Софонты

Как известно из-за разреженного воздуха, кровь в горных районах меньше насыщаются кислородом. Из-за этого жители низин, попавшие туда, часто испытывают слабость, недомогание и другие симптомы горной болезни, вплоть до изменения сознания. Шерпы же, народ, живущий на востоке Непала, в окрестностях Эвереста, сталкиваются с этими трудностями гораздо реже. Они прекрасно приспособлены к условиям высоких гор, они выносливы и поэтому часто служат проводниками и помощниками альпинистам, поднимающимся на Эверест. Помимо выносливости, шерпы обладают рядом других бонусов к горной привычке, таких как высокий репродуктивный успех. Это означает, что женщины-шерпы с большей вероятностью успешно забеременеют и родят живых детей чаще, чем представители других наций в тех же условиях. Шерпам помогают адаптироваться к высокогорью, в частности, их кровь. Горцы вообще вырабатывают больше эритроцитов ( примерно в 1,5 раза ), чем жители равнин, что позволяет им переносить больше кислорода, в то время как шерпы синтезируют еще больше плазмы, делая свою кровь менее вязкой, а значит, она может быстрее двигаться по сосудам и тем самым быстрее переносить кислород, в результате чего нагрузка на сердце уменьшается. И всё же дыхательная система человека далеко не идеальна, в особенности при длительном пребывании в горной местности или внезапной смене климата. Если брать пример из животного мира, то дыхательная система птиц, если не самая совершенная, то пожалуй самая сложная среди большинства позвоночных. Как известно, легочная система птиц уникальна тем, что вдыхаемый ими воздух проходит через легкие дважды за один цикл, повышая эффективность их работы. То есть при вдохе воздух идет сквозь легкие в специальные воздушные мешки, а при выдохе — выдавливается из воздушных мешков и уходит наружу, опять же сквозь лёгкие. В дыхательных путях мёртвый ( не используемый ) объём ограничивается только трахеей, а воздух движется через легкие только в одном направлении, при чем полный цикл воздух совершает за две пары дыхательных движений ( вдох-выдох-вдох-выдох ), что собственно говоря и называется двойным дыханием. Дыхательные пути птиц начинаются с ноздрей, продолжаются в носовую полость и верхнюю гортань, за гортанью следует трахея, длина и количество хрящевых колец в которой у разных птиц сильно варьируют. Бронхи, войдя в лёгкое, отдают вторичные бронхи, частично выходящие за пределы лёгкого и образующие воздушные мешки, располагающиеся в различных частях тела. Вторичные бронхи сообщаются между собой многочисленными парабронхами, оплетенными сетью кровеносных капилляров. ============================= По большому счёту лёгкие – это просто газообменик, во многом похожие на радиатор автомобиля, функции которого заключаются в отводе лишнего тепла от, поступающей из двигателя, охлаждающей жидкости точно также как лёгкие отводят углекислый газ из крови. Что примечательно уже давно существует проверенный временем дизайн идеального автомобильного радиатора в котором охлаждающая жидкость прокачивается по множеству небольших тонких трубок через которых проходит поток воздуха и что удивительно именно эта схема отлично описывает паробронхиальную ткань птиц и динозавров. На рисунке выше показана модель радиатора где маленькие трубки, по которым течёт охлаждающая жидкость ( в нашем случае, кровь ), попеременно сжимается и расширяется. Опытный инженер может сразу возразить что подобная конструкция может быстро изнашиваться и повреждаться из-за того что хрупкие трубки с их тонкими стенками могут быть повреждены частыми повторяющимися движениями, но как ни удивительно именно эта конструкция сложилось в случае лёгких млекопитающих. На втором же рисунке изображена модель радиатора внутри которого охлаждающая жидкость пропускается через описанные выше, продуваемые потоком воздуха, тонкие трубки, что является идеальной классической конструкцией автомобильного радиатора и по принципу аналогичной лёгким птиц. Другими словами у млекопитающих больше развилась модель возвратно-поступательной вентиляции когда в начале при вдохе возду поступает в