какое сердце у жирафа
Невозможное длинношеее
Юрий Фролов, биолог
В старом анекдоте человек, впервые увидевший в зоопарке жирафа, растерянно восклицает: «Не может быть!» Примерно так же относятся к жирафу физиологи. Ещё известный датский физиолог Август Крог (1874—1949), получивший в 1920 году Нобелевскую премию за исследования роли капилляров в кровообращении, в одной из своих работ заметил, что интересно было бы изучить кровеносную систему жирафа. Почему у него не отекают ноги? Ведь при таком росте на капилляры в ногах давит очень высокий столб крови. И как кровь доходит до головы, которая на три метра выше сердца?
Крог поставил вопрос, но не занялся его изучением. Физиологи вспомнили о ногах жирафа только в середине ХХ века, когда появились скоростные реактивные истребители и начались первые разработки космических кораблей. При быстром наборе высоты кровь отливает к ногам пилота, он может потерять сознание, поэтому инженеры создали противоперегрузочный костюм. В момент перегрузки в нижнюю часть комбинезона нагнетается воздух, ткань плотно обжимает ноги и таз, предотвращая отлив крови от головы. Оказалось, что у жирафа роль такого костюма играет толстая шкура ноги. Вдобавок хорошо развиты мышцы ног, выдавливающие кровь вверх. В кровеносных сосудах ног имеются клапаны, не допускающие переполнения сосудов кровью. И конечно, кровоснабжение мозга обеспечивает мощное сердце. Оно весит более 11 килограммов и поставляет мозгу около 56 литров крови в минуту при частоте пульса в покое 170. Давление — как у тяжёлого гипертоника: 240—260 на 160 миллиметров ртутного столба. А при беге (жираф развивает скорость до 64 километров в час) пульс и давление достигают прямо-таки фантастических величин. Любопытно, что после прохождения вверх по длинной (около двух метров) сонной артерии кровь снижает своё давление до 120 на 75, примерно под таким же давлением она поступает к мозгу человека и крупных млекопитающих с обычной шеей. Всё же, если жираф лежит, ему нельзя быстро встать, иначе кровь отольёт от мозга. Другая проблема возникает, когда он наклоняется, чтобы попить из реки. Голова оказывается ниже сердца, перепад давлений усиливается. Могут полопаться кровеносные сосуды мозга. В этом случае возрастает давление спинномозговой жидкости, омывающей спинной и головной мозг, оно не позволяет крови переполнить мозг. К счастью, жирафу часто пить не приходится, он потребляет всего около 10 литров воды в неделю, а остальное добывает из сочных листьев.
Есть проблемы и с дыханием. В длинной и широкой трахее, проходящей в шее, при каждом выдохе остаётся три литра отработанного воздуха. При вдохе он возвращается в лёгкие, изрядно разбавляя свежий воздух. Поэтому жирафу приходится дышать чаще, чем, например, человеку, у которого трахея гораздо короче. И всё же содержание кислорода в крови предельно низкое. Жить в горах, где воздух разрежен, жираф не мог бы.
Но ради сбора листьев и плодов с высоких деревьев — пищи, за которую с ним никто не конкурирует, жираф вынужден терпеть все неудобства своей длинной шеи. Раз до сих пор не вымер — значит, приспособился.
Фото Натальи Домриной (Намибия, май 2007 года; Ботсвана, май 2008 года).
Уникальная система артерий
Длинношеее животное. Жирафы
Жирафы относятся к семейству жирафовых и являются полноправными обитателями травянистых и лесистых саванн, раскинувшихся почти по всей Африке к югу от Сахары.
Характерный признак жирафа – одного из самых красивых млекопитающих – длинная шея, размеры которой могут достигать 2,5 метра! А чем же должно обладать такое длинношеее животное для того, чтобы не только гордо нести на плечах свою удивительную шею, но и жить с ней полноценной жизнью?
Оказывается, именно из-за нее все в обустройстве жирафа особенное. Это – и мощное сердце, и уникальная система кровообращения, и специальные клапаны в шейных кровеносных сосудах и пористая ткань под мозгом, и особая система дыхания и т.д. Не имея таких важных систем и устройств, без слаженной их работы длинношеий жираф сразу бы погиб, едва нагнувшись к воде. В организме жирафа все так взаимосвязано друг с другом, что должно было быть «запроектировано» с самого начала в едином комплексе. Функционирование одного без другого просто невозможно.
