Кандидат химических наук Т. ЗИМИНА.
Коррозия - сложный физико-химический процесс. В ее основе лежит электрохимическое (а не химическое, как считали прежде) растворение металлов и сплавов. В процессе коррозии одновременно протекают как минимум две реакции: окисления и восстановления. Если одну из них по какой-то причине удается затормозить, процесс коррозии существенно замедляется - металл становится коррозионностойким .
При коррозии окисляется (отдает один или несколько валентных электронов) металл, то есть на нем протекает анодная реакция электрохимического процесса. Этот процесс можно представить в виде реакции
Ме → Me n + + ne - ,
где е - валентный электрон; n - число электронов, "отданных" металлом; Ме n + - металл в окисленном состоянии.
В сопряженном катодном процессе восстановления (присоединение одного или нескольких электронов) могут участвовать разные агенты в зависимости от природы коррозионной среды. Чаще всего таким агентом становится кислород. Именно он "отбирает" электроны, то есть восстанавливается. Например, для нейтральных сред, к которым относится вода, катодный процесс можно представить следующей реакцией (коррозия с кислородной деполяризацией ):
О 2 + 4е + 2 Н 2 О = 4 ОН.
Коррозия элементов системы теплоснабжения (агрессивная среда - вода) протекает с так называемым катодным контролем , то есть катодная реакция заторможена по сравнению с анодной, и она определяет скорость всего коррозионного процесса. Защитить элементы системы теплоснабжения можно, если максимально "задавить" катодную реакцию. Это делают двумя способами: удалив из коррозионной среды (воды) кислород или добавив в систему ингибитор (замедлитель) коррозии. Ингибитор, обычно далеко не безвредное химическое вещество, добавить в воду не всегда возможно. Поэтому, как правило, выбирают первый путь - удаление кислорода.
Следует отметить, что коррозия в системах теплоснабжения - котлах, теплообменных установках, трубах - протекает очень активно и "злокачественно". Элементы из углеродистой стали, подвергаясь действию горячей воды (80 о С и выше), подвержены язвенной коррозии - образованию коррозионных каверн и свищей. Дело в том, что после образования рыхлой, незащитной ржавчины (гидрооксида железа) на поверхности стали образуются так называемые пары неравномерной аэрации - области с повышенным и пониженным подводом кислорода. Эти пары сами начинают работать как локальные гальванические элементы. Области с пониженной аэрацией (доставка кислорода затруднена) выступают в качестве анодов, которые начинают интенсивно растворяться, образуя язвы.
В горячей воде этот процесс происходит очень быстро, поскольку с ростом температуры ускоряются как диффузия кислорода в воде и на образующемся поверхностном оксиде стали, так и его ионизация, а следовательно, весь коррозионный процесс. Правда, одновременно уменьшается растворимость кислорода в воде. Поэтому в открытых системах (например, в открытом водонапорном баке) максимальная скорость коррозии наблюдается до 80 о С. При более высокой температуре начинает превалировать фактор снижения растворимости кислорода в воде и коррозия несколько затормаживается. В закрытых же системах, где кислород не может покинуть систему, скорость коррозии растет линейно с температурой.
Углекислый газ сам по себе не опасен для стали, но он "подкисляет" воду, образуя угольную кислоту, и тем самым провоцирует разновидность коррозии с водородной деполяризацией (например, при котельной коррозии) - процесса, в котором в катодную реакцию включается еще один агент - водород, а значит, ускоряет катодный процесс.
Кроме того, вода, как правило, содержит соли кальция, которые откладываются в виде нерастворимого защитного слоя на стенках труб и резервуаров. Однако при наличии в воде углекислого газа в концентрации, превышающей некоторую критическую величину, на поверхности стали не выпадает защитный карбонат кальция CaCO 3 , а образуется растворимый бикарбонат кальция Ca(HCO 3) 2 , что тоже ведет к коррозии.
См. в номере на ту же тему
Действие кислорода, растворенного в воде в виде молекул O2, сводится, в основном, к влиянию на окислительно-восстановительные реакции с участием катионов металлов (например, железа, меди, марганца), азот- и серосодержащих анионов, органических соединений. Поэтому при определении стабильности воды и ее органолептических качеств, наряду с измерением концентрации органических и неорганических веществ, водородного показателя pH, важно знать и концентрацию кислорода (в мг/л) в этой воде. Вода подземных источников, как правило, чрезвычайно обеднена кислородом, и поглощение кислорода воздуха в процессе ее добычи и транспортировки в водораспределительных сетях сопровождается нарушением исходного анионно-катионного баланса, приводящего, например, к выпадению в осадок железа, изменению pH воды, образованию комплексных ионов. С подобными явлениями часто приходится сталкиваться производителям минеральной и питьевой бутилированной воды, добываемой с больших глубин. В воде поверхностных источников содержание кислорода сильно варьируется в зависимости от концентрации различных органических и неорганических веществ, а также присутствия микроорганизмов. Баланс кислорода определяется равновесием процессов, приводящих к поступлению кислорода в воду, и его потреблению. Увеличению содержания кислорода в воде способствуют процессы поглощения кислорода из атмосферы, выделение кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза, подпитка поверхностных источников насыщенными кислородом дождевыми и талыми водами. Скорость этого процесса повышается с понижением температуры, с повышением давления и понижением минерализации. В подземных источниках небольшое содержание кислорода может быть вызвано вертикальной тепловой конвекцией. Уменьшают же концентрацию кислорода в воде поверхностных источников процессы химического окисления веществ (нитритов, метана, аммония, гумусовых веществ, органических и неорганических отходов в сточных водах антропогенного происхождения), биологического (дыхание организмов) и биохимического потребления (дыхание бактерий, расход кислорода при разложении органических веществ). Скорость потребления кислорода увеличивается с повышением температуры и количества бактерий. Количественная характеристика химического потребления кислорода основана на понятии окисляемости - количестве кислорода в мг, израсходованного на окисление органических и неорганических веществ, содержащихся в 1л воды (т.н. перманганатная окисляемость для слабозагрязненных вод, и бихроматная окисляемость (или ХПК- химическое потребление кислорода). Биохимическое потребление кислорода (БПК, мг/л) рассматривают в качестве меры загрязнения воды и определяют как разность содержания кислорода в воде до и после ее выдерживания в темноте в течение 5 суток при 20оС. Практически чистой считается вода с БПК не выше 30мг/л. Хотя специалисты ВОЗ не приводят количественной характеристики кислорода в питьевой воде, тем не менее они рекомендуют «… поддерживать максимально близкие к уровню насыщения концентрации растворенного кислорода, что в свою очередь требует, чтобы концентрации биологически окисляющихся веществ… были по возможности более низкими». С технической точки зрения насыщенная кислородом вода проявляет коррозионноактивные свойства к металлу и бетону, что нежелательно. Компромиссным считается степень насыщения (относительное содержание кислорода в процентах к его равновесному содержанию) 75% (или в эквиваленте от 7 летом до 11 зимой мг О2/л).