лёгкие, попадает в альвеолы, выделяя в кровь кислород и на выдохе выделяет углекислый газ, за счёт чего можно прийти к мнению о том, что у млекопитающих воздух всегда находится в лёгких. Однако поток воздуха в лёгких птиц и предшествующим им динозавров является однонаправленным и непрерывным или другими словами в лёгких птиц воздух в парабронхах движется в одном направлении в независимости от того вдох сейчас или выдох. Также лёгкие птиц имеют удивительно эффективное расположение воздушных и кровянных капилляров для лёгочного газообмена. На самом деле, возвратно-поступательная система вентиляции лёгких млекопитающих приводит к дополнительным проблемам которые не могут быть видны на упрощённом рисунке, так например лёгкие млекопитающих не выдавливают воздух полностью при каждом выдохе, в отличие от лёгких птиц. Лёгкие человека поддерживают в покое около трёх литров воздуха, а во время вдохе всасывают около полулитра в результате чего поток воздуха не может доставить вдыхаемый газ в перефирические ( глубокие ) области лёгких где расположены некоторые газообменные альвеолы, в следствие чего оставшаяся часть заполняется за счёт комбинации конвекции и диффузии во вдыхаемых путях для чего необходимы относительно большие дыхательные пути чтобы обеспечить смешивание вдыхаемого воздуха с тем что уже в них находится. Но у птиц механизм вентиляции не только проще, но и имеют большую эффективность сбора кислорода чем у лёгких млекопитающих при меньшем объёме самих лёгких. Также возвратно-поступательный механизм вентиляции лёгких млекопитающих имеет ещё три недостатка, по сравнению с лёгкими птиц, о которых стоило бы упомянуть: так в первую очередь следует упомянуть об неравномерной вентиляции лёгких, заключающейся в том, что самые праксимальные альвеолы в аоцинусе в большинстве снабжаются именно вдыхаемым кислородом из-за чего более дистальные альвеолы соответственно снабжаются меньше ( данный процесс называется " скрининг " ). Проточное устройство лёгких птиц лишено этих недостатков. Вторым недостатком является бассейновая схема вентиляции которая приводит к низкому альвеолярному напряжению кислорода. Так относительно небольшой объём вдыхаемого воздуха доставляется в уже находящийся внутри лёгкого млекопитающего большой резервуар газа из-за чего альвеолярное и следовательно артериальное давление кислорода оказывается значительно ниже чем давление вдыхаемого газа, в то время как система лёгких птиц и динозавров значительно уменьшает эту проблему. Третьим же недостатком является то, что вдыхаемый газ может достигать перефирических областей лёгких млекопитающих, как уже отмечалось выше, только в результате комбинации конвекции и диффузии из-за чего выходит что конечное воздушное пространство должно быть относительно большим чтобы уменьшить сопротивление внутри них. Например, в лёгких человека альвеолы имеют диаметр около 300 микрометров, в то время как размеры воздушных капилляров в лёгких птиц имеют диаметр на 95% меньше ( данный показатель может варьироваться в зависимости от вида ). Также стоило бы упомянуть что у птиц лёгочные капилляры поддерживаются густой сотовой сетью, в то время как в лёгких млекопитающих альвеолы распространяются вдоль свободно плавающей альвеолярной стенке, таким образом оставляя большое количество ничем не занятого пространства. ======================= Как вы говорили, у птиц есть дыхательные мешки, в которых полуотработанный воздух буферизуется до следующего вдоха-выдоха и полностью вырабатывается. Мы могли бы повысить эффективность лёгких, прогоняя воздух по петле — отработанный воздух попадает к отработанной крови, где происходит её очищение от углекислого газа. После очищенная кровь следует к области лёгких, заполненных свежим воздухом. Так ресурс воздуха будет более эффективно исчерпываться, и свежий не будет смешиваться с отработанным. Как вам идея несимметричного дыхания? Так, одно лёгкое передаёт другому отработанный воздух, пока оно вдыхает свежий. Таким образом мы используем в качестве буфера лёгкое, которое уже отработало наполовину воздух, и приток кислорода в организм