Кроме того, наследственная программа учитывает все поведенческие особенности этого грациозного животного.
Рассмотрим эти вопросы подробнее.
Удивительная шея
Жираф является самым высоким из ныне существующих животных. Его рост иногда достигает 5,8 м, и почти половина этой высоты приходится на шею. Жираф – млекопитающее, следовательно, его общее анатомическое строение во многом похоже на строение других представителей этой группы животных. Как у подавляющего большинства зверей, а также у человека, жираф имеет семь шейных позвонков, только его позвонки очень вытянуты.
Считается, что когда-то у жирафов были обычные шеи, хотя у некоторых из них шеи все же были немного длиннее. С наступлением засухи стало меньше пищи, и более высокие жирафы, более длинношеее, оказались способны дотянуться до листьев верхушек деревьев. Поэтому шансов выжить, и иметь потомство у них было больше.
Но что интересно: у юных жирафов шея гораздо короче не только по сравнению со взрослыми животными, но и по сравнению с теми животными, которых из-за их короткой шеи подобным отбором лишили права на жизнь. Согласно этой версии молодь жирафов, не способная дотянуться до макушек деревьев, в засуху она тоже должна была погибнуть. Тогда на Земле вряд ли сохранились эти удивительные животные.
Надо отметить, что отсутствуют окаменелости, по которым можно было бы проследить постепенный рост шеи жирафов. Но зато в Африке и посейчас живёт другой представитель жирафовых – окапи. В высоту он не больше полутора метров, и со своей короткой шеей живет испокон веков самой полнокровной жизнью.
Спят эти величественные животные, обладатели самой длинной в мире живого шеей, мало, и притом стоя. А если жирафы все же ложатся, то долго устраивают свою голову, стараясь положить ее на заднюю ногу, дугой изогнув шею, или опереться ею о землю.
Уникальность кровеносной и дыхательной систем
Поскольку голова жирафа находится так далеко от тела, то ему дано необычайно большое сердце и отличная сердечно-сосудистая система. В ней все предусмотрено для бесперебойной подачи в мозг, находящийся на 3 м выше сердца, достаточного количества обогащенной кислородом крови.
Высокое кровяное давление. Для прокачки крови через такую длинную шею, организму приходится создавать очень высокое давление, которое у высокоорганизованных животных зависит от работы сердца и сопротивления кровеносных сосудов.
Кровяное давление у жирафа несравнимо выше, чем у остальных животных. Оно составляет 340/230 мм рт. ст. (Для сравнения: у домашних животных наибольшее давление крови зафиксировано у лошади – 190/120 мм рт. ст., у саламандры оно совсем низкое – 22/12 мм рт.ст. А у здорового человека его величина составляет 120/80, то есть давление крови в аорте 120 и в венах – 80 мм рт. ст.)
Уникальная система артерий
Для того чтобы справляться со всеми серьезными проблемами, которые могло бы возникнуть из-за столь высокого кровяного давления, жирафы обеспечены многими уникальными системами и устройствами. Сюда входит совершенная система артерий с утолщенными стенками, разнообразными клапанами, сетью мельчайших сосудов, а также с рецепторами, оценивающими кровяное давление. Так, благодаря им происходит управление мощным потоком крови в шее жирафа, его регулирование в зависимости от давления.
Или, например, почему при таком высоком давлении жираф, поранившись, не истекает кровью? Разгадка – в высокой прочности кожи и внутренних связок, которые обеспечивают целостность сосудов и нормальный ток крови. И, кроме того, препятствием кровотечению является глубокое залегание в ногах жирафа всех вен и артерий.
Уникальное строение кожи жирафа заинтересовало специалистов НАСА. Оно стало предметом интенсивного изучения в связи с разработкой новых космических скафандров.
И еще несколько слов об уникальных особенностях организма жирафа. Капилляры, подходящие к поверхности кожи жирафа, очень мелки. Красные кровяные тельца у жирафа, способные к прохождению через такие узкие капилляры, по размерам втрое меньше человеческих. При этом мелкие красные кровяные тельца обладают и относительно большей поверхностью. Поэтому они лучше и быстрее усваивают кислород из легких и более эффективно снабжают кислородом голову и конечности.