Все живые существа нуждаются в пище. Она необходимый источник энергии для поддержания всех функций организма, а также как материал для построения и обновления клеточных структур. Главным способом получения энергии является окисление пищевых веществ, а для окисления, как известно, требуется кислород. Мы познакомились с тем, как распределены в океане пищевые ресурсы. Теперь настало время рассказать, где подданные Посейдона берут необходимый им кислород, как он попадает в океанские глубины.
Все газы способны растворяться в воде. В воду природных водоемов они попадают из атмосферы Земли. Их растворимость зависит от многих причин. Среди важнейших - доля данного газа в исходной газовой среде или, точнее, его парциальное давление * . Больше всего в ней азота, 78,09 процента. На втором месте кислород - 20,95. Остальные газы находятся в мизерных количествах. Инертных газов всех скопом 0,93, причем львиная доля падает на аргон, а углекислого газа всего 0,03 процента. Принято говорить, что растворенный в воде газ находится под тем же парциальным давлением, которое он создавал в соприкасающейся с ней атмосфере. Это объясняет, почему в воде океанов больше всего азота и меньше всего углекислого газа, а кислорода примерно в 4 раза меньше, чем азота.
* (Парциальным называют давление газа, входящего в состав газовой смеси, которое создавалось бы им при той же температуре, заполняй он один весь объем, занимаемый смесью газов. )
Для растворимости важнейшее значение имеют свойства самого газа. При 15 градусах и давлении, равном 1 атмосфере, в 1 литре воды может раствориться следующее количество газов:
азота - 16,9,
кислорода - 34,1,
углекислого газа - 1019,0 миллилитра.
Таким образом, среди атмосферных газов лучше всего в воде растворяется углекислый газ.
Количество газов, растворенных в воде, зависит от их давления и температуры. Мы говорили о растворимости газов при атмосферном давлении, обычном на Уровне моря. Если его увеличить вдвое, удвоится и содержание газов в воде. Повышение температуры дает противоположный эффект. В отличие от твердых тел растворимость газов по мере нагревания воды существенно снижается.
Наличие в воде того или иного газа никак не отражается на растворимости других. Иное дело - прочие вещества. Присутствие в морской воде значительного количества солей примерно на 20 процентов снижает ее способность растворять газы. Теперь посмотрим, сколько кислорода способно раствориться в воде в наших обычных земных условиях. Напомним, что эта величина пропорциональна его парциальному давлению, то есть в 5 раз меньше, чем могло бы раствориться, если бы атмосфера Земли состояла из одного кислорода. Вот почему при 15 градусах в 1 литре воды пресноводных водоемов будет растворено не 34, а только 7 миллилитров кислорода. Итак, в 1 литре воды в природных водоемах Земли может раствориться следующее количество миллилитров кислорода:
Днем, при ясном небе, когда планктонные растения в процессе фотосинтеза выделяют много кислорода, его содержание в воде может оказаться чуть выше. Зато ночью, если в воде много живности, растворение, а главное, проникновение кислорода в глубину может не поспевать за расходом, и его реальное содержание окажется ниже расчетного.
Главный механизм распределения растворенных в воде газов - диффузия, то есть растекание вещества из места его сосредоточения во все стороны пространства. Сущность диффузии состоит в том, что молекулы любого вещества, если их концентрация велика, стремятся проникнуть туда, где их мало. Диффузия продолжается до тех пор, пока концентрация молекул этого вещества не станет везде одинаковой. Диффузия газов как в воде, так и в цитоплазме живых клеток, а также в межтканевых жидкостях происходит без специальных затрат энергии. Для распространения газов тонкие оболочки клеток и даже тонкие наружные покровы тела животных не являются серьезным препятствием. Газы легко проникают через эти преграды. Второй механизм распространения газов в жидкостях - перемещение самого растворителя, в том числе океанские течения и циркуляция крови.
