Кислород и углекислый газ

Усвоение животными кислорода и удаление углекислого газа столь же необходимо, как пищеварение и усвоение пищи, и является основой всех процессов жизнедеятельности. Потребность в кислороде определяется энергетическими затратами организма на движение, работу внутренних органов, обеспечение потребностей каждой клетки тела. Следует различать физиологические процессы обмена кислородом и углекислым газом между организмом и внешней средой (газообмен) и биохимические процессы использования кислорода и образования углекислого газа в клетках (тканевое или клеточное дыхание). Газообмен - очень важный для организма процесс, эффективность которого обеспечивает, в конечном итоге, выживание животных.

Как кислород, так и углекислый газ (СО₂, другое название - диоксид углерода) представляют собой газообразные вещества, и именно в таком виде они усваиваются или выделяются наземными животными. Их соотношение в атмосферном воздухе составляет в среднем 700 : 1, что создает благоприятные возможности для дыхания. В воде это соотношение совершенно иное. Вследствие ограниченной растворимости максимальное содержание кислорода в воде приблизительно в 20 раз меньше, чем в воздухе. Углекислый газ в отличие от кислорода способен не только растворяться, но и реагировать с водой химически, образуя угольную кислоту. В результате диссоциации этой кислоты образуются ионы Н⁺ и НСО₃^-, в связи с чем общее содержание СО₂ в воде может превышать содержание кислорода. Физический процесс растворения углекислого газа протекает главным образом при кислой реакции среды. В нейтральной и особенно щелочной среде значительная часть диоксида углерода вступает в химические реакции с содержащимися в воде солями.

Худшая (по сравнению с наземными животными) обеспеченность водных животных кислородом в известной мере компенсируется легкостью отдачи диоксида углерода, обусловленной его химическим связыванием. Хотя таким образом и облегчается газообмен, в специфических условиях водной среды остается нерешенной главная проблема - доступность кислорода. Это послужило причиной для возникновения самых различных приспособлений организмов. Известно, например, что на разных стадиях своего индивидуального развития животные по-разному переносят дефицит кислорода. Так, у рыб, обитающих и размножающихся в озерах с пониженным содержанием кислорода, часто встречается мелкая икра. Это приводит к увеличению отношения поверхности икринки к ее объему, что облегчает газообмен. Икра других рыб имеет приспособления, обеспечивающие ее развитие на богатой кислородом поверхности или в толще воды. Кажущееся на первый взгляд непонятным наличие у многих рыб проточных вод придонной икры связано с гораздо лучшей обеспеченностью их кислородом в сравнении с придонными зонами стоячих вод. Таким образом, для большинства рыб (как и для других водных животных) кислород очень часто является фактором, лимитирующим их развитие и расселение.

Как уже говорилось, углекислый газ является одним из конечных продуктов обмена веществ живых клеток. Газообмен гидробионтов, а также растворенный в воде углекислый газ воздуха - основные источники диоксида углерода в водоемах. Растворение СО₂ сопровождается образованием и диссоциацией угольной кислоты и способствует подкислению среды. В свою очередь, поглощение СО₂ растениями в процессе фотосинтеза уменьшает активную реакцию среды (рН), которая при значительном развитии фитопланктона в период цветения водоемов смещается в щелочную сторону. При этом растения не только полностью потребляют растворенный СО₂, но и способствуют переходу гидрокарбонатов в карбонаты:

Растения, в отличие от животных, страдающих от повышения содержания СО₂ в воде, отзываются на это усилением фотосинтеза.