Спасительные клапаны. Жирафу захотелось пить, и он опустил голову к воде? Произошло бы кровоизлияние, и мозг мог бы пострадать от слишком большого притока крови? Ведь даже у человека кружится голова, если он наклонится, а потом резко выпрямится. Неужели вся кровь ударяет жирафу в голову? Так бы и произошло, если бы в генетической программе построения организма не были предусмотрены специальные устройства, целенаправленно решающие эти проблемы.
Во-первых, кровоизлияния не происходит, так как, руководствуясь такой программой, организм жирафа специально синтезирует толстые и прочные стенки кровеносных сосудов.
Во-вторых, своевременно изготавливает особые клапаны для кровеносных сосудов шеи. И тогда, каждый раз, когда животное наклоняет голову, чтобы напиться, эти клапаны автоматически закрываются, не давая крови приливать к голове. Потом, когда он поднимает голову, те же клапаны не дают крови быстро отливать от головы.
Замечательные легкие
Как известно, задача легких работать в полном согласии с сердечно-сосудистой системой и обеспечивать ткани кислородом. Для того чтобы дыхательная система жирафа справлялась с этой задачей, она должна быть, как и все у этого высокого животного, тоже уникальной. Так, его легкие в восемь раз больше, чем, например, у человека, а частота дыхания – в три раза меньше.
Зачем жирафу такие большие легкие? Проблема состоит в том, что в связи с большой длиной трахеи образуется значительный объем воздуха «мертвого пространства». После вдоха любое животное физически не может сделать полный выдох. У жирафа эта «инженерная» задача решена путем увеличения объема легких. Тогда образуемый воздух «мертвого пространства» составит лишь малую толику всего воздуха в дыхательных путях. Интересно, почему у жирафа такое медленное дыхание? Оказывается это необходимо, чтобы из-за слишком быстрого движения огромных масс воздуха не «обветрилась» ребристая четырехметровая трахея.
Жираф
Это уникальное животное, которое невозможно спутать ни с одним другим животным. Жирафа выдает пятнистое тело, а также небольшая голова, возвышающаяся на несравнимо длинной шее. Кроме этого, у жирафа крепкие и также высокие ноги.
Жираф: описание
На сегодняшний день жираф считается самым высоким животным, при этом они достаточно массивные. Могут весить до 1200 килограммов, а их высота составляет около 6 метров (2-х этажный дом), при этом 1/3 длины тела составляет шея. Шея состоит из 7 позвонков, что характерно для многих видов млекопитающих. Самки имеют несколько меньшие размеры и вес.
Внешний вид
Это животное-загадка, поскольку сложно даже представить, как это животное справляется с нагрузками во время опускания или подъема головы. Это связано с тем, что его сердце находится ниже уровня головы на целых три метра и на высоте двух метров от уровня земли. В таком случае, ноги животного должны отекать под давлением крови, но на самом деле этого не происходит. Кров в мозг доставляется с помощью хитрого механизма, но достаточно простого. Итак:
На голове парнокопытного красуются оссиконы, которые представляют что-то в роде рожек, обтянутых кожей и шерстью. У некоторых животных в центральной части лба располагается костный нарост, вроде еще одного рога. Уши у животного аккуратные, хоть и оттопыренные, а глаза черные, окруженные множеством ресниц.
Интересно знать! Животные имеют уникальный ротовой аппарат, внутри которого располагается гибкий язык фиолетового оттенка, длиной почти 50 см. губы усеяны короткими волосами-датчиками, с помощью которых жираф определяет степень зрелости листьев и наличие шипов.
На внутренних краях губ имеются соски, которые помогают млекопитающему удерживать растения, которые жираф срезает нижними резцами. Этому процессу помогает гибкий и длинный язык, который в это время сворачивается желобком и обхватывает растение, проходя мимо колючек. С помощью языка животное подтягивает объекты пропитания к ротовому аппарату.
Пятнистый рисунок на теле жирафа призван создавать вид играющих теней в кронах деревьев, что позволяет животному маскироваться. На нижней части туловища пятен нет, и она более светлая. При этом окрас животного зависит от характера среды обитания.
