Задержка дыхания

Погружение в воду и дыхание под водой – вот две основные трудности для ныряльщика. Текущий рекорд свободного (без специальных средств) погружения на задержке дыхания составляет 72 м (236 футов) – он был установлен в 1992 г. итальянцем Умберто Пелицари. Еще больших глубин удавалось достигать ныряльщикам «без ограничений», которые для погружения используют специальные грузы, а на поверхность поднимаются с помощью аппарата, накачиваемого сжатым воздухом. С этими приспособлениями Пелицари опустился в 1991 г. на 118 м, а затем его рекорд побил кубинец Франсиско Феррерас, достигший ошеломительной глубины в 133 м.

Человеческое тело обладает природной плавучестью, поскольку его плотность близка к плотности воды. Чтобы нырнуть, нужно либо приложить усилие, либо использовать груз. Между глубиной и плавучестью имеется прямая зависимость, обусловленная наличием в легких воздуха: чем глубже погружается задержавший дыхание ныряльщик, тем выше его плотность, поскольку воздух в легких сжимается и плавучесть падает. Чем глубже, тем он погружается быстрее. И наоборот, чем выше всплывает ныряльщик, тем больше расширяется воздух в легких, тело становится легче и легче идет подъем. Таким образом, главное – преодолеть первые метры, дальше становится проще, а на глубине около семи метров ныряльщика уже тянет на дно. По той же причине человеку тяжело всплывать с глубины, и большинство ныряльщиков – например, японские собиратели моллюсков – нуждаются в помощниках, которые вытягивают их на веревке.

Самое серьезное препятствие для ныряльщиков – это, разумеется, отсутствие воздуха. Большинство людей способны задержать дыхание лишь на одну-две минуты, хотя с помощью тренировок можно несколько увеличить этот срок. Мировой рекорд – 6 мин. 41 сек. – был установлен Алехандро Равело в 1993 г. в положении лежа на дне плавательного бассейна. Перед тем как нырнуть, идя на подобный рекорд, необходимо сделать серию частых выдохов. Как мы уже видели в главе 1, основным стимулом дыхания служит углекислый газ, поэтому частые выдохи, сбрасывающие излишки углекислого газа, увеличивают срок накопления того количества CO₂, которое вызовет следующий вдох. Однако подобные частые выдохи перед погружением очень опасны, поскольку ныряльщик, не подозревая, что уровень кислорода в крови опустился ниже уровня, необходимого для нормальной мозговой деятельности, может просто потерять сознание и утонуть. Несчастные случаи во время таких экспериментов нередки и по сей день, особенно среди детей, соревнующихся, кто дольше сможет просидеть под водой.

Плавучесть

У животных имеется множество замечательных приспособлений, позволяющих им удерживать вертикальное положение в воде. Большинство, чтобы не тратить лишнюю энергию, решает задачу уравниванием плотности своего тела с плотностью воды. За это отвечает плавательный пузырь, серебристый заполненный воздухом мешочек, который мы находим обычно в брюхе выпотрошенной рыбы. Этот орган позволяет рыбе регулировать плавучесть в зависимости от глубины обитания. Нейтральная плавучесть весьма выгодна, поскольку в этом случае рыбе не нужно тратить энергию на поддержание горизонтального положения в воде, однако у нее есть свой недостаток. Заплывая ниже своей обычной глубины, рыба, как ныряльщик с полными легкими воздуха, вынуждена прилагать усилия, чтобы не утонуть, поскольку воздух в плавательном пузыре сжимается под давлением и плавучесть падает. И наоборот, если рыба поднимается выше привычной глубины, воздух расширяется и добавляет плавучести, поэтому рыбе приходится устремляться ниже, чтобы ее не вынесло на поверхность. Хотя рыба может регулировать естественную плавучесть, добавляя или сокращая количество воздуха в пузыре, происходит это медленно, поэтому рыбы обычно прикованы к одному слою океанской толщи – как авиалайнеры, распределяющиеся по эшелонам. У многих рыб пузырь замкнутый, никак не сообщающийся с внешним пространством, поэтому, если рыбу быстро извлечь из воды, пузырь, распираемый стремительно расширяющимся воздухом, может разорваться или вытолкнуться через рот. Некоторые рыбы (акулы, например) не имеют плавательного пузыря, поэтому, чтобы не утонуть, вынуждены находиться в постоянном движении. Однако у гигантской акулы, которая меньше времени проводит в беспорядочном рыскании, имеется большая маслянистая печень, помогающая ей достичь нейтральной плавучести.

Плавательный пузырь почти целиком заполнен кислородом, поглощению которого препятствуют слои кристаллов гуанина на стенках. Помимо прочего, эти кристаллические слои защищают клетки стенок пузыря от токсического воздействия кислорода на глубине. Гуанин сам по себе весьма интересная молекула – именно он придает блеск рыбьей чешуе, он обнаруживается в птичьем помете (это основная составляющая гуано) и, самое главное, является одним из четырех азотистых оснований, образующих ДНК.