беспрерывный. В то время, как первый канал вдыхает свежий воздух, второй канал его отводит. Вы вдыхаете и выдыхаете одновременно, что позволяет воздуху полностью выработать свой ресурс. Мы не увеличим количество кислорода в воздухе и не увеличим эффективность диффузии между газом и кровью. Просто газ будет совершать лишь одно действие и отрабатывается полностью. В наших лёгких свежий воздух смешивается с отработанным прямо во время дыхания, а потому мы выдыхаем воздух, который отработан лишь наполовину. Что хуже, наполовину отработанный воздух обеспечивает насыщение крови кислородом, что снижает эффективность диффузии в два раза. Поэтому данный цикл эффективнее приблизительно в два раза. Я мог бы предложить использовать в качестве воздушного мешка второе лёгкое, но взаместо этого оно само могло бы производить дыхание. В данном примере воздух отрабатывает настолько, насколько это возможно. Взаместо его повторной отработки логичнее набрать новый свежий воздух. Поэтому не вижу нужды задерживать воздух в лёгких. Если организм потребляет меньше кислорода, чем получает, логичнее замедлить дыхание. Данная система работает в рамках одного лёгкого, второе лишь дублирует его. В дыхательной системе птиц воздух, находящийся в буфере, никак не используется и лишь занимает ценный объём. Можно использовать воздушные мешки в купе с данной системой — половина лёгких обогащает кровь, вторая половина — очищает. Но так вы лишь повышаете объём воздуха на дыхание. Воздушный мешок позволяет дорабатывать воздух при выдохе. Во время доработки воздуха через мешок вы отрабатываете его во время выдоха ещё на половину — таким образом он отработан лишь на 3/4. Но вместо этого вы могли прогонять этот самый отработанный воздух по лёгким во время выдоха, по петле. Так он будет совершать ту работу, соразмеримо которой он отработан. В самом начале свежий воздух попадает в камеру, где кровь полностью бедна кислородом. На половине пути на половину отработанный воздух встречает половину крови, у которой требуется забрать углекислый газ. Перед самым выдохом воздух не насыщает кровь кислородом — в нём самом его не осталось — но полностью выполняет работу, на которую он ещё пригоден — очищать кровь от углекислого газа. Человек, при 100 кПа давления, не может дышать атмосферой, содержащей менее 16% кислорода из-за особенностей газообмена. Можно ли использовать капиллярный эффект, какой используют растения для поднятия жидкости на десятки метров ввысь, для повышения давления в капиллярах альвеолл и повышения отработки воздуха, ведь воздух расстворим в воде, а давление жидкости можно менять? Растворимость газов в жидкости зависит от давления — вспомните, как вы открываете бутылку чего-либо газированного. Человек вдыхает атмосферу, содержащую 21% кислорода, и выдыхает 16%, потому что при атмосферном давлении — 100 кПа — 16% является минимальным значением, при котором кислород растворяется в крови. Мы никак не можем повлиять на законы физики и растворить в крови больше кислорода, чем это возможно при атмосферном давлении. Зато мы можем поднять само давление. Для этого нужно создать в альвеоллах камеры перепада, в которых воздух запирается и под давлением растворяется в крови. Кислород связывается, остальные и сопутствующие газы высвобождаются при выдохе. Как повысить давление? Очевиднейше просто — расширить канал. По закону Бернулли, давление в потоке газа или жидкости, при увеличении сечения канала, возрастает. Всё что нам нужно — альвеоллы в форме капилляров, имеющие тонкие начало и конец, но утолщение в середине. Если в воздухе будут обнаружены токсины, то есть два замечательных способа избежать встречи с ними: 1) расширить концы альвеолл или сузить их тело, дабы регулировать газообмен 2) просто задержать дыхание, что делает человек. Токсины зачастую не менее опасны, чем гипоксия, но согласитесь — эта перспектива не намного лучше. По итогу я бы порекомендовал не дышать ядами вовсе. Относительно эффективности этого улучшения сказать ещё трудно, в худшем случае мы просто повысим площадь поверхности лёгких, увеличив газообмен тривиальным