Диффузия происходит с определенной скоростью, которая зависит от свойств растворителя и от характера молекул диффундирующего вещества. Чем они тяжелее, тем медленнее диффундируют. Молекула кислорода, состоящая из двух атомов (именно в виде двухатомных молекул кислород находится в земной атмосфере), значительно легче молекулы углекислого газа, а их диффузия осуществляется скорее.
Мелкие примитивные животные не имеют специальных органов для извлечения кислорода из воды и кровеносной системы для доставки его в различные уголки своего тела. Они довольствуются тем количеством газа, которое в силу простой диффузии проникает в их организм и равномерно по нему распространяется. Возможность обеспечить кислородом все "уголки" организма лимитируется длиной пути, который должен пройти газ. Для того чтобы путем диффузии обеспечить организм кислородом, его концентрация у наружной поверхности живого существа должна быть достаточно велика, а само животное иметь небольшие размеры. В противном случае кислород в глубь организма не поступит, так как он еще в пути будет полностью израсходован.
Можно высчитать размер организма, при котором он может существовать в природных водоемах, не имея специальных органов для извлечения кислорода. Обычно животные потребляют на 1 грамм веса тела 0,001 миллилитра кислорода в минуту, поэтому при шарообразной форме тела его диаметр не должен быть больше 2 миллиметров, а у существ с иной конфигурацией максимальное удаление от поверхности глубоких частей не Должно превышать I. миллиметра. Тогда они смогут жить в воде, где парциальное давление кислорода составляет 0,15 атмосферы.
С повышением температуры воды диффузия газов ускоряется, однако одновременно уменьшается их растворимость и резко вырастает потребление кислорода живыми организмами. Поэтому конечный эффект повышения температуры имеет неблагоприятные последствия. Неудивительно, что в тропиках, где температура воды у поверхности никогда не опускается ниже 20 градусов, часто встречаются бедные жизнью районы.
Диффузия полностью обеспечивает потребности в кислороде одноклеточных животных, губок, кишечнополостных, многих видов коловраток, плоских и круглых червей, некоторых мшанок и кольчатых червей. Кое-кто из них, например, медузы и губки, имеет весьма внушительные размеры, но умудряется довольствоваться теми крохами кислорода, которые поставляет простая диффузия. В студенистом теле медузы содержится менее одного процента органических веществ. Поэтому потребности в кислороде мизерны, в пути он расходуется экономно и добирается до самых глубинных районов тела медузы. Еще проще обстоит дело у губок. Их тело пронизано многочисленными каналами и порами, через которые прогоняется вода, доставляющая кислород и частички органического вещества. Остальные многоклеточные животные транспортируют кислород с помощью межтканевых жидкостей или с кровью.
Для извлечения кислорода животные пользуются двумя типами органов. В царстве Посейдона в моде жабры, то есть выросты тела различной формы и строения. Жабры могут торчать снаружи. Чаще всего так обстоит дело у ракообразных. Благодаря оболочке, в состав которой входит весьма прочное вещество хитин, они отчасти застрахованы от повреждений. Хитин не препятствует проникновению в организм кислорода. В нем диффузия газов протекает легче, чем в большинстве других тканей организма.
Жабры высших ракообразных и рыб расположены в специальных жаберных полостях. Это мера предосторожности. У двухстворчатых моллюсков и других существ, имеющих раковину, они спрятаны во внутренних помещениях дома, что гарантирует сохранность жабр, зато требует создания специального механизма, обеспечивающего оперативную смену воды в жаберных полостях. Животные, не имеющие насосных систем, должны двигать жабрами, даже когда они торчат наружу. Если извлекать кислород из совершенно неподвижной воды, то в ближайших ее слоях он вскоре будет полностью исчерпан.
Движения жабр характерны главным образом для мелких организмов. Для крупных такой способ не годится, так как требует, чтобы жабры обладали достаточной прочностью и могли преодолевать сопротивление воды. В противном случае они будут гнуться и скручиваться, а усиливать их механическую прочность нецелесообразно. Большие и тяжелые жабры оказались бы энергетически невыгодными. Двигать жабрами умеют жаброногие ракообразные. У них на ножках сидит по нескольку лопастей. Одни обеспечивают перемещение животного, другие - дыхание, остальные гонят воду, из которой извлекается пища и кислород.
Гораздо проще организовать движение воды над жаберными поверхностями, находящимися в специальных полостях. Для этого годятся даже реснички. Их используют двустворчатые моллюски. У рыб и крабов работают настоящие насосы. Их единственное предназначение - обслуживать дыхание. Головоногие моллюски приспособили для этой цели водометный двигатель. Когда вода засасывается в мантийную полость, из нее активно отбирается кислород, а выброс воды обеспечивает передвижение животного.
У рыб фактически два насоса: ротовая и жаберная полости, снабженные соответствующими клапанами. Жаберная полость - это пространство между жабрами и жаберными крышками. Благодаря совместному действию двух насосов ток воды через жабры происходит почти непрерывно: первый насос повышает давление, проталкивая воду в жаберную полость, а второй снижает его, засасывая воду туда же.
Энергетически выгоднее медленно перемещать воду над большой дыхательной поверхностью, чем быстро над малой. Относительная площадь жабр (величина их площади, соотнесенная с весом тела животного) гораздо больше у активных рыб, таких, как тунец и макрель, чем у медлительных, вроде иглобрюха и рыбы-жабы. Среди костистых рыб, пользующихся насосами, наибольшее количество воды сквозь жабры пропускают белокровные антарктические рыбы.
Самые активные рыбы обходятся вовсе без насосов. У них "таранная" вентиляция. Тунцы носятся в подводном царстве с открытым ртом, благодаря чему попадающая в ротовую полость вода сама проталкивается сквозь жабры. Мелкие рыбы, имеющие насосы, прибегают к таранной вентиляции, если скорость их движения становится выше 0,5-1 метра в секунду. При таранной вентиляции количество воды, проходящей сквозь жабры, регулируется степенью открытия рта.
Высшие ракообразные держат свои жабры в закрытых помещениях. У американского голубого краба, постоянного обитателя воды, ведущего к тому же активный образ жизни, их размеры гораздо больше, чем у манящего краба, во время отлива предпочитающего разгуливать по пляжу и пользующегося для дыхания воздухом, где кислорода значительно больше, чем в море. Еще меньше поверхность жабр у крабов-привидений, полностью переселившихся на сушу. У них в жаберную полость выступают обнаженные сосудистые пучки, сильно упрощающие процесс поступления кислорода в кровь.
В океане существуют рыбы, не способные вентилировать собственные жаберные полости и вынужденные обращаться за помощью к другим существам. Прилипалы-реморы странствуют по океану, устроившись в жаберных полостях акул и скатов, используя своих хозяев как транспортное средство и как насос, поставляющий им свежую воду. Долго обходиться своими силами реморы не могут. Лишенные помощи хозяев, они тяжело дышат, совершая до 250 дыхательных движений в минуту, и могут довести себя до полного истощения.
Полному насыщению крови кислородом способствует система противотока жабр. Суть ее заключается в том, что если вода, орошающая жабры, течет в промежутках между жаберными лепестками, слева направо, то кровь движется по сосудам, расположенным внутри лепестков, навстречу воде, то есть справа налево. Поэтому свежие порции воды, подходящие к дыхательным поверхностям, сталкиваются с кровью, заканчивающей свой путь по жабрам и уже достаточно обогащенной кислородом. Только совершенно свежая вода способна добавить в такую кровь еще немножко кислорода. А когда, пройдя сквозь жабры и по дороге отдав почти весь кислород, она встретится там с венозной кровью, в нее легко диффундируют его последние остатки. Это позволяет рыбам извлекать из воды 80-90 процентов содержащегося в ней кислорода. Ракообразные высокими показателями похвастаться не могут. Европейские береговые крабы поглощают всего 23 процента кислорода из протекающей через жабры воды.
Жабры, если о них не заботиться, могут замусориться. Чтобы этого не произошло, высшие раки регулярно на короткий срок меняют в жаберных полостях направление движения воды. Одни делают это раз в минуту, другие каждые 10 минут или еще реже. Со стороны может показаться, что краб закашлялся. "Циклы очистки" зоологи так и называют кашлем. При подобных процедурах твердые частицы, подхваченные сильным обратным током воды, выбрасываются из жаберных полостей. Рыбы в аналогичной ситуации, не открывая рта, расширяют ротовую полость, резко снижая в ней давление. При этом изменяется направление движения воды, и грязь с жаберных лепестков удаляется. Двухстворчатые моллюски резко захлопывают створки раковин, очищая от мусора мантийную полость, где находятся жабры.
Легкие у подданных Посейдона не пользуются популярностью. Так называют органы, имеющие вид углубления или впячивания внутрь тела и рабочую поверхность на внутренних стенках полости. Чаще всего она имеет очень сложную конфигурацию, образуя бесчисленное множество альвеол. Неправильно думать, что легкие предназначены для извлечения кислорода лишь из воздуха, хотя чаще всего именно этим они и занимаются.
Голотурии пользуются легкими, представляющими собою пару длинных разветвленных каналов, лежащих справа и слева от клоаки. От нее они и берут начало, а своими слепыми концами почти дотягиваются до переднего полюса тела. Из правого кислород поступает в полостную жидкость и разносится по всему телу. Левое легкое покрыто густой сетью кровеносных сосудов, и добытый с его помощью кислород разносится током крови.
Благодаря слаженной деятельности мышц легкие голотурий то заполняются водою, то опорожняются. К сожалению, вязкость воды значительно выше, чем воздуха, поэтому заполнение всех закоулков легких водой и последующее освобождение от нее требуют значительных энергетических затрат. Это серьезно снижает эффективность работы легких. Вот почему подданные Посейдона отдают предпочтение жабрам.
Морские млекопитающие - сирены, тюлени и киты пользуются воздушными легкими. Извлекать кислород непосредственно из воды они не могут, тем не менее совершают в царство Посейдона продолжительные экскурсии. Хочу заверить читателя, что добиться этого было нелегко. Сравните способности человека, позволяющие ему находиться под водой от силы 2,5 минуты, с достижениями морских млекопитающих. Продолжительность подводных прогулок, то есть время от одного всплытия до другого, у обыкновенного тюленя достигает 15, у кита-полосатика - 30 минут, у кашалота - 1,5 часа, а у кита-бутылконоса - 2 часов. Продолжительные погружения возможны благодаря тому, что эти животные умеют делать значительные запасы кислорода, научились его экономить и даже способны некоторое время обходиться совсем без него.
У морских млекопитающих большие легкие, и они умеют ими пользоваться. Если человек при обычном дыхании заполняет воздухом около 20 процентов объема легких, то дельфины используют 80. Это не значит, что, ныряя, они стараются унести с собой как можно больше воздуха. Напротив, некоторые киты, обыкновенные тюлени, морские слоны и тюлени Уэдделла, собираясь нырять, освобождают легкие. Запасать воздух невыгодно, в нем всего 20 процентов кислорода, остальные газы животным не нужны и могут только затруднить погружение.