Характер поведения и образ жизни
Животное характеризуется тем, что имеет прекрасное зрение, слух и обоняние. Если к этому добавить огромный рост, то это уникальное животное. Оно способно контролировать площадь до 1 километра квадратного. Это позволяет своевременно замечать врага, а также следить за своими сородичами. Жирафы начинают кормиться рано утром, а продолжают жевать жвачку практически целый день, укрывшись в тени огромных растений. В эти моменты они находятся в полудреме, поскольку глаза немного приоткрыты, а уши постоянно двигаются, контролируя пространство. Ночью жирафы засыпают, хот и ненадолго, при этом они то встают, то снова ложатся на землю
Интересно знать! Находятся жирафы на земле в интересной позе: под себя они подбирают две передние и одну задние конечности. При этом вторую заднюю ногу они отставляют в сторону и кладут на нее голову. Поскольку шея длинная, то получается что-то вроде арки. Такая поза позволяет животному быстро подняться в случае опасности.
Колония (семья) жирафов может состоять из 20 особей. В эту группу входят самки и молодняк. Они рассредоточиваются в лесу, но собираются в группу на открытой местности. Матери с малышами всегда находятся рядом, а вот другие члены семейства могут в любое время покинуть стадо и в любое время вернуться.
Количество особей в группе зависит от наличия кормовой базы. Поэтому в каждой группе в сезон дождей насчитывается максимум членов сообщества жирафов, а в засушливые периоды – минимум. Передвигаются жирафы в основном медленно иноходью, хотя изредка демонстрируют галоп и выдерживают этот темп они не больше 3-х минут.
Бег галопом для жирафа – это настоящее испытание, поскольку ему приходиться то наклоняться, то откидывать голову назад, потому что это связано со смещением центра тяжести.
Несмотря на столь сложный механизм бега этого животного, жираф может разогнаться почти до 50 км/час, а также перепрыгивать преграды до 2-х метров высоты.
Сколько живут жирафы
В условиях природы эти уникальные животные живут не больше 25 лет, а вот в искусственных условиях (в зоопарках) могут прожить не меньше 30 лет. Первые жирафы появились в зоопарках Египта и Рима достаточно давно, где-то 1500 лет до н.э. В зоопарках Европы эти животные появились только в 20 годах прошлого века. Их в Европу доставляли на парусниках, а потом им предстоял путь по суше. Чтобы их копыта не стирать, жирафам надевали сандалии из кожи, а также укрывали тканью от дождей. Жирафы прижились в зоопарках и начали размножаться в неволе. Сейчас их можно увидеть практически во всех зоопарках мира.
Важный факт! В свое время многие специалисты считали, что жирафы не способны издавать звуки, но через некоторое время удалось выяснить, что голосовой аппарат этих животных способен издавать множество различных звуков.
Если детенышам грозит опасность, то они издают жалобные звуки, не размыкая губ. Взрослые самцы, особенно в периоды спаривания, издают достаточно громкие и грозные звуки. При этом они могут рычать или сипло кашлять, особенно в моменты поединков за право владеть самкой. В случае небольшой угрозы они выпускают в воздух через ноздри, с характерными всхрапываниями.
Факты о жирафах
Слово «жираф» происходит от арабского зарафа и означает «нарядный»
Жираф – единственное животное, которое рождается с рогами.
Самцы достигают высоты до 5,5-6 м. и весят до 900 кг
Жирафы умеют быстро бегать и в случае острой необходимости достигают галопом скорости 55 км/ч., то есть на коротких дистанциях они могут перегнать скаковую лошадь.
При этом они неспеша ходят, передвигая одновременно обе правые ноги, затем обе левые.
Ежедневно жираф потребляет около 30 кг пищи и проводит за едой от 16 до 20 часов в сутки.
Широко распространено мнение, что жирафы являются безголосыми животными. Однако на самом деле они общаются между собой на частотах ниже 20 Гц, не слышных для человеческого слуха.
Рождение происходит в позиции стоя, поэтому новорожденным первым делом предстоит падение с двухметровой высоты.
Сердце жирафа огромно. Оно весит 11-12 килограмм, имеет длину 60 сантиметров и стенки в 6 сантиметров толщиной.
У жирафов абсолютно черный язык, длина которого может доходить до 45 см. Жираф может чистить уши своим языком.
Жираф может обходиться без воды дольше, чем верблюд.
Шея жирафа имеет только семь позвонков.
Примечательно и то, что эти, на первый взгляд громоздкие и неповоротливые животные умеют и прыгать, преодолевая даже барьеры высотой 1,85 м.
Когда голова далеко от сердца
Наталья Львовна Резник,
кандидат биологических наук
«Химия и жизнь» №9, 2010
Кровеносная система сухопутных животных борется с силой тяжести. Во-первых, сердцу приходится обеспечивать кровью органы, значительно от него удаленные. Во-вторых, чтобы сердце не запустело, нужно доставлять к нему венозную кровь, не позволяя ей застаиваться в сосудах. Чем крупнее животное и чем вертикальнее положение его тела, тем серьезнее проблемы. (Человеку ли этого не знать?) Способы их решения физиологам, в общем, известны, но еще остались непознанные частности. А самые удобные объекты для исследования этих частностей — жирафы и змеи.
Небольшой ликбез
Кровеносная система позвоночных представляет собой замкнутую систему эластичных сосудов. Чтобы перекачивать кровь по сосудам, нужен насос. Он сообщает жидкости необходимую скорость движения, помогает преодолеть сопротивление сосудов, а если нужно гнать кровь вверх, то и действие силы тяжести. (Сопротивление потоку в сосудах возникает из-за вязкости крови.) Главный насос, естественно, сердце, которое перекачивает кровь за счет сокращения собственных мышечных стенок. Но в кровеносной системе есть и вспомогательные насосы, работающие за счет внешнего давления. Таковы, например, крупные вены ног человека. У этих вен относительно тонкие стенки, а сами они снабжены клапанами, которые препятствуют обратному току крови. Мышцы ног, сокращаясь, сжимают вены и создают необходимое давление, а клапаны заставляют кровь двигаться по направлению к сердцу. Не будь этой системы, кровь под действием силы тяжести застаивалась бы в сосудах. Поэтому стенки сосудов, особенно вен, непременно должны быть эластичными. У артерий стенки толще, чем у вен, и менее сжимаемы.
Кровь распределяется по телу неравномерно. Более половины общего количества получают всего четыре органа — почки, печень, сердце и мозг. Мозг — орган чрезвычайно деликатный и более других чувствительный к нарушению кровоснабжения, а кровь к нему нередко приходится «забрасывать» почти вертикально, что требует от сердца значительных усилий. Ведь ему приходится толкать наверх не только очередную порцию крови, но и столб жидкости, стоящий в сонной артерии между сердцем и мозгом, да еще обеспечить в сосудах головного мозга давление, достаточное для его нормального кровоснабжения. Чтобы облегчить эту задачу, сердце располагается возможно ближе к голове, в этом случае столб крови короче, весит меньше и его нужно перемещать на меньшее расстояние. У животных, которые ходят с поднятой головой, более высокое артериальное давление и более жесткие стенки вен в нижней части тела. Ткани, окружающие эти вены, тоже жесткие и дополнительно подпирают сосуды, чтобы кровь в них не застаивалась.
Ученые сгибают змей
Борьбу сердечно-сосудистой системы с силой тяжести очень удобно изучать на змеях. Эти создания бывают водяными и наземными. Водяные змеи практически не испытывают влияния силы тяжести: они парят в воде, а перепад давления в их сосудистой системе минимален. Наземные рептилии силу тяжести ощущают в полной мере, особенно древесные. Заползая на деревья, они принимают почти вертикальное положение. Эти отличия в образе жизни сказались на особенностях сердечно-сосудистой системы.
У водяных змей почти не развиты, а точнее, утеряны в ходе эволюции механизмы регуляции артериального давления, которое у них ниже, чем у наземных, и много ниже, чем у древесных. Расстояние между головой и сердцем у древолазающих видов составляет в среднем 17% от длины тела, у наземных — 19%, у змей, проводящих много времени в воде, — 23%, а у исключительно водяных видов — 33%.
Чем ощутимее влияние силы тяжести и вертикальнее голова, тем ближе к ней сердце. Но, приближаясь к голове, оно удаляется от заднего конца тела, что порождает другую проблему: труднее становится возвращать в сердце кровь из нижних (или задних) вен. Что же важнее для нормального мозгового кровоснабжения: расстояние от сердца до головы или до хвоста?