способом, а в лучшем, мы вдобавок снизим количество выдыхаемого кислорода в отработанной атмосфере, и будем получать вдвое больше кислорода при тех же объёмах лёгких. ================================ Анаэробное дыхание При длительном отсутствие или слишкой низкой концентрации кислорода в воздухе софонты теряют сознание, а их сердцебиение замедляется примерно в 4 раза ( с 140 до 35 ударов в минуту, в данный момент подразумевается снижение пульса, являющегося сочетанием равномерных сокращений всех четырёх сердец софонтов, поэтому если рассматривать их в отдельности, при переходе в подобное состояние скорость сокращений каждого сердца должна будет, в среднем, снизиться с 35 до 8,75 ударов в минуту ). Как это может помочь при длительном недостатке кислорода? Дело заключается в процессе усваиваивания сахара. Обычные люди, как и большинство млекопитающих, в качестве источника энергии используют глюкозу, расщепляя её в процессе гликолиза ( многоступенчатый процесс по расщеплению глюкозы и генерации энергии ). При недостатке кислорода во время гликолиза образуются побочные продукты, такие как лактат, которые ингибируют первые шаги гликолиза, из-за чего производство энергии прекращается. Быстрее всего запасы кислорода истощаются в энергетически затратных органах, таких как головной мозг, из-за чего в них начинают быстро отмирать клетки. В это время в крови резко повышается уровень: фруктозы и сахарозы ( молекулы, состоящей из фруктозы и глюкозы ). Также в крови увеличивается содержание GLUT5—молекулы, транспортирующей фруктозу в клетки, так и фермента, который преобразует фруктозу в форму, которая может входить в гликолиз. Всё вышеперечисленное позволяет использовать фруктозу в качестве топлива вместо глюкозы при недостатке кислорода, а поскольку фруктоза входит в гликолиз на более поздней стадии, производство энергии может продолжаться при недостатке или отсутствие кислорода и при этом блокируются первые шаги гликолиза. Подобный биохимический механизм наблюдается и хорошо практикуется у " голых землекопов " ( Heterocephalus glaber ). Помимо уже приведенных физиологических приспособлений мы также могли бы немного изменить ( оптимизировать ) их биохимические процессы, дабы их кровь могла переносить больше кислорода, а мышцы и органы эффективнее его использовать: 1) 2,3-Бисфосфоглицериновая кислота 2,3-BPG присутствует в эритроцитах человека в концентрациях в 5 ммоль/л. Он преимущественно связывается с кислородом гемоглобина ( когда красные кровяные клетки находятся возле дышащей ткани ), чем оксигенированный гемоглобин ( чаще всего встречающийся в лёгких ) из-за пространственных изменений: 2,3-БПГ ( с расчетным размером около 9 Ангстрем ) помещается в насыщения гемоглобина конфигурации ( 11 Ангстрем ), но не так хорошо в оксигенированной ( 5 Ангстрем ). Он взаимодействует с дезоксигенированными бета-субъединицами гемоглобина , уменьшая их сродство к кислороду, поэтому аллостерически способствует высвобождению оставшихся молекул кислорода, связанных с гемоглобином, тем самым усиливая способность RBCs высвобождать кислород вблизи тканей, которые нуждаются в нем больше всего. 2,3-BPG, таким образом, является аллостерическим эффектором. Другими словами, 2-3БПГ имеет сродство к клетке крови с низким количеством кислорода в их гемоглобине, потому то они чаще всего и находятся около мышц, выпуская его по мере необходимости. Когда это химическое соединение с гемоглобином уменьшает сродство ( способность удерживать ) кислород, высвобождая его еще быстрее в мышцы; насыщая кислородом ткани и будучи в состоянии быстрее перемещаться в легкие, чтобы повторно оксигенироваться. Так в организме живущих в восокогорье людей имеется повышенное содержание этого химического вещества, ведь 2,3-БПГ помогает организму продиводействовать кислородному голоданию ( гипоксии). Однако при этом стоит помнить, что синтезирование 2,3-БПГ требует некоторого количества энергии, так существует тонкий баланс между необходимостью генерировать АТФ для поддержания энергетических потребностей клеточного метаболизма и необходимостью поддержания