Морские млекопитающие запасают чистый кислород и хранят его в химически связанном виде, используя для этого особый консервант. Когда возникла необходимость в создании транспортной системы, способной взять на себя доставку кислорода, энергетических и строительных материалов, а также других веществ, необходимых для жизнедеятельности организма, выяснилось, что без него или, точнее, без газовых баллонов не обойтись, так как в 1 миллилитре кровяной плазмы или межтканевой жидкости, которая у примитивных животных заменяет кровь, может раствориться всего 0,003 миллилитра кислорода. Представляете, сколько потребовалось бы крови, какой толщины должны быть кровеносные сосуды и какая мощность необходима сердцу, чтобы обеспечить ткани тела кислородом?
Кислородные баллоны - это особые белки - глобины, находящиеся в соединении с металлсодержащими пигментами. Морские черви полихеты в качестве баллонов используют зеленые молекулы железосодержащего белка хлорокруорина. (Вот почему их кровь зеленого цвета.) К нему легко присоединяется кислород: каждый атом железа удерживает два атома кислорода. С помощью хлорокруорина кровь полихет переносит кислорода в 10 раз больше, чем смогла бы перенести без него.
Однако такие баллоны неудобны. Дело в том, что клетки тела интересуются не только содержащимся в них кислородом, но норовят использовать для собственных нужд и сами баллоны. Они рассматривают их как отличный металлолом, вполне годящийся в "переплавку" для последующего использования в строительных конструкциях.
Единственный способ предотвратить расхитительство - строить большие "цистерны", то есть очень крупные молекулы белка - переносчика кислорода, состоящие из сотен тысяч атомов. Они не могут пролезть сквозь поры стенок кровеносных сосудов, поэтому на другие нужды организма их использовать трудно. Однако большие цистерны иметь нерационально, ибо их размер растет, так сказать, за счет утолщения стенок, а вместимость остается прежней. Громоздкие, но невместительные баллоны нерентабельны.
Большинство животных перешло на небольшие, но вместительные кислородные баллоны, в которых в обратном направлении можно перевозить углекислый газ. В качестве тары используются гемоглобины. Молекула глобина взрослого человека состоит из четырех полипептидных цепей. Две альфа-цепи содержат по 141 аминокислотному остатку, а две бета-цепи по 146. Эти цепи спирально закручены и в образованных ими карманах удерживают небелковую часть молекулы - гем. Его основой служит структура из четырех пятичленных порфириновых колец, в центре которых расположен атом железа.
Гемы работают согласованно, являясь как бы членами одного кооператива. Пока "баллон" еще не начал заполняться кислородом, атом железа в альфа-цепях выступает из плоскости порфиринового кольца. Это облегчает присоединение кислорода. Затем атом железа втягивается в плоскость порфиринового кольца, что видоизменяет конфигурацию всего гема и тем облегчает связывание других атомов кислорода. Поэтому они вступают в связь с гемоглобином значительно легче, особенно четвертый, присоединяющийся к железу в 500 раз быстрее первого. Точно так же происходит разгрузка "баллонов". Отсоединение первого атома кислорода требует некоторых усилий, зато остальные "отваливаются" практически сами собой.
Описанные здесь дыхательные белки - отличные переносчики кислорода. Например, каждая молекула хлорокруорина оснащена 80 темами. О гемоглобине и говорить нечего. Однако морские животные используют и другие пигменты. Сипункулиды, донные червеобразные существа, и плеченогие, живущие в раковинах, низшие черви приапулиды, не избегающие глубоководья, где сооружают для себя норки в плотных песчаных грунтах, и некоторые кольчатые черви используют железосодержащие пигменты - гемоэритрины, в окисленном состоянии имеющие пурпурно-розовый цвет. Два атома железа этих пигментов удерживают одну молекулу кислорода, меньше, чем железо гемоглобина. Зато железа в них в три раза больше, чем в пигментах позвоночных.
Моллюски и высшие ракообразные - креветки, лангусты, омары используют медьсодержащий белок гемо-цианин. У норвежских омаров гемоцианин составляет 88 процентов всех белков крови. Два атома меди этого пигмента способны удержать одну молекулу кислорода. Окисленный гемоцианин имеет синий цвет. Это он придает крови ракообразных "благородный" голубой оттенок. В царстве Посейдона меди совсем немного, всего 1 миллиграмм на 100 литров морской воды. В крови животных, пользующихся гемоцианином, меди в тысячу раз больше - 1 миллиграмм на 100 миллилитров крови. Видимо, скопить столько цветных металлов нелегко, и животные бережно относятся к своему богатству. Если моллюск голодает, и гемоцианин используется как энергетический материал, то есть "сжигается", медь не выбрасывается в шлаках на свалку, а отправляется на внутренние склады.
Иногда животные пользуются несколькими типами дыхательных белков, обладающих неодинаковым сродством к кислороду. У кеты два вида гемоглобинов. Один предназначен для использования в богатой кислородом холодной воде горных ручьев и рек, другой - для дыхания в морской воде. Сипункулиды, живущие в подземных норках, но извлекающие кислород с помощью торчащих наружу щупалец, пользуются двумя гемоэритринами. Пигменту, циркулирующему в сосудах щупалец и извлекающему кислород из окружающей воды, нет нужды обладать большим сродством к кислороду. А вот гемоэритрину целомической жидкости это необходимо, чтобы отбирать из крови весь принесенный ею кислород и передавать его тем органам, до которых сосуды не дотягиваются.
Сипункулиды, использующие для дыхания всю поверхность тела, легко обходятся одним пигментом. У раков, обитающих в воде с температурой 25 градусов, а потому плохо растворяющей газы, сродство гемоцианинов к кислороду выше, чем у тех же раков, акклиматизированных к воде с температурой 10 градусов.
Гемоцианины и гемоглобины беспозвоночных просто растворены в крови, поэтому они, как и хлорокруорины, имеют крупные размеры и молекулярный вес, доходящий до 3,5-4 и даже 13 миллионов. Это, как уже было сказано, необходимо для того, чтобы предохранить их от использования в качестве металлолома. Более надежный способ сохранить "кислородные баллоны" - транспортировать их в специальных контейнерах - эритроцитах, красных клетках крови. Обычно контейнеры плотно забиты кислородными баллонами. У человека в каждом эритроците помещается 400 миллионов небольших баллонов - молекул гемоглобина. Молекулярный вес гемоцианинов всего 50 тысяч, гемоглобина человека - 64500, ну а гемоглобины миног и некоторых двухстворчатых моллюсков вообще крохотули с молекулярным весом 15-19 тысяч.
Эритроциты имеют круглую форму. Их максимальный размер достигает 35-58 микрон. Хотя в подобные контейнеры помещается много "кислородных баллонов", они неудобны. Трудно заряжать находящиеся внутри баллоны, так как их заполнение происходит путем простой диффузии, и трудно транспортировать по узким капиллярам. У млекопитающих эритроциты значительно мельче, в пределах 5-10 микрон. Чтобы облегчить зарядку кислородных баллонов, они из шарообразных клеток превратились в плоские с двусторонним центральным вдавлением. В таком контейнере каждая молекула гемоглобина лежит недалеко от стенки. Эритроциты у рыб немного крупнее, чем у млекопитающих, и имеют эллиптическую форму.
Обмен между кровью и тканями происходит в капиллярной части кровеносной системы и также за счет диффузии. У человека общая суммарная протяженность капилляров достигает 100000 километров. Сопоставимые величины имеет капиллярная сеть животных. На 1 квадратный миллиметр поперечного среза мышцы млекопитающих приходится от 100 до 4000 капилляров. Клетки тела не должны быть удалены от капилляра больше чем на 1 миллиметр. Обычно расстояние значительно меньше. Эритроциты могут составлять больше 40 процентов крови, но ее ток по капиллярам настолько нетороплив, что все контейнеры успевают разгрузиться именно там, где есть потребность в кислороде.
Эритроциты недолговечны. У человека они живут 100-120 дней, поэтому приходится все время заботиться об их пополнении. У кислородных баллонов срок службы тоже ограничен. Они выдерживают относительное небольшое число перезарядок, поэтому интенсивный синтез гемоглобина не прекращается ни на сутки. Несмотря на сложность устройства кислородных баллонов, на их изготовление уходит всего 90 секунд.
Создание эритроцитов и гемоглобина - материалоемкий процесс, требующий значительных затрат энергии. Неудивительно, что рыбы-белокровки отказались от дорогостоящей тары и наладили доставку кислорода непосредственно плазмою крови. Живут эти рыбы у берегов Антарктиды в холодной воде с температурой около -1 или даже -1,5 градуса. Известно около 15 видов белокровок. Это крупные рыбешки длиной до 60-70 сантиметров с голым и полупрозрачным телом.
Жабры в их дыхании не играют серьезного значения. Кислород поступает в кровь главным образом через сосуды кожи, в том числе больших грудных плавников. Отсутствие гемоглобина компенсируется рекордно большим объемом крови, крупным и сильным сердцем, способным прогонять сквозь сосудистую сеть значительные количества жидкости. Благодаря низкой температуре тела рыб в 100 миллилитрах их крови может быть растворено 0,8-1,0 миллилитра кислорода, значительно больше, чем требуется белокровкам. В холодной воде эти рыбы имеют очень низкий уровень обмена.
Поскольку отыскался удобный и надежный способ хранения кислорода во время транспортировки по трубопроводам кровеносной системы, невольно возникает вопрос: а нельзя ли организовать склады газа прямо на местах, где он особенно интенсивно используется? Оказывается, можно! Во многих тканях тела высших животных, в первую очередь в мышцах, есть кладовки для кислорода. В качестве газовых баллонов здесь используются молекулы железосодержащего белка - миоглобина. Он во многом сходен с гемоглобином, только состоит из одной цепи, ее молекулярный вес 17450, построенной из 153 аминокислотных остатков и соответственно оснащенной всего одним гемом. В окисленном виде гемоглобин имеет красный цвет. Его присутствие в мышцах и делает их красными. Белые мышцы, а есть в организме позвоночных и такие, потому и белые, что в них очень мало миоглобина.
Мышечные склады не только позволяют создавать оперативные запасы кислорода, но и облегчают его использование работающей мускулатурой. Дело в том, что миоглобин обладает значительно большим сродством к кислороду, чем гемоглобин, и в пять раз быстрее присоединяет к себе кислород. Для 50-процентного насыщения гемоглобина кислородом нужно лишь 0,038 секунды, но такой же уровень насыщения миоглобина наступает в 100 раз быстрее, всего за 0,0004 секунды.