Ответ на этот вопрос нашел австралийский физиолог Роджер Сеймур, профессор университета Аделаиды, который более 30 лет исследует механизмы регуляции давления и много работает со змеями. А змеи еще тем хороши, что их, в отличие от других позвоночных, можно согнуть в произвольном месте под значительным углом. Задирая рептилиям голову или опуская хвост, Роджер Сеймур и его немецкий коллега Иоахим Арндт определили, какой вклад вносят в мозговое кровообращение расстояние между головой и сердцем и застой венозной крови.
Ученые работали с двумя видами змей: бородавчатой арафурской змеей Acrochordus arafure и австралийским водяным питоном Liasis fuscus. Арафурская змея не ядовита. Она обитает в пресных реках и озерах Северной Австралии и на сушу не выползает. А питон, хотя и называется водяным, потому что живет во влажных местах, существо сухопутное и древолазающее. Средняя длина арафурских змей — 120 cм при массе 800 г. Питоны несколько крупнее, их средний размер около полутора метров, а масса превышает 1700 г. Рептилий поймали в Северной Австралии и самолетом доставили в Аделаиду, где держали в индивидуальных аквариумах или террариумах и кормили питонов белыми мышами, а водяных змей золотыми рыбками.
Курортная жизнь закончилась, когда рептилий охладили на льду до пяти градусов и в таком полубесчувственном состоянии вставили им катетеры для измерения давления в основной артерии, ведущей к голове, и главной вене, собирающей кровь с задней части тела. На подготовленных таким образом змей натягивали трикотажный рукав и вставляли их, зачехленных, в две акриловые трубки: в одну — переднюю часть змеи, в другую — заднюю. Между трубками оставался зазор шириной примерно 10 см на уровне сердца (положение сердца определяли пальпацией). Трубки были такого диаметра, что змея могла в них свободно дышать, но не изгибаться, а трикотажный рукав, прикрепленный к концам трубок, не позволял ей сбежать через зазор. Всю эту конструкцию прикрепляли к планке, подвижно соединенной с градуированной доской, и сгибали змею в области сердца, либо приподнимая на заданный угол переднюю часть тела, либо опуская заднюю и вызывая таким образом застой венозной крови, либо наклоняя все туловище (рис. 1). Голову рептилиям не опускали, а хвост не поднимали, потому что изучение прилива крови к опущенной голове не входило в задачу данного исследования.
В течение ночи животное приходило в себя и отогревалось в станке, а наутро его принимались гнуть под углами 30, 45 или 70 градусов. Изменение позы занимало пять секунд, а через две минуты рептилию возвращали в горизонтальное состояние. Между двумя наклонами проходило также не менее двух минут.
Оказалось, что задранная голова влияет на мозговое кровообращение в значительно большей степени, чем опущенный хвост. Например, если приподнять переднюю часть питона на 45 градусов, давление в артерии, питающей голову, уменьшится на 27%, а если опустить хвост на тот же угол — только на 14%. Когда змею наклоняли целиком, давление становилось меньше на 41% (27+14). Этот эффект сохраняется и при других углах наклона.
Следовательно, в деле мозгового кровоснабжения определяющую роль играют расстояние между головой и сердцем и угол наклона головы относительно земли. Неудивительно поэтому, что у древесных змей сердце почти в два раза ближе к голове, чем у водяных.
А может быть, сифон?
Есть, однако, исследователи, которые считают, что сердцу не приходится преодолевать действие силы тяжести, как бы высоко и вертикально ни возносилась над ним голова. Горячий сторонник этой точки зрения — американский физиолог Генри Бадир. По его мнению, восходящие и нисходящие сосуды головы и шеи образуют сифон, благодаря которому кровь поднимается к голове самотоком, а задача сердца сводится к тому, чтобы преодолевать сопротивление сосудов и обеспечивать постоянное наполнение сифона.
Сифон представляет собой П-образную трубку, вставленную в сосуд с жидкостью. Если сифон заполнен той же жидкостью, она потечет по трубке сначала вверх, а затем вниз, и никакой насос для этого не нужен. С помощью сифонов освобождают емкости, которые нельзя опрокинуть. А Бадир уверен, что сифон существует и в организме позвоночных животных, особенно таких, как жираф, у которого голова почти вертикально поднимается чуть не на два метра выше сердца.