соответствующего состояния оксигенации/дезоксигенации гемоглобина. Этот баланс поддерживается за счет изомеризации 1,3-BPG до 2,3-BPG, что усиливает дезоксигенирование гемоглобина. Низкий рН активирует активность бифосфоглицеромутазы и ингибирует бисфосфоглиерат фосфатазу, что приводит к повышению уровня 2,3-BPG. 2) Молочнокислое брожение происходит в мышечной ткани, когда происходит интенсивная анаэробная тренировка, другими словами, когда мышцам не хватает кислорода для выполнения аэробного дыхания. Когда молочная кислота накапливается в мышечных клетках, она вызывает симптомы мышечной усталости. Некоторые клетки, такие как эритроциты ( красные кровяные тельца ), не имеют митохондрий, поэтому они вынуждены получать энергию с помощью молочной ферментации. Напротив, паренхима быстро отмирает, потому что в ней не происходит брожения, и ее единственным источником энергии является аэробное дыхание. Другими словами, когда в вашем теле становится недостаточно кислорода, ваши мышечные клетки автоматически переключаются на анаэробное дыхание, в данном случае молочное брожение. Проблема в том, что молочная кислота — это всё же кислота, из-за чего ваши клетки будут пытаться изгнать эту кислоту и отправить ее в кровоток, из-за чего появляется вторая проблема ведь наши клетки не в состоянии изгнать ее достаточно быстро, из-за чего она постепенно накапливается внутри них, вызывая тем самым боль. Ниже я попробую в общих чертах описать этот биохимический процесс: Гликолиз: 1 Глюкоза + 2 АТФ + 2 АДФ + 2 П + 2 над+ → 2 пируват + 4 АТФ + 2 НАДН + 2Н+ + 2 Н2О 1 пируват + 1 NAD+ + CoA → 1 ацетил-CoA + NADH + CO2 + H+ Цикл лимонной кислоты: 1 ацетил-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → CoA-SH + 3 (NADH + H+) + FADH2 + GTP + 2 CO2 Еще несколько шагов с GTP и NADH (также с FADH2) → TOTAL NET → 29.85 ATP to 30 ATP, с теоретическим максимумом 36 ATP. Молочнокислое брожение 1 пируват + NADH → молочная кислота + NAD+ + 2 АТФ Так 2 из АТФ гликолиз + 2 АТФ из молочнокислого брожения → 4 АТП, а не вокруг 29.85 - 30 АТП. Очевидно, что цикл Кребса ( цикл лимонной кислоты ) лучше, но он нуждается в кислороде, поэтому наш организм может использовать его только в чрезвычайной ситуации ( низком содержание О2 ). В 2004 году Robergs et al. утверждали, что лактоацидоз во время физической нагрузки является "конструкцией" или мифом, указывая на то, что часть H+ происходит от гидролиза АТФ (ATP4- + H2O → ADP3- + HPO2-4 + H+) и что восстановление пирувата до лактата (ATPпируват- + NADH + H+ → лактат- + NAD<WBR>+<WBR>) фактически потребляет H+. Линдингер и др. возразили, что они проигнорировали причинные факторы увеличения [H+]. Ведь выработка лактата- из нейтральной молекулы должна увеличиваться [H+] для поддержания электронейтральности. Однако суть статьи Робергса заключалась в том, что лактат- получают из пирувата.-, который имеет тот же заряд. Это пируват-продукция от нейтральной глюкозы которая производит H+: Глюкоза + 2 NAD+ + 2 ADP3 - + 2 HPO2-4 → 2 пируват- + 2 H+ + 2 NADH + 2 ATP4 - + 2 H2O Последующее производство лактата поглощает эти протоны: 2 пируват- + 2 H+ + 2 NADH → 2 лактат-Ион- + 2 NAD+ В целом: Глюкоза + 2 NAD+ + 2 ADP3 - + 2 HPO2-4 → 2 пируват- + 2 H+ + 2 NADH + 2 ATP4 - + 2 H2O → 2 молочный Ион- + 2 NAD+ + 2 ATP4 - + 2 H2O Хотя глюкоза реакции → 2 лактат- + 2 H+ выпускает 2 H+ осматриванный на своих, H+ поглощено в продукции ATP. С другой стороны, поглощенная кислотность высвобождается при последующем гидролизе АТФ: АТФ4− + H2O → АДФ3− + HPO2−4 + H+. Поэтому, как только использование АТФ включено, общая реакция является: Глюкоза → 2 пируват- + 2 ч+ ГенерацияCO2 во время дыхания также вызывает увеличение [H+]. 