Особенно много миоглобина содержится в мышцах морских млекопитающих. У дельфинов дыхательный белок составляет 3,5, а у тюленей даже 7,7 процента веса мышц. Это значительно больше, чем в мускулатуре человека. Кислород, хранящийся в мышцах тюленя, может обеспечить их работу в течение 5, а у человека его хватит на 4 минуты. Однако не мышечные склады кислорода позволяют осуществлять длительные погружения. Морские млекопитающие, опускаясь в глубины океана, умеют организовать снабжение своего мозга кислородом, который собственных запасов не имеет. Мозг без кислорода работать не может, но мускулатуру, хотя и ненадолго, к этому можно принудить.
Животные пользуются двумя способами извлечения энергии из пищи: ее полным сжиганием в присутствии кислорода и брожением, когда окисление горючего происходит путем отщепления от него водорода. Второй путь используется реже, так как расщепление пищевых веществ идет в этом случае не до конца, а только до молочной кислоты, то есть не позволяет извлечь из "горючего" всей заключенной в нем энергии. Кроме того, молочная кислота вредна для клеток организма и может вызвать отравление.
Морские млекопитающие комбинируют оба способа извлечения энергии. Пока они плавают у поверхности океана и не испытывают недостатка в кислороде, идет обычное окисление энергетических материалов, но уйдя в глубины, животные прибегают к брожению. Отравления не наступает, так как при мускульном напряжении пережимаются сосуды и молочная кислота оказывается локализованной в мышце, то есть в наименее чувствительном к ее воздействию органе. У нырнувшего животного происходит перераспределение кровотока, благодаря чему кровью снабжается главным образом мозг, глаза и другие органы головы, а также сердце, и весь кислород используется только на работу этих важнейших органов.
Одновременно с подъемом к поверхности в организме восстанавливается нормальное кровообращение, а в крови резко возрастает количество молочной кислоты, вымываемой из мышц. При достаточном количестве кислорода кислота может быть доокислена, что дает двойной эффект: обезвреживается ядовитое вещество и извлекаются дополнительные порции энергии. Таким образом, временный переход на бескислородный способ обмена позволяет млекопитающим наносить продолжительные визиты в вотчину Посейдона.
В отличие от человека морские млекопитающие кессонной болезнью не страдают. Профессиональная болезнь водолазов возникает у людей при подъеме к поверхности воды после длительного пребывания на глубинах свыше 20 метров. Ее вызывает выделение пузырьков азота. Они растягивают ткани тела, особенно суставных сумок, вызывая сильную боль, а попадая в мелкие сосуды, закупоривают их, прекращая движение крови. Закупорка сосудов мозга приводит к гибели нервных клеток и серьезному нарушению функций нервной системы или гибели пострадавшего.
За время пребывания под водой в тканях тела водолаза успевает раствориться много азота. Ведь газы оказываются здесь под большим давлением. В жире и жироподобных веществах, которых в общей сложности з организме около 10 килограммов, азот растворяется в пять раз лучше. Таким образом, один жир способен накопить столько же азота, сколько все остальные ткани тела вместе взятые.
Морским млекопитающим кессонная болезнь не грозит. Они уносят в легких совсем немного азота и в отличие от водолазов эти запасы не возобновляют. У них нет возможности перенасытить свои ткани азотом. Кроме того, во время погружения азот из легких в кровь вообще не поступает. У китов уже на глубине 100 метров давление воды должно сильно сжать легкие и выдавить оттуда весь воздух, объем которого под воздействием высокого давления уменьшился в десять раз, в большую трахею, защищенную от сжатия костными кольцами. Кроме того, в результате перераспределения кровотока движение крови в легких прекращается, а это значит, что все пути проникновения азота в кровь оказываются перекрыты. В общем, в тканях тела у странствующих под водой животных не происходит накопления азота, а следовательно, нет и причин для возникновения кессонной болезни.
Пожалуй, сейчас даже дети знают, что химическая формула воды - H 2 O. Однако это теория, а на деле в воде растворено огромное количество веществ как органического, так и неорганического происхождения. Чистая вода, как известно, не имеет вкуса и запаха, но кто угодно может убедиться в том, что в подавляющем большинстве случаев это не так. В питьевой воде, например, содержится некоторое количество минеральных солей, что придает ей солоноватый привкус. В той или иной степени в ней содержится все то, с чем она контактирует. Точный зависит от места ее забора, ведь в разных местах она контактирует с разными веществами. Кое-где химики найдут в жидкости тяжелые металлы, где-то - различные
Как же так получается?
Вода является универсальным растворителем. Дистилированная вода считается наиболее чистым в химическом смысле веществом, однако через некоторое время она утрачивает свое первоначальное состояние. И вот почему: вода является настолько хорошим растворителем, что со временем в нее попадают молекулы различных веществ из воздуха. В природе же это происходит еще и за счет жизнедеятельности различных организмов, живущих в водной среде.
Газы в воде
Наливая воду в стакан, можно увидеть пузырьки газа, которые будут находиться на стенках сосуда. Наряду с солями и другими веществами вода растворяет в себе и газы. Прежде всего из воздуха, а также кислород, а в некоторых случаях еще метан и сероводород. Причем холодная вода растворяет газы гораздо лучше, чем теплая, так что чем ниже температура, тем выше концентрация газов. И наоборот - с ростом температуры растворимость падает.
Источники растворенных в воде газов
Но откуда вообще все эти вещества берутся в воде? Азот, как правило, растворяется в процессе взаимодействия с атмосферой, метан - в результате контакта с породами и разложения донного ила, а сероводород образуется как продукт гниения органических остатков. Как правило, сероводород содержится в глубинных водных слоях и не поднимается к поверхности. При его высокой концентрации жизнь невозможна, так, например, в Черном море на глубинах более 150-200 метров из-за высокой насыщенности вод сероводором почти нет живых организмов, кроме некоторых бактерий.