В 1989 году Бадир с коллегами соорудил модель жирафьей шеи, в которой восходящую артерию представляла трубка из толстой резины высотой 103 см, а нисходящую вену — трубка с сжимаемыми стенками. (У настоящего жирафа стенки артерий необычайно толсты, а венозные эластичны.) «Артерию» соединили с насосом, утопленным в сосуде с водой. Уровень воды поддерживали на постоянном уровне. Насос качал воду с такой скоростью, чтобы нисходящая трубка была частично сжата. Для сравнения соорудили вторую модель с Г-образной трубкой, причем длина ее горизонтальной части была такой же, как у нисходящей части сифона, — 103 см (рис. 2). Чтобы обеспечить в обеих системах одинаковое давление и течение жидкости, насос в первом случае затрачивал на 15% меньше работы, чем во втором. Следовательно, заключает Бадир, сифонный эффект существует.
Однако большинство физиологов, в том числе и Сеймур, эту идею не поддерживают. Ведь будь она верна, сердце у наземных позвоночных располагалось бы подальше от головы и поближе к задней части, чтобы удобнее было собирать кровь. Кроме того, каковы бы ни были результаты Бадира, сифон не может состоять из эластичных трубок, просвет которых постоянно меняется, а вены именно таковы. Они то расширяются, то сжимаются под влиянием тока жидкости и давления окружающих тканей. К тому же давление в верхней части яремной вены у жирафа выше, чем в нижней, а в нисходящей трубке сифона большее давление должно быть внизу. Да и, честно говоря, система кровоснабжения головы и шеи не похожа на сифон. Артерии и вены соединены не одним сосудом, а разветвленной системой капилляров, через которые кровь приходится проталкивать со значительным усилием.
В поисках истины ученые вновь обратились к жирафу.
Искусственная шея
Жираф — объект давнего и пристального внимания физиологов. Давление у него измеряли многократно. В одном из экспериментов животное усыпили и уложили набок, а давление мерили в лежачем положении и приподняв голову на высоту полутора метров. Согласно измерениям и расчетам, давление в основании сонной артерии жирафа составляет около 200 мм рт. ст., то есть вдвое больше, чем у человека, а в сосудах головы — около 100 мм рт. ст. Чтобы забросить кровь под таким давлением на двухметровую высоту, сердце должно создавать давление 255 мм рт. ст. Но у отдельно взятых жирафов оно оказалось значительно меньше расчетного, около 185 мм рт. ст. Автор этих вычислений — Грэхем Митчел, глава кафедры зоологии и физиологии университета Вайоминга — объясняет отклонение реального результата от теоретически ожидаемого тем, что животных во время измерения давления усыпляют или шея у них короче двух метров или посажена не вертикально. А может быть, все-таки сифон? Чтобы покончить с этим вопросом раз и навсегда, Митчел в содружестве с учеными Австралии и Южной Африки соорудил модель кровообращения в шее жирафа (рис. 3)
Это емкость с постоянным объемом воды (175 л), в которую погружен насос регулируемой мощности. Из воды вертикально поднимается жесткая пластиковая трубка длиной 1660 мм, с внешним диаметром 17,1 мм и внутренним — 12 мм. Ее размеры соответствуют размерам сонной артерии среднестатистического жирафа. Нисходящая трубка может быть как жесткой пластиковой, так и сжимаемой резиновой. Ее параметры соответствуют физиологическим параметрам жирафьей яремной вены. Наверху «артерию» и «вену» соединяет горизонтальная трубка, представляющая мозговое кровообращение. Она также может быть жесткой или сжимаемой. «Головная» и «яремная» трубки заключены в четыре цилиндра большего диаметра, в которых можно повышать давление, имитируя влияние окружающих тканей на сосуды. Устройство позволяет измерять давление в трубках в шести точках.
Ученые планировали, изменяя мощность насоса, скорость течения воды, давление в цилиндрах и эластичность трубок, воспроизвести в разных частях системы такое же давление, какое, согласно их расчетам, должно быть у настоящего жирафа. Так они надеялись определить, какие факторы и в какой степени влияют на мозговое кровообращение животного. Скажем сразу: исследователям это не удалось. Очевидно, модель не воспроизводит всех нюансов регуляции давления крови в живом организме. Однако некоторые интересные вопросы с ее помощью решить удалось, и прежде всего — вопрос о сифоне.
П-образная система трубок работает в качестве сифона лишь в том случае, когда нисходящая трубка длиннее восходящей, иначе вода по ней просто не течет. Чтобы жидкость при отключенном насосе текла по сифону с «жирафьей» скоростью 3,3 л/мин, «вена» должна быть длиннее «артерии» на 400 мм. Дополнительную трубку такой длины исследователи сделали съемной. Когда она надета, система работает как сифон, когда трубку отсоединяют, эффект сифона пропадает. Поэтому конец нисходящей трубки в модели находится вне емкости с водой — так удобнее регулировать ее длину.
Еще одно непременное условие работы сифона — жесткие трубки. Если хотя бы одна часть модели была представлена сжимаемым резиновым шлангом, вода по ней не текла.
Затем ученые включили насос и определили мощность, необходимую для того, чтобы закачивать в «голову» 4 л воды в минуту. Если все трубки в модели были жесткими и система работала как сифон, то нагрузка на насос снижалась на 30%, но при сжимаемых трубках никакого облегчения насосу не выходило ни при каких условиях. Поскольку стенки настоящих вен не жесткие, получается, что никакого сифона у жирафа нет. (И у змей нет, и у человека.) Результат Бадира с коллегами не получил подтверждения.
Сжимаемость вен играет важную роль в регуляции мозгового кровообращения жирафа. Митчел и его соавторы установили, что уменьшение диаметра «вены» не влияет на давление жидкости в «артерии». Однако увеличение давления в самом нижнем цилиндре, окружающем венозную трубку, Ц4, вызывает очень интересный эффект.
Вообще-то у жирафа есть еще одно эффективное устройство, предохраняющее его мозг от перепадов кровоснабжения. Когда животное наклоняет голову, к мозгу приливает кровь из той части артерии, которая расположена выше последнего артериального клапана. Эта кровь наполняет окружающую мозг сеть резервных сосудов, называемую по-латыни Rete mirabile (волшебная сеть). Сосуды поглощают кровь как губка, а когда жираф поднимает голову, медленно отдают, защищая мозг от кислородного голодания.
Зачем такая длинная?
Сколько хлопот у жирафа с этой длинной шеей! Зачем она ему вообще? У ученых существует две основные гипотезы. Согласно одной, длинная шея представляет собой результат полового отбора, согласно другой, более распространенной, она возникла в результате пищевой конкуренции и помогает жирафам с удобством объедать высокие ветки, до которых не дотягиваются другие травоядные обитатели саванны, весьма многочисленные. В течение многих лет люди воспринимали эту версию как само собой разумеющуюся. Тем, кто наблюдал африканские дикие пастбища, наполненные травоядными всех размеров, ничего другого и в голову прийти не могло. Однако первые эксперименты, подтверждающие преимущества длинношеих за трапезой, ученые провели только в начале XXI века.
Южноафриканские исследователи Элисса Камерон и Йохан дю Туа поставили очень простой опыт. Выбрав в Национальном парке Крюгера участок саванны, где паслись жирафы, они обнесли на этом участке несколько акаций забором высотой 2,2 м. От границы кроны он отстоял на 1 м. Для взрослых жирафов такой забор не помеха, они могут обгладывать ветки на четырехметровой высоте и легко наклониться за ограду. Остальные животные не могли объедать огороженные деревья (от слонов забор берегли). В непосредственной близости от экспериментальных акаций ученые наметили контрольные деревья примерно такой же высоты, так что каждое огороженное дерево имело соразмерную пару. Спустя два влажных сезона исследователи сравнили биомассу листьев на побегах, расположенных на разной высоте. (Ученые использовали усредненные данные для десяти случайно выбранных веток.) У экспериментальных акаций она была практически одинаковой на всех ветках, а на контрольных деревьях нижние ветви оказались гораздо более объеденными, чем верхние. И только на четырехметровой высоте количество листьев на огороженных и неогороженных акациях практически не отличалось. Глядя на эти результаты, ученые пришли к выводу, что длинная шея возникла у жирафов в ходе эволюции и помогает им избежать конкуренции за пищу с другими травоядными. И хотя этот эксперимент в научной прессе хорошенько покритиковали за то, что они не учитывают многих факторов, он, безусловно, заслуживает упоминания как попытка научно обосновать очевидный факт.