3) Цикл кори ( также известный как цикл молочной кислоты ) относится к метаболическому пути, в котором лактат, полученный анаэробным гликолизом в мышцах, перемещается в печень и преобразуется в глюкозу, которая затем возвращается в мышцы и метаболизируется обратно в лактат. Наши мышечные клетки слишком сосредоточены на том, чтобы" быть " мышцами, и поэтому они не могут эффективно и быстро получать энергию, поэтому они централизовали часть этой задачи в печени. В основном наши мышцы потребляют глюкозу и производят молочную кислоту, которая отправляется в печень и возвращается в глюкозу ( со слегка чистыми потерями энергии ), чтобы снова быть перенаправленными в мышцы. Любая мышечная деятельность требует АТФ, который обеспечивается расщеплением гликогена в скелетных мышцах. Распад гликогена, процесс известный как гликогенолиз, высвобождает глюкозу в виде глюкозо-1-фосфата (G-1-P). G-1-P преобразуется в G-6-P с помощью фермента фосфоглюкомутазы. G-6-P охотно подано в гликолиз, процесс который снабубежит ATP клетки мышцы как источник энергии. Во время мышечной деятельности запас АТФ должен постоянно пополняться. Когда запас кислорода достаточен, эта энергия поступает от подачи пирувата, одного из продуктов гликолиза, в цикле Кребса. Но что происходит, если вам не хватает кислорода? Так мышцы потребляют примерно в 7 — 40 раз больше глюкогена и кислорода во время физической активности. Очевидно, что молочнокислое брожение, которое производит меньшее количество энергии без кислорода ( также регенерируют NAD+, что облегчает гликолиз ). Это и есть первая часть так называемого цикла Кори. Вместо того, чтобы накапливаться внутри мышечных клеток, лактат, полученный в результате анаэробного брожения, поглощается печенью, что инициирует вторую половину цикла Кори. В печени, глюконеогенез происходит. С интуитивной точки зрения глюконеогенез обращает вспять как гликолиз, так и ферментацию, превращая лактат сначала в пируват, а затем обратно в глюкозу. Затем глюкоза поступает в мышцы через кровоток; она готова к дальнейшим реакциям гликолиза. Если мышечная активность прекратилась, глюкоза используется для пополнения запасов гликогена посредством гликогенеза. Помните, что, как я уже говорил, это неэффективный цикл, но, по крайней мере, он помогает мышцам работать при недостатке кислорода: В целом, часть гликолиза производит 2 молекулы АТФ при стоимости 6 молекул АТФ, потребляемых в части глюконеогенеза. Каждая итерация цикла должна поддерживаться чистым потреблением 4 молекул АТФ. В результате цикл не может продолжаться бесконечно. Интенсивное потребление молекул АТФ указывает на то, что цикл Кори смещает метаболическую нагрузку от мышц к печени. Глюкоза + 2ADP → 2 молочная кислота + 2H+ + 2ATP + 2H20 ( мышцы ) 2 молочная кислота + 6 АТФ + 4 H20 -- > глюкоза + 6ADP ( печень ) Чистые потери энергии: 4 АТФ ( к счастью, если вы закончите свою деятельность, этот цикл станет более эффективным ). Этот цикл также важен в произведении АТП, источника энергии, во время деятельности при мышцы. Цикл Кори функционирует более эффективно, когда мышечная активность прекратилась, что позволит погасить задолженность за кислород таким образом, что цикл Кребса и цепь переноса электронов могут производить энергию с максимальной эффективностью. Вы можете болезненно устать от выполнения продоожительных физических упражнений, потому что наша печень недостаточно быстро обрабатывает все поступающие в неё вещества, чтобы делать все эти реакции, поэтому некоторые из молочных кислот непроизвольно сохраняются в мышечных клетках, вызывая ацидоз. Возможно, наличие более большей печени или же нескольких небольших в некоторых определённых местах, смогло бы решить эту проблему. Или, возможно, повышения активности надпочечников для получения большего количества адреналина, который и активирует цикл кори в печени. ===================== Можно создать специализированные на цикле Кори ткань, опоясывающую мышцы на манер жировой ткани. Так мы повысим объем печени и "передвинем" ее к потребителю. Обволакивая данной тканью сердце мы гарантируем, что оно сумеет продолжить работу "по инерции", без кислорода, на одних лишь сахарах. ======================= Анаэробный гликолиз — это процесс по превращению глюкозы в лактат при наличии ограниченного количества кислорода (О2). Анаэробный гликолиз является лишь эффективным средством производства энергии во время коротких и интенсивных физических нагрузок, обеспечивая организм энергией на период