Глава 2 Вода — основа жизни

Глава 2

Вода — основа жизни

Жизнь возникла благодаря воде. Химические реакции, происходящие в живых тканях, требуют участия молекул, плавающих в воде или находящихся на поверхности мембран, которые омываются водой. Эти реакции часто и происходят с участием самих молекул воды.

Этому не надо удивляться. Жизнь зародилась в океане и никогда не покидала его. Внутри нас по-прежнему океан.

Единственными тканями в нашем организме, в которых содержание воды относительно невелико, являются жировая и костная (скелет). В них содержится всего около 25 % воды. И жировая, и костная ткани довольно пассивны. Нельзя сказать, что они не живые и в них не происходит никаких процессов. Просто процессы эти замедленны по сравнению с другими тканями. В бурном круговороте химических веществ в организме жировая и костная ткани могут сравниться с тихими улочками посреди оживленных проспектов.

С кровью дело обстоит совсем иначе. Поскольку это жидкость, то можно предположить, что она содержит воды больше, чем другие ткани. Но это не совсем справедливо.

В целом в тканях организма, если не принимать во внимание жировую и костную, содержится от 70 до 85 % воды. В этом отношении кровь представляет собой нечто среднее. Она на 80 % состоит из воды. Сердце и почки также состоят из воды на 80 %, хотя они и не жидкие, как кровь. Больше всего воды содержится в сером веществе головного мозга — 85 %.

И тем не менее серое вещество плотное, а кровь жидкая. Несмотря на высокое содержание воды, серое вещество состоит из соединенных между собой неподвижных клеток. В крови также есть клетки, но они не соединены и находятся в движении. Они циркулируют в жидкости независимо друг от друга. Кровь движется и переносит клетки.

Если бы единственной функцией крови было перемещение кровяных клеток с места на место, то для этой цели сгодилась бы любая жидкость. Если бы жизнь зародилась в океане, состоящем не из воды, а из другой жидкости, эта жидкость выполняла бы ту же функцию, что и вода.

Однако у крови много и других функций, и по многим причинам ни одна другая жидкость не может заменить воду.

Например, из всех известных веществ только вода является лучшим растворителем, то есть она может растворять многие вещества, не повреждая при этом их молекулы. По своему опыту мы все знаем, что столовая соль, двууглекислый натрий, сахар и алкоголь — самые обычные вещества, растворимые в воде. Существуют еще тысячи веществ, которые растворяются в воде столь же легко, а также тысячи других, растворяющихся не полностью.

В результате жидкая часть крови переносит не только клетки, но и все растворимые вещества. Ни одна другая жидкость на это не способна, ни в одной жидкости не может происходить так много разных реакции, и ни одна жидкость не в состоянии обеспечить живые ткани столь большим разнообразием химических веществ.

Есть и вторая причина, по которой вода является самой совершенной жидкостью для нашей реки жизни. Но эта причина требует более сложного объяснения, поэтому я подойду к ней постепенно, начав с истории эволюции.

Когда животные в первый раз решились выбраться из воды на сушу, оказалось, что окружающая среда намного суровее, чем среда в океане, к которой животные успели приспособиться за миллионы лет.

Прежде всего температура воздуха изменялась каждый день и в каждое время года. В отдельные дни температура утром и после полудня могла различаться на 20 или 30°. Разница между зимой и летом могла составлять 100° или более. С другой стороны, в океане, за исключением тонкого слоя на поверхности тропических морей, температура оставалась постоянной каждый день, не меняясь ни зимой, ни летом. Эта постоянная температура была близка к точке замерзания воды, но это не являлось преградой для развития жизни. Газы растворяются в холодной воде быстрее, чем в теплой, поэтому в холодной воде было больше кислорода и она могла поддерживать жизнедеятельность более крупных животных.

Самые древние формы наземной жизни, включая беспозвоночных, таких, как улитки и насекомые, и позвоночных, таких, как амфибии и рептилии, сумели приспособиться к температурным изменениям новой среды обитания. Они остались холоднокровными.

Это не значит, что кровь этих животных была заморожена. Просто их тела принимали температуру воздуха окружающей среды. Поскольку температура воздуха поднималась выше 37 °C (температура человеческого тела) всего на несколько дней в году, а в остальное время всего на несколько часов в день, температура тела холоднокровных животных всегда была ниже температуры тела человека. Эти животные обладали холодной по сравнению с нашей кровью.

Но у этой особенности были свои недостатки. Если температура воздуха опускается ниже точки замерзания воды, снижается и температура тела холоднокровного животного. Если вода в его организме замерзнет, оно умрет. Единственным способом для вида выжить в суровую зиму было, прежде чем погибнуть, отложить яйца до весны, или временно вернуться в воду (под слой льда), или мигрировать в более теплые края, или впасть в спячку в каком-либо защищенном от холода месте. Океан, кроме верхнего слоя в полярных областях, никогда не замерзает, поэтому у морских животных такой проблемы никогда не возникает.

С повышением температуры химические реакции протекают быстрее, а с понижением их скорость замедляется. Поэтому температуру в комнате можно определить по тому, как стрекочет сверчок. Эти звуки вызываются трением ножек насекомого о крылья. Частота стрекота зависит от частоты сокращения мышц, а та, в свою очередь, от скорости химических реакций в мышечных клетках и, следовательно, от температуры этих клеток и, наконец, температуры воздуха в помещении, где находится сверчок.

Химические реакции в организме холоднокровного животного проистекают с нормальной скоростью при теплой погоде. Когда температура падает, животное становится вялым.

Животное, выработавшее способ сохранять постоянную температуру тела, несмотря на атмосферные изменения, приобретает огромное преимущество над своими холоднокровными собратьями. Оно может спокойно обитать в тех областях, где слишком холодно для животных с холодной кровью. В прохладный день оно может двигаться и реагировать быстрее, чем холоднокровное животное. Оно может легко избежать поимки крупным холоднокровным существом и само поймать и съесть более мелкое.

Несомненно, что теплокровность стала ключом к более оптимальному выживанию, поэтому самые высокоразвитые современные млекопитающие и птицы являются теплокровными.

Источник тепла не представляет собой проблему. Химические реакции, происходящие в организме, способны производить тепловую энергию в изобилии. Единственная сложность — как удержать тепло в организме и не дать ему уйти через кожу слишком быстро.

Одним из способов сохранения тепла является увеличение размера тела. Чем животное больше, тем меньше площадь поверхности его тела по сравнению с его массой. Если массу мыши увеличить в сто раз, оставив без изменений форму ее тела, она станет вырабатывать в сто раз больше тепла. Однако площадь соприкосновения мыши с окружающей средой, ее шкурка, увеличится только в десять раз, поэтому животное станет терять тепло только в десять раз быстрее.

Приведенные расчеты позволяют сделать вывод, что большим животным легче сохранять тепло, чем мелким. Это может быть одной из причин, по которой некоторые холоднокровные динозавры и родственные им рептилии достигали таких огромных размеров. Также это может объяснять большие размеры некоторых теплокровных животных, обитающих в арктических зонах: китов, моржей и белых медведей.

Кроме увеличения массы тела, существует еще один способ сократить потерю тепла. Воздух является очень плохим проводником тепла. Если слой воздуха вокруг тела животного будет сохраняться в неподвижности, то даже в холодные дни потеря тепла будет идти медленнее. Но проблема в том, что воздух не может удерживаться на месте. Даже если бы не было ветра, движения животного будут производить колебания воздуха. А именно движущийся воздух приводит к потере тепла.

Как же животному удержать воздух вокруг своего тела в неподвижности? Две различные группы животных решили эту задачу по-разному. У предков млекопитающих появилась шерсть, а у предков птиц — перья. И шерсть, и перья постепенно сформировались из чешуи. Шерсть и перья задерживают у поверхности кожи слой «мертвого» воздуха, чем уменьшают потерю тепла; при этом перья действуют намного эффективнее шерсти. Когда потеря тепла уменьшается, естественное тепло, образующееся в организме в ходе химических реакций, согревает млекопитающих и птиц даже в холодные дни.

Человек, который потерял почти все покрывающие тело волосы, стал заменять естественный покров искусственным в виде одежды в холодный день и одеяла ночью. У китов, также потерявших волосяной покров, но тем не менее вернувшихся в ледяной океан, сформировался толстый слой подкожного жира, который также хорошо препятствует потере тепла.

Когда решена проблема потери тепла, возникает трудность иного рода. В теплые дни в организме может накапливаться слишком много тепла. Во время повышенной активности скорость химических реакции увеличивается и, следовательно, производится большее количество тепла. Получается, что теплокровные животные, научившись сохранять тепло, должны научиться избавляться от него, когда возникает такая необходимость.

У нас, например, есть потовые железы, постоянно выводящие избыток жидкости на поверхность кожи. Там она испаряется, превращаясь в газ. Водяные пары обладают большей энергией, чем жидкость при той же температуре. Следовательно, чтобы жидкость превратилась в пар, нужно тепло, самая простая форма энергии. Необходимое тепло поступает из наиболее доступного источника: из кожи, с которой тесно связано потоотделение.

Другими словами, испарение потовых выделений охлаждает кожу. В прохладные дни потовые железы работают менее активно, поэтому охлаждение замедляется. В теплые дни или в периоды повышенной активности потоотделение становится более обильным, и кожа охлаждается.

Поэтому потоотделение является естественной системой охлаждения. Способность потеть позволяет человеку выживать при высокой температуре, при которой может даже закипеть вода. Если раскаленный воздух абсолютно сухой, усиливается потоотделение, и испаряющаяся с поверхности тела жидкость охлаждает кожу быстрее, чем тепло успевает образоваться в организме.

Ценность системы охлаждения становится особенно понятной в тех случаях, когда она работает с перегрузками. Иногда мы так активно двигаемся, что вырабатываем тепла больше, чем может вывестись на поверхность кожи с потом. Потоотделение происходит очень быстро, пот не успевает испариться, и его капельки собираются на коже. В жаркий и влажный день испарение настолько замедляется, что капельки пота образуются на коже, даже если мы находимся в неподвижном состоянии. В любом случае отказ системы охлаждения приводит к неприятным последствиям.

Другой способ регуляции температуры тела происходит с участием крови. В самой химически активной части тела температура будет выше, чем в остальных органах. В тех органах, которые расположены ближе к более холодной окружающей среде, температура будет ниже.

Кровь уравнивает эти разницы температур во время циркуляции. Она поглощает тепло, проходя через активные органы, например печень, затем, проникая в более холодные ткани, такие, как кожа, кровь отдает им тепло. Таким образом она охлаждает печень и согревает кожу.

В жаркие дни тело медленно отдает тепло окружающему нагретому воздуху. В качестве компенсации в организме происходит расширение мелких кровяных сосудов. Это происходит из-за расслабления крошечных мышечных клеток в стенках кровеносных сосудов. Расширенные сосуды пропускают больше крови, поэтому в окружающую среду выводится больше тепла. Это компенсирует его более медленную потерю. Поэтому лицо человека краснеет в жаркий день, или после напряженной работы, или физических упражнений, когда производимое мышцами количество тепла превосходит обычное.

С другой стороны, когда температура воздуха опускается ниже обычной, происходит повышенная потеря тепла, и организм должен компенсировать эти затраты. Одним из способов является сокращение мышц мелких сосудов, что приводит к их сужению. Таким образом поступление крови к коже снижается, и потеря тепла уменьшается. Поэтому мы и синеем от холода. Холод также вызывает дрожь, при этом повышение мышечной активности приводит к выработке дополнительного тепла; на холоде возникает «гусиная кожа», когда поднимаются до этого бесполезные маленькие волоски, и организм таким образом пытается удержать у своей поверхности более толстый слой воздуха.

Какую роль играет вода в процессе теплообмена, проходящем с участием крови и потоотделения? Для ответа на этот вопрос необходимо знать, сколько тепла могут удерживать различные вещества.

Допустим, вы нагрели литр воды до температуры 100 °C, то есть вода дошла до точки кипения. Далее, у вас есть литр этилового спирта при температуре 0 °C, то есть в точке замерзания воды.

Теперь смешайте литр горячей воды и литр холодного алкоголя, стараясь не потерять большое количество жидкости в результате активного испарения. У вас получится два литра водно-алкогольной смеси со средней температурой. Здравый смысл подскажет вам, что температура этой смеси должна составлять нечто среднее от двух температур: 50 °C.

Однако в этом случае здравый смысл ошибается, как в общем-то часто и происходит. Окончательная температура будет, скорее всего, равна 65 °C.

Вода способна удержать больше тепла, чем алкоголь. Для повышения температуры воды требуется больше тепла. И если температура падает, вода отдает больше тепла, чем алкоголь. Количества тепла, отдаваемого водой при охлаждении на 35°, достаточно для нагревания алкоголя до 65°.

Для нагревания одного кубического сантиметра воды на 1 °C требуется 1 тепловая калория. (Точное количество калорий может несколько различаться в зависимости от начальной температуры, но не будем это принимать во внимание.) При температуре тела потребуется всего 0,6 тепловой калории, чтобы нагреть один кубический сантиметр этилового спирта на 1 °C, а для нагревания такого же объема оливкового масла потребуются и того меньше — всего 0,5 калории.

Некоторые известные всем твердые вещества удерживают тепло еще хуже, чем оливковое масло. Кубический сантиметр стекла при обычной температуре нагреется всего на 1° после поглощения 35–50 тепловых калорий. Точная цифра зависит от разновидности стекла. Некоторые металлы удерживают тепло еще слабее. При обычной температуре кубический сантиметр меди нагреется на 1° после поглощения 22 калорий. Для серебра это будет примерно 15 калорий, а для золота всего 8 калорий. Температура пустого чайника на огне поднимется моментально, однако небольшое количество воды в том же чайнике будет нагреваться очень медленно.

Количество тепла, удерживаемого тем или иным веществом, называется удельной теплоемкостью, ранее я уже пытался объяснить вам, что удельная теплоемкость у воды выше, чем у любого другого вещества.

Когда кровь поглощает тепло, выделяющееся в ходе химических реакций, которые протекают в печени или работающих мышцах, ее температура повышается медленнее, чем это происходило бы, будь в составе крови не вода, а какая-нибудь другая жидкость. Когда, поступая к коже, кровь отдает тепло, то теплоотдача тоже происходит медленно. Необычайно высокая удельная теплоемкость воды помогает крови более эффективно уравнивать температуру.

Сходное воздействие оказывает вода и на погоду. Удельная теплоемкость у морской воды выше, чем у сухой почвы. Таким образом, температура океана под воздействием летней жары повышается медленнее, чем температура почвы, и так же медленно уменьшается с приходом зимы. Поэтому океан оказывает смягчающее воздействие на температуру окружающей среды: в прибрежных районах прохладнее летом, чем в глубине материка, и теплее зимой. Кровь, как я уже говорил, тоже наш океан, а омываемое им тело является как бы прибрежной зоной.

Так же как для повышения температуры воды требуется очень много тепла, так и для ее испарения требуется значительное тепло. Нужно около 550 тепловых калорий, чтобы испарился один кубический сантиметр воды, а для испарения такого же количества алкоголя требуется всего треть этого количества. Ученые-химики говорят, что для испарения воды требуется самое большое количество скрытой теплоты.

Капелька алкоголя с кожи испаряется быстрее, чем вода, поэтому и охлаждает кожу сильнее. Однако от алкоголя скоро не остается и следа. Капелька воды такого же размера продержится на коже дольше, действуя более медленно, и выведет из организма в три раза больше тепла. Потоотделение не было бы таким эффективным средством охлаждения, если бы пот состоял не из воды, а из другой жидкости.

Именно высокие теплоемкость и скрытая теплота испарения воды пришли мне на ум, когда в начале этой главы я упомянул о другой причине того, что только вода особенно хорошо подходит для жизни.