Еще одно удивительное подводное существо – жемчужный наутилус, родственник древних аммонитов и современных осьминогов с кальмарами. Его называют также «камерным» наутилусом, поскольку его раковина разделена на несколько отсеков-камер. По мере взросления моллюск приращивает к раковине новые камеры – по одной в три-четыре месяца. Каждая камера отделяется от соседней перегородкой под названием «септа». Эти перегородки образуют каркас, укрепляющий раковину и предотвращающий ее сплющивание под давлением воды. Сам моллюск обитает в последней камере, а остальные заполняются газом под атмосферным давлением и обеспечивают плавучесть. Формируясь, камера накачивается соляным раствором, но затем соли постепенно выводятся, в процессе осмоса забирая с собой и воду, а на ее место проникает газ. Поскольку газ этот содержится в твердостенной раковине, наутилус не подвержен влиянию перепадов давления и может свободно плавать на разной глубине, ограниченной лишь давлением, которое может выдержать сама раковина. Днем он отсиживается на глубине около 400 м, а на ночь всплывает на кормежку на мелководье – около 150 м. Наутилусов вылавливали и на 600 м, однако, как показывают эксперименты, на глубине 750 м раковина уже трескается под давлением воды. Эта глубина и является для наутилуса предельной.

В отличие от людей, которые не могут задерживать дыхание надолго, морские млекопитающие, утки и черепахи показывают более впечатляющие результаты. Рекорд – более чем в 20 раз превышающий человеческий, – принадлежит морскому слону, совершившему непрерывный двухчасовой заплыв под водой. Однако большинство погружений длится куда меньше. Невероятная способность морских слонов объясняется вовсе не тем, что его легкие вмещают больше кислорода (как мы уже знаем, слоны, наоборот, выдыхают перед погружением, чтобы избежать кессонной болезни). У китов и тюленей больше относительный объем крови, которая, в свою очередь, обладает более высокой, чем у человека, способностью переносить кислород, поэтому количество кислорода в крови этих морских млекопитающих гораздо выше. Кроме того, кислород запасается в мышцах, связываясь с миоглобином – молекулой белка, сходной по структуре с гемоглобином, пигментом крови, выполняющим функцию переноса кислорода. В мышцах кашалота содержится в десять раз больше миоглобина на килограмм веса, чем у человека (именно миоглобин придает мясу кашалотов насыщенный темно-красный цвет). И наконец, мышцы морских млекопитающих содержат большое количество креатинфосфата, служащего источником энергии (см. гл. 5). Благодаря этим особенностям у тюленей Уэдделла и китов образуется запас кислорода на 20 минут – несколько больше, чем длится обычный их заплыв.

Иногда тюлени Уэдделла могут совершать длительные подводные заплывы, продолжительностью до одного часа. Происходит это за счет того, что, израсходовав весь кислород, накопленный миоглобином, мышца переключается на анаэробный метаболизм, при котором кислород не используется (см. гл. 5). Однако при анаэробном метаболизме образуется молочная кислота, которая должна затем выводиться из тканей в процессе, требующем участия кислорода. Поэтому, чем дольше тюлень остается под водой, тем больше образуется молочной кислоты и тем больше кислорода ему потребуется на поверхности, чтобы от нее избавиться. Вот почему после долгого заплыва тюлень Уэдделла выдерживает на поверхности более длительную, чем обычно, паузу до следующего погружения.

У морского слона все гораздо загадочнее. Как и тюленю Уэдделла, запасов кислорода ему хватает примерно на 20 минут. И тем не менее он способен продержаться под водой свыше часа и, всплыв, почти сразу же погрузиться снова. Судя по всему, молочная кислота у него не образуется и избавляться от нее ему не нужно, так что запаса кислорода ему хватает на более долгий срок. Никто пока не знает, как ему это удается, но согласно одной из гипотез, во время долгих заплывов у морского слона резко падает скорость метаболизма. У многих морских млекопитающих, в том числе и морских слонов, при нырке сразу же снижается частота сердцебиения – включается «рефлекс ныряльщика». Сокращаются кровеносные сосуды, питающие кожу и внутренности, и происходит отток крови к мозгу и сердцу. В менее насыщаемых кровью тканях скорость метаболизма падает, сокращая их потребность в кислороде. Таким образом, перераспределение крови способствует растягиванию ограниченного запаса кислорода. Но пока это всего лишь предположение, и мы не можем однозначно сказать, как морскому слону удаются такие долгие заплывы.

Кроме морского слона существуют и другие загадочные создания. Например, утконосы, которые тоже любят подводный отдых и могут довольно долго лежать на дне ручья, устроившись между корнями какого-нибудь дерева. Зеленая черепаха Chelonia mydas зимует на дне Калифорнийского залива, где проводит в спячке несколько месяцев, зарывшись в ил и морскую траву. И хотя скорость метаболизма во время спячки существенно снижается, все равно неизвестно, как черепаха запасает необходимое количество кислорода. К сожалению, выяснить это будет затруднительно, поскольку места спячки черепах, известные прежде лишь местным индейцам сери и тщательно оберегавшиеся, были открыты мексиканскими рыбаками с современными рыболовными снастями, и поголовье черепах резко сократилось.