Сто атмосфер и один вдох — как кашалот ныряет глубже километра

Перед глубоким погружением кашалот несколько минут проводит у поверхности, затем изгибает спину, поднимает хвост и почти вертикально исчезает под водой. Некоторые кормовые нырки уводят его глубже километра и продолжаются десятки минут. Когда животное возвращается, оно не делает длительных остановок, похожих на декомпрессию водолаза.

На километровой глубине давление примерно в сто раз выше атмосферного. В таких условиях воздух резко сжимается, а растворённые в тканях газы при подъёме могут образовывать пузырьки. Кашалот не освобождён от этих физических законов. Разница заключается в том, что во время спуска его дыхательная система постепенно переходит в состояние, почти недоступное человеку с аквалангом.

Давление растёт, но тело не сминается

Морская вода прибавляет приблизительно одну атмосферу давления на каждые десять метров глубины. На отметке 1000 метров абсолютное давление достигает примерно 101 атмосферы. Однако оно не превращает тело кашалота в сплющенную массу: большая часть тканей состоит из воды, а жидкости при такой нагрузке изменяют объём совсем незначительно.

Основное сжатие приходится на заполненные газом полости. По мере погружения воздух в лёгких занимает всё меньше места. Жёсткая грудная клетка мешала бы этому процессу и создавала опасную разницу давлений, но у китообразных рёбра и другие структуры грудной области достаточно подвижны. Лёгкие уменьшаются вместе с окружающим их пространством, не разрываясь под нагрузкой.

Таким образом, давление не просто становится препятствием, которое организм должен выдержать. Оно запускает перестройку дыхательной системы, необходимую для дальнейшего погружения. Одновременно возникает другая проблема: чем выше давление газа, тем легче содержащийся в нём азот переходит в кровь.

Почему опасен растворённый азот

Кессонная, или декомпрессионная, болезнь развивается не на максимальной глубине, а во время слишком быстрого снижения давления. Азот почти не участвует в обмене веществ, однако способен растворяться в крови и тканях. При подъёме его растворимость уменьшается, и газ может выделиться в виде пузырьков, повреждающих ткани и перекрывающих мелкие сосуды.

Аквалангист продолжает вдыхать газовую смесь под давлением окружающей воды. Каждый вдох пополняет количество азота в лёгких, поэтому с увеличением глубины и продолжительности погружения растёт его запас в организме. Чтобы растворённый газ успел безопасно покинуть ткани, водолазу приходится подниматься постепенно.

Кашалот берёт воздух только у поверхности и не получает новых порций азота под водой. Его исходный запас ограничен одним вдохом при обычном атмосферном давлении. Это снижает потенциальную нагрузку, но не устраняет её: в начале спуска воздух ещё соприкасается с кровью, а растущее давление способствует переходу азота через стенки альвеол.

Главная защита начинает действовать позже, когда сжимающиеся лёгкие изменяют расположение оставшегося воздуха и почти прекращают его контакт с кровотоком.

Лёгкие закрывают азоту путь в кровь

Газообмен происходит в альвеолах — микроскопических пузырьках, окружённых капиллярами. Через их тонкие стенки кислород поступает в кровь, углекислый газ выводится из неё, а азот может переходить в ткани. Пока альвеолы расправлены, повышение давления ускоряет этот обмен.

Во время спуска они постепенно сжимаются, а воздух вытесняется в бронхи и трахею. Стенки этих проводящих путей укреплены хрящевой тканью и сохраняют форму при давлении, которое уже заставило альвеолы спасться. В бронхах и трахее нет такой развитой поверхности газообмена, поэтому переместившийся туда воздух оказывается почти изолирован от крови.

Глубина спадения альвеол не является постоянной величиной. Она зависит от объёма вдоха, размеров животного, положения тела и характера погружения. Поэтому нельзя указать единственную отметку, после которой газообмен полностью выключается. Важно другое: по мере спуска поступление азота резко сокращается и его концентрация в тканях перестаёт расти так, как у дышащего под водой человека.

Предполагается, что дополнительную защиту создаёт перераспределение кровотока между разными участками лёгких. Оно может уменьшать обмен азота ещё до полного спадения альвеол. Этот механизм пока изучен не до конца, поэтому его рассматривают как дополнение к сжатию лёгких, а не как окончательно доказанное объяснение.

Кислород хранится в крови и мышцах

Прекращение газообмена решает проблему азота, но лишает организм возможности получать кислород из лёгких. Кашалот может позволить дыхательной системе временно выключиться только потому, что значительная часть кислородного запаса находится за её пределами.

Большой объём крови и высокая концентрация гемоглобина позволяют переносить много кислорода к внутренним органам. Дополнительный резерв содержится непосредственно в мышцах, где кислород связывается с миоглобином. У глубоко ныряющих млекопитающих этого белка значительно больше, чем у большинства наземных животных.

Связанный с белками кислород не образует отдельной газовой полости и не сжимается вместе с воздухом в лёгких. Мышцы могут некоторое время расходовать собственный запас, не забирая его постоянно из общего кровотока. За счёт этого головной мозг и сердце дольше получают кислород, оставшийся в крови.

Такая система меняет саму роль лёгких. На суше они непрерывно снабжают организм кислородом, а при глубоком нырке превращаются в сжимаемый резервуар, который можно временно отделить от кровообращения.

Сердце замедляется, а спуск требует меньше энергии

С началом погружения включается нырятельная реакция. Сердце сокращается реже, сосуды в менее важных в данный момент тканях сужаются, а кровоснабжение сосредоточивается прежде всего на головном мозге и самом сердце. Мышцы при этом используют кислород, накопленный в миоглобине.

Экономить запас помогает и изменение плавучести. У поверхности воздух в лёгких поддерживает тело, но по мере сжатия его подъёмная сила уменьшается. На определённой глубине кашалот получает возможность скользить вниз почти без движений хвостом. Чем меньше работает мускулатура во время спуска, тем больше кислорода остаётся для поиска добычи и возвращения.

На подъёме затраты снова возрастают: животному приходится активнее двигать хвостом, преодолевая собственную массу. Ближе к поверхности расширяющийся воздух постепенно восстанавливает положительную плавучесть и облегчает последние метры пути.

Подъём не требует декомпрессионных остановок

При уменьшении внешнего давления воздух расширяется, а альвеолы постепенно раскрываются. Газообмен возобновляется, и часть растворённого азота может перейти из тканей в кровь, а затем в лёгкие. После всплытия он удаляется вместе с выдыхаемым воздухом.

К этому моменту организм не насыщен азотом так же сильно, как организм аквалангиста после продолжительного дыхания на глубине. Запас газа изначально был ограничен, а спадение альвеол рано затормозило его дальнейшее поступление. Поэтому кашалоту не требуется выполнять человеческую процедуру ступенчатой декомпрессии.

Такая защита не абсолютна. Газовые пузырьки и повреждения, напоминающие последствия декомпрессионной болезни, обнаруживали у некоторых китообразных. Предполагается, что риск может возрастать при сильном стрессе, необычно быстром всплытии, нарушении привычной последовательности нырков, а также при травмах и заболеваниях, влияющих на работу лёгких или кровообращение.

Вернувшись на поверхность, кашалот совершает серию вдохов и выдохов. За это время кровь снова насыщается кислородом, из организма удаляется накопленный углекислый газ и выводится часть оставшегося азота. Только после такого восстановления животное готово к следующему глубокому погружению.