СО2 И ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ АКВАРИУМНЫХ РЫБ

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+О₂↔НbО₂. Доля связанного гемоглобина (оксигемоглобина, HbО₂) 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+O₂-HbO₂ кроме содержания кислорода, регулируется множеством других факторов, среди которых особое значение имеют концентрации углекислого газа и ионов водорода.

Среда с высоким содержанием СО₂ (капилляры активно функционирующих тканей) усиливает, облегчает диссоциацию HbO₂, что приводит к более полной отдаче кислорода, «залповой разрядке» HbO₂, по сравнению с таковой в неактивных тканях. Такое влияние СО₂ 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 СО₂, 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 СО₂ при постоянном значении показателя рН лежат процессы, описываемые уже известным нам уравнением Хендерсона-Хассельбальха:

рН = рК₁+lg[HCO₃^-]/[CO₂]

Т.е., СО₂ переводится в НСО₃^-; при этом отношение [HCO₃^-]/[CO₂] сохраняется постоянным при увеличении концентрации его компонентов, и значение рН не изменяется. Этот процесс происходит в эритроцитах при участии цинк-содержащего фермента карбангидразы. СО₂, как и О₂, 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 СО₂+Н₂О→Н⁺+НСО₃^-, идущую в свободной воде весьма слабо (К₁=4•10^-7). Накапливающийся в эритроцитах НСО₃^- 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 HbO₂ 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 НСО₃^-, в отличие от СО₂, не способен проникать через клеточные мембраны жаберного эпителия. Но в соответствии с уравненим Хендерсона-Хассельбальха, изменение отношения НСО₃^-/СО₂ при снижении концентрации СО₂ приводит к разложению гидрокарбонатов по реакции: НСО₃^- → СО₂+ОН^- и СО₂ свободно диффундирует в воду.

Оставшийся ОН^- нейтрализуется освободившимися после образования НbО₂ ионами водорода Н⁺ - процесс, обратный эффекту Холдейна. Жаберный эпителий, как и эритроциты, также обладает повышенным содержанием карбангидразы, но ее роль в процессе обмена СО₂ не совсем ясна. Более вероятным представляется сопряжение работы карбангидразы с механизмами удаления аммония NH₄⁺ 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 СО₂ 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 СО₂. 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 СО₂ 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 СО₂ 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 СО₂ в плазме крови приводит к уменьшению доли HbO₂ 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 СО₂ активно функционирующих структур является физиологическим стимулятором их местного кровоснабжения, то тотальное повышение уровня СО₂ 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 СО₂ 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 СО₂ 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, СО₂ для молоди является мощным стимулятором двигательной активности. Информации по рекомендуемым значениям dКН, рН и др. в аквариумной литературе довольно много.

Подытожить разговор о СО₂ -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 СО₂ и рН относятся к экологическим факторам, являясь также и факторами лимитирующими, поскольку и СО₂, и рН влияют на выживаемость рыб. Диапазон колебаний содержания СО₂ в среде, совместимый с жизнью рыб не превышают 10 раз. Так например, если для многих живородок содержание СО₂ 1-2мг/л является комфортным, то при 10-15мг/л СО₂ 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 СО₂ 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 СО₂ и для комфортного самочувствия неодходимо его присутствие в «стандартных» количествах, определяемых dКН и газовым равновесием.

МИНИ-ПРАКТИКУМ

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 СО₂ напомним формулу: [СО₂]=z/44 (10^-3М, или mM), где z мг/л – измеренная с помощью СО₂ -теста концентрация углекислого газа.

Для пересчета единиц измерения жесткости можно предложить следующие формулы:

[Ca⁺⁺] = 0,18 (x ° dGH) (10^-3M, или mM)
[HCO₃^-] = 0,36(y ° dKH) (10^-3M, или mM)