что стенобионты не выдерживают более 10-кратного диапазона колебаний экологического гидрохимического фактора и стенобионтными по отношению к СО 2 являются многие аквариумные рыбы.

Таким образом, действие углекислоты на рыб полностью укладывается в рамки закона толерантности Шелфорда: на организм отрицательно влияет как избыток, так и недостаток СО 2 и для комфортного самочувствия неодходимо его присутствие в «стандартных» количествах, определяемых dКН и газовым равновесием.

Аквариумисту всегда есть смысл знать состояние буферной системы воды своего аквариума. К счастью рынок предоставляет для этого широкий ассортимент недорогих гидрохимических тестов, как зарубежных, так и отечественных. На практике, при расчетах по приведенным выше уравнениям, наибольшие затруднения вызывает совмещение единиц измерения результатов теста с требованиями химии. Для решения уравнений необходимо представить концентрации измеренных параметров в молярной форме, тогда как тесты показывают значение жесткости (общей и карбонатной) – в градусах немецких, а углекислого газа – в мг/л. Тогда для расчета молярной концентрации СО 2 напомним формулу: [СО 2 ]=z/44 (10 -3 М, или mM), где z мг/л – измеренная с помощью СО 2 -теста концентрация углекислого газа.

Для пересчета единиц измерения жесткости можно предложить следующие формулы:

[Ca ++ ] = 0,18 (x ° dGH) (10 -3 M, или mM) [HCO 3 - ] = 0,36(y ° dKH) (10 -3 M, или mM)

где x° и y° – соответственно общая и карбонатная жесткость, измеренная в немецких градусах.

В качестве примера рассмотрим: 1) воду из-под крана; 2) ту же воду, отстоянную в течение суток; 3) воду из старого аквариума с плотной посадкой рыбы, но почти без растений; 4) утреннюю воду из старого аквариума без аэрации, с большим количеством растений, но малым количеством рыб; 5) ту же воду вечером. Для удобства результаты измерений собраны в таблицу 1: