Ведущую роль в определении осмолярности крови как у пресноводных, так и у морских рыб играет Na+.
Однако перед пресноводными и морскими рыбами стоят прямо противоположные задачи осмотической и ионной регуляции. У пресноводных рыб они сводятся к необходимости поддержания осмолярности и ионных концентраций в крови на значительно более высоком уровне в сравнении с окружающей их пресной водой и предупреждения избыточного осмотического поступления воды в организм. А морским рыбам, напротив, необходимо постоянно бороться с избытком ионов натрия и противостоять обезвоживанию организма.
Поэтому пресноводные рыбы, обитающие в гипотонической среде, сорбируют ионы натрия через поверхность жабр и выделяют обильную малоконцентрированную мочу почками, а морские рыбы, обитающие в гипертонической среде, выделяют малое количество высококонцентрированной мочи и экскретируют ионы натрия против градиента концентрации. Другие катионы, а также анионы (за исключением С Г) перераспределяются, как правило, в соответствии с концентрационными и электрическими градиентами.
Активный перенос натрия из внешней среды в организм, или в обратном направлении, сопряжен с противоположно направленным перемещением какого-либо противоиона — К, Н+ или NH. Биохимической основой (эквивалентом) натриевого насоса служат АТФазы. Одна из них — №+К+-АТФаза, стимулируемая ионами натрия и калия, обеспечивает транспорт натрия из крови в клетки и выделение калия из клеток в кровь. Эта Ма-АТФаза рыб, подобно АТФазе млекопитающих, ингибируется уабаином. Другая АТФаза рыб — №+-АТФаза значительно более активная, чем первая, обеспечивает транспорт натрия из окружающей среды в клетки жабр. Она независима от ионов калия, и эта особенность носит ярко выраженный адаптивный характер, поскольку сопряжение поглощения натрия с выделением калия у пресноводных рыб способствовало бы утечке этого иона из организма. Поскольку противоионная специфичность АТФаз относительна, то вместо К в качестве противоионов могли бы использоваться NH$ или Н+.
Напомним, что рыбы относятся к аммониотелическим животным и сопряжение поступления в организм Na+ с выводом из организма конечного продукта азотистого обмена NH было бы оптимальным решением важнейшей физиолого-биохимической задачи. С физиологических позиций, однако, трудно себе представить возможность строгой и обязательной увязки транспорта Na+ и IMHJ, поскольку интенсивность азотистого обмена далеко не всегда может совпадать с потребностями организма в ионах натрия. И действительно, экспериментально было показано, что при многократном увеличении интенсивности абсорбции натрия не происходит сколь-нибудь существенного изменения интенсивности экскреции ионов аммония. В свою очередь, интенсивность экскреции NH? не зависит от концентрации Na+ в среде и интенсивности его поглощения. Поэтому более вероятно использование в качестве противоиона Н+, выделение которого из организма меняется с изменением интенсивности поступления Na+ в организм. Источником ионов водорода для этих целей служит реакция гидратации молекулы СO2, катализируемая карбоангидразой: СО2 + Н2O-+ - Н+ + НСО3.Ионы бикарбоната, в свою очередь, используются в качестве противоиона при активном поглощении СГ (с участием анионных АТФаз) и также выводятся жабрами. Угнетение карбоангидразы ведет к одновременному угнетению поглощения ионов натрия и хлора.
Таким образом, исследованиями, выполненными на рыбах в 60 — 70-х годах, были открыты новые функции жабр: поглощение и выделение ионов, т. е. активное участие этого органа в регуляции ионного и кислотно-щелочного равновесия. Экспериментально доказанная сопряженность поглощения Na+ и СГ с выделением Н+ и НС03 обеспечивает удивительную интеграцию ряда функций, выполняемых жабрами: поддержание баланса электролитов; поддержание кислотно-щелочного равновесия и выделение продукта дыхания (СОг) в виде НСОз.
В свете этих новых данных логично было предположить, что возникающие при кислотном отравлении обширные и глубокие повреждения жабр затрагивают не только дыхательную, но и другие их функции.
Выполненные в самом начале 70-х годов экспериментальные исследования на рыбах подтвердили это предположение. Впервые нарушение ионного обмена у рыб при низких рН было обнаруженр Р. Пакером и В. Дансоном в опытах с ручьевой форелью и Дж. Метцем в опытах с серебряным карасем. У обоих видов, различающихся по уровню общей резистентности, закисление среды приводило вначале к угнетению поглощения ионов натрия, а при дальнейшем снижении величины рН наступало увеличение проницаемости жаберного эпителия, ведущее к некомпенсируемой утечке ионов натрия из организма, и снижению его концентрации в сыворотке крови. Полное угнетение абсорбции №+ у радужной форели отмечено при рН 4,65. Кратковременное воздействие низких рН (в течение 15 мин) обратимо, поскольку у рыб, помещенных в чистую воду, восстанавливалась способность активного транспорта ионов натрия из наружной среды в организм.
При летальных концентрациях водородных ионов резко увеличиваются проницаемость жаберного эпителия и скорость потери натрия. Р. Пакер и В. Дансон установили также, что степень нарушения минерального обмена и продолжительности жизни рыб прй остро токсичных рН зависят от концентрации Са+2 и Na+ в окружающей среде. Так, например, добавление 150 мм NaCI в воду продлевало время выживания рыб даже при рН 3,25. Однако при рН, равном 2,0, повышение концентрации натрия в воде не оказывало защитного действия.
Наряду с гипопротеинемией под влиянием высоких концентраций водородных ионов происходит закисление крови подопытных рыб. Так, по данным Р. Пакера и В. Дансона, снижение рН крови на 0,44 единицы отмечено у ручьевой форели уже после полутора часов выдерживания рыб при рН воды 3,0. Однако при менее жестком кислотном воздействии на ручьевую форель (рН 4,2) рН крови претерпевает незначительные изменения, в то время как концентрация натрия в крови снижается. В более ранней работе, выполненной на стальноголовом лососе, было показано, что у рыб, погибших при рН воды 3,1 и низком содержании СO2, величина рН крови снизилась всего лишь на 0,2 единицы, а у рыб, погибших при рН воды 4,5 и высоком содержании СO2 (50 мг/л), — на 0,55 единицы. Авторы считают, что основной причиной снижения рН крови является повышенное содержание в воде свободной двуокиси углерода, а гибель рыб наступает от ацидемии.
Исходные экспериментальные данные, полученные в лабораторных условиях Р. Пакером и В. Дансоном, а также Дж. Метцем, о снижении концентрации натрия в плазме крови и ее закислении под влиянием остротоксичных концентраций Н+, были использованы Лейвестадом и Мюницем при объяснении причин гибели кумжи в одной из рек Норвегии. Они обнаружили, что у погибших рыб при рН воды в реке 5,2 концентрации натрия и хлоридов в плазме крови оказались низкими, а рСO2 и гематокрит оставались в пределах нормы. На этом основании авторы высказали предположение, что основной причиной гибели рыб может быть нарушение осморегуляторной функции. Это предположение было подхвачено рядом исследователей, которые считают, что основной причиной гибели рыб при кислотном отравлении являются обессоливание и ацидоз, а не гипоксия. Между тем критический анализ накопленных экспериментальных данных по физиолого-биохимическим изменениям рыб в ответ на снижение величины рН в толерантном и летальном диапазонах не позволяет согласиться с этой односторонней точкой зрения по ряду причин. Остановимся на некоторых из них.
Необратимое обессоливание и ацидоз развиваются у рыб только при резком и глубоком снижении величины рН воды до летального уровне, причем эти изменения проявляются наряду с другими физиолого-биохимическими нарушениями, в том числе при многократном увеличении аммония в плазме, обладающего токсическими свойствами, расстройством дыхания и гипоксией.
В опытах Р. Пакера и В. Дансона под влиянием летальных концентраций водородных ионов у рыб, содержащихся в воде, обедненной натрием, время выживания было обратно пропорционально скорости потери Na+. Добавление ионов натрия в воду увеличивало время выживания при летальных рН и, что особенно интересно, в момент гибели содержание натрия в крови у этих рыб было нормальным. Как известно, потеря натрия и других одновалентных ионов (К, СГ) — это основная реакция рыб, ведущая к обессоливанию организма при помещении их в гипотоническую среду.
В опытах с пресноводными рыбами обычно для этих целей используют дистиллированную воду. Так, гибель плотвы в дистиллированной воде наступает при значительно меньшем содержании Na+ в крови, т. е. при более глубоком обессоливании, чем при воздействии среды с низкими значениями рН. К этому следует добавить, что у рыб, погибающих от обессоливания в дистиллированной воде, рН крови практически одинаково в сравнении с контрольными рыбами, содержащимися в пресной воде с рН 7,5. Более того, рН крови рыб, погибающих в кислой дистиллированной воде (рН 3,7), снижается по сравнению с контрольными интактными рыбами всего на 0,2 или 0,25 единицы. Напомним, что ранее незначительное понижение рН крови (на 0,2 единицы) отмечено у лососей, погибших в кислой воде при рН 3,1.
Особо следует подчеркнуть, что многократное увеличение потери натрия, ведущее к развитию обессоливания и закислению крови, развивается у рыб только при летально высоких концентрациях водородных ионов, т. е. при экстремально низких величинах рН (ниже 4,0). Как показали исследования, выполненные на кумже с помощью радиоактивных изотопов, при рН выше 5,0 абсорбция и диффузионные потери натрия уравновешены, вследствие чего концентрация натрия в крови остается постоянной. Снижение величины рН ниже 5,0 нарушает натриевый баланс организма: выведение увеличивается, а поглощение снижается. Выявлены особенности натриевого обмена и реакции на кислотный стресс у разных генетических линий кумжи, а также зависимость этих показателей от длительности акклимации к тому или иному уровню рН. Установлено, что снижение кислотности воды вызывает у акклимированных рыб двухфазную реакцию: снижение, а затем (через 24 — 48 ч) увеличение поглощения натрия.
Аналогичные данные получены В. А. Соколовым и Г. А. Виноградовым на тиляпиях, активированных путем выдерживания их в дистиллированной воде с рН 8,0 в течение 5 сут. Снижение рН воды до 5,5 — 4,5 вызвало у рыб, содержащихся в дистиллированной воде, обратимое угнетение транспорта Na+. Авторы приходят к выводу, что в толерантном диапазоне изменений рН (от 4,0 до 8,0) происходит частичное или полное восстановление транспорта натрия в течение первых 6 — 18 ч воздействия пониженной кислотности воды на рыб.
Скорость нормализации натриевого обмена, его возвращение к исходному, или новому, стабильному уровню зависит от интенсивности кислотного воздействия. Дальнейшее изучение этого вопроса, проведенное на карасях и карпах, подтвердило обратимость изменений натриевого обмена при снижении рН в толерантном диапазоне и высокую пластичность осморегуляторной функции жабр рыб. Угнетение скорости поглощения Na+ почти вдвое отмечено у карасей уже через 3 — 6 ч после помещения их в воду с рН 5,5, однако в последующие 12 ч сорбция ионов натрия постепенно восстанавливалась и спустя 24 — 48 ч достигала 70 — 78% от исходного уровня. Сходная динамика отмечена и для ионов хлора. Диффузионные потери натрия у карасей при рН 5,5 после кратковременного увеличения быстро снижались и спустя 48 ч составили 64% от исходного уровня. Снижение рН воды на единицу (с 5,5 до 4,5) привело к новому угнетению активного транспорта натрия и последующей стабилизации этого процесса на более низком уровне (50% от исходного уровня). Акклимация рыб к повышенному уровню кислотности воды осуществляется, по мнению авторов, за счет снижения диффузионных потерь натрия. Описанные изменения в транспорте Na+ коррелируют со структурными изменениями хлоридных клеток жаберного эпителия.
Сходные по направленности и выраженности физиолого-биохимическое изменения при снижении рН в толерантном диапазоне и обессоливании в дистиллированной воде отмечены в опытах с карпами.
Содержание карпов в течение 7 сут в дистиллированной воде без снижения величины рН само по себе повышает проницаемость жаберного эпителия, увеличивает почти вдвое потери натрия и угнетает его активный транспорт (поглощение) в течение первых суток. В дальнейшем происходит стабилизация этих процессов на достигнутом низком уровне в течение всего периода наблюдений. Выдерживание карпов в течение 7 сут при рН 4,5 (не указано в какой воде, дистиллированной или речной) показало, что концентрация ионов натрия в крови (115 — 105 ммоль/л) и величина рН крови (8,0 — 7, 8 — 8,0) не претерпевали существенных изменений и находились практически на одном уровне. Тем не менее авторы приходят к выводу, что в результате акклимации рыб к кислой среде уменьшается содержание Na+ в крови и увеличивается концентрация водородных ионов. В работе не представлены число подопытных рыб, повторность опытов, точные цифровые данные и результаты статистической обработки. Кроме того, известно, что выдерживание того же карпа даже при рН 4,0 не приводит к сколь-нибудь существенному изменению величины рН крови.
Многие работы, в которых акцентируется внимание исключительно на изменении водно-солевого равновесия и кислотно-щелочного гомеостаза под влиянием низких рН, выполнены в лабораторных условиях на дистиллированной или низко минерализованной воде, что само по себе вызывает многократное увеличение скорости потери солей у пресноводных рыб и их резкое обессоливание. Конечно, подобного рода опыты тоже имеют определенное значение, поскольку среди прочих в природе встречаются и водоемы с низкой общей минерализацией и пониженным содержанием ионов кальция.
Достаточно сказать, что концентрация кальция во внутренних пресноводных водоемах колеблется от единиц до сотен мг/л. Однако необходимо все же подчеркнуть, что обессоливание организма является адекватной реакцией как морских, так и пресноводных рыб на помещение их в гипотоническую среду. Поэтому авторы, изучавшие причины гибели рыб под влиянием низких рН с использованием дистиллированной воды, были просто обречены на открытие факта снижения концентрации натрия и других ионов в плазме крови, поскольку помещение пресноводных рыб, а также других животных с гиперосмотической регуляцией в дистиллированную воду само по себе вызывает быстро развивающееся обессоливание. Естественно, что добавление в дистиллированную воду кислот и снижение величины рН до критической, или пороговой ведет к многократному усилению процесса диффузии ионов Na+, а также К\ Са+2 и СГ, снижению их концентрации в крови и последующей гибели рыб.
Возникает своего рода синергический эффект, т. е. остро токсичные концентрации водородных ионов резко усиливают неблагоприятное влияние гипотонической среды на рыб, увеличивают потери ионов организмом и ускоряют время гибели рыб. Весьма красноречивы в этом отношении данные о времени выживания рыб в дистиллированной воде и в пресной речной воде при одной и той же величине рН, равной 3,5 — 3,7. Максимальная продолжительность жизни окуня в дистиллированной воде составила 5 — 6 ч, а в пресной воде с одинаковой величиной рН — более 5 сут, т. е. в 20 с лишним раз дольше. Время выживания плотвы в дистиллированной воде при рН 3,7 оказалось в 3 — 5 раз больше, чем в пресной воде (4 — 5 и 1,0 — 1,5 ч соответственно). И, наконец, продолжительность жизни щуки в пресной воде при рН 3,5 — 3,7 достигает 10 сут, а время выживания в дистиллированной воде, к сожалению, не указано. Наряду с ускорением времени гибели рыб в кислой дистиллированной воде при летальных уровнях рН происходит многократное (в 6 — 8 и даже в 10 — 15 раз) увеличение скорости потери ионов Na+, ведущее к значительному снижению их содержания в крови (гипопротеанемия).
Увеличение проницаемости жаберного эпителия у рыб, содержащихся в дистиллированной воде, под влиянием летально низких рН, возникающую при этом гипопротеинемию и гибель рыб можно предотвратить добавлением в дистиллированную воду Са+2 в концентрациях, характерных для пресных вод с обычной жесткостью (40 — 70 мг/л). Важная роль ионов кальция в определении уровня проницаемости жаберного эпителия рыб для Na+ и СГ была установлена в начале 70-х годов В. Потсом и В. Флемингом, а его защитное действие при кислотном стрессе — Р. Пакером и В. Дансоном.
Согласно современным представлениям проницаемость эпителиальных тканей, в том числе и жаберного эпителия, определяется как состоянием наружных клеточных мембран, так и межклеточных структур, т. е. клеточной и межклеточной компонентами. Кальций обеспечивает поддержание межклеточных контактов с помощью так называемых кальциевых мостов, цементирующих межклеточные соединения и препятствующих тем самым выведению ионов натрия и других электролитов из организма рыб в окружающую среду. Именно поэтому в воде с нормальной и повышенной минерализацией у рыб не происходит потери ионов и снижения осмолярности крови как в норме, так и при закислении воды в толерантном диапазоне.
В противоположность этому при помещении рыб в дистиллированную воду, лишенную кальция, равно как и других ионов, нарушается проницаемость жаберного эпителия, ведущая к повышенному выведению натрия и обессоливанию организма, которое усугубляется при подкислении дистиллированной воды. Внесение же Са+2 в дистиллированную воду оказывает защитное действие, снижает степень нарушения ионного обмена при кислотном отравлении.