Кислород также всегда содержится в воде. Он является универсальным окислителем, поэтому частично разлагает сероводород, снижая его концентрацию. Но откуда берется кислород в воде? О нем разговор пойдет особый.
Кислород
Практически все живые организмы нуждаются в кислороде. Люди дышат вохдухом, который представляет собой смесь газов, немалую часть которой составляет именно он.
Обитатели водной среды также нуждаются в этом веществе, так что концентрация кислорода в воде - это очень важный показатель. Обычно он составляет до 14 мг/л, если речь идет о природных водах, а иногда даже больше. В той же жидкости, которая течет из-под крана, кислорода содержится гораздо меньше, и это легко объяснить. Водопроводная вода после водозабора проходит через несколько этапов очистки, а растворенный кислород - крайне неустойчивое соединение. В результате газообмена с воздушной средой большая его часть просто улетучивается. Так откуда берется кислород в воде, если не из воздуха?
На самом деле это не совсем правда, из воздуха он тоже берется, но его доля, растворенная в результате контакта с атмосферой, крайне мала. Для того чтобы взаимодействие кислорода с водой было достаточно эффективным, необходимы особые условия: низкая температура, высокое давление и относительно низкая минерализация. Они соблюдаются далеко не всегда, и жизнь вряд ли бы существовала в нынешнем виде, если бы единственным способом образования этого газа в водной среде было взаимодействие с атмосферой. К счастью, есть еще два источника, откуда берется кислород в воде. Во-первых, растворенные молекулы газа в большом количестве содержатся в снеговых и дождевых водах, а во-вторых - и это основной источник - в результате фотосинтеза, осуществляемого водной растительностью и фитопланктоном.
Кстати, несмотря на то, что содержит кислород, извлечь его оттуда живые организмы, конечно, не в состоянии. Поэтому им остается довольствоваться именно растворенной долей.
О значении водорослей
Мало кто в обычной жизни задумывается, чем мы дышим и почему именно такой, какой он есть. Практически все знают, что большинство живых организмов, дышащих воздухом, приспособлено именно к такой смеси. Но если речь идет о наземно-воздушной среде, то вопросов не возникает. А откуда в воде кислород? Как и на земле, там много растений, которые с помощью процесса, который называют фотосинтезом, потребляя свет и углекислый газ, выделяют O 2 .
Если же быть точнее, в последние десятилетия по тем или иным причинам человечество уничтожило огромную часть лесов. Но речи о глобальном кризисе пока нет, хотя население планеты постоянно растет, и потребление кислорода
огромно. И огромное значение в этом вопросе имеют водоросли, которые обитают в Мировом океане, большей частью именно за их счет происходит насыщение воды кислородом. Некоторые их виды люди и морские обитатели употребляют в пищу, но их количество остается достаточным для эффективного фотосинтезирования. Вот откуда берется кислород в воде, а значит, благодаря газообмену с атмосферой, и в воздухе. Именно фотосинтез водорослей - его основной источник. Кстати, именно за счет процессов, происходящих в растениях, был накоплен первичный кислород в атмосфере, а сейчас происходит только поддержание ее неизменного состава.
Роль растворенного кислорода (РК)
Несмотря на то что дыхательная система водных обитателей устроена иначе, чем у жителей наземно-воздушной среды, они нуждаются все в тех же веществах. Прежде всего речь идет о кислороде, который играет важную роль в жизнедеятельности подавляющего большинства организмов. И если мы извлекаем его из атмосферы, где его доля более или менее стабильна и составляет около 21%, то жители рек, морей и океанов сильно зависят от того, сколько кислорода в воде содержится в месте их обитания. Помимо рыб, кислород нужен и растениям. Однако его продукция обычно выше, чем уровень потребления, так что это не должно вызывать беспокойства.
Нормальные показатели
Из-за своей значительной роли в нормальном функционировании экосистем, уровень РК часто подвергается контролю со стороны биологов и экологов. Ведь в природе все связано, нарушение газового баланса в одном водоеме может вызвать проблемы и в соседних, если они связаны. Как правило, замеры проводятся до полудня, в этот период концентрация газа в поверхностных водах становится максимальной и составляет до 14 мг/л. Этот показатель подвержен серьезным суточным и сезонным колебаниям, но он не должен опускаться ниже 4 мг/л.
Уменьшение концентрации до 2 мг/л и менее вызывает массовую гибель обитателей гидросферы. Фактически - от удушья. Постепенное снижение показателя может говорить о загрязнении водоема и также может со временем закончиться гибелью водных жителей.
РК в искусственно созданных экосистемах
Важное значение хорошая аэрация имеет, например, в аквариумистике. Именно поэтому необходимо не только устанавливать специальные насосы, закачивающие воздух в воду и насыщающие его кислородом, но и, например, при необходимости высаживать на дне различные водоросли. Конечно, тем, кто имеет подобное хобби, в первую очередь интересна эстетика экосистемы, однако нельзя забывать о ее устойчивости и некой долговечности.
Если же речь идет о производстве жемчуга и других специфических отраслях подобного типа, то помимо различных мер, направленных на сохранение достаточной концентрации растворенного кислорода в воде, необходимо регулярно проводить измерение этого показателя с помощью специальных проб. При их заборе крайне важно, чтобы не произошло контакта с воздухом, это может исказить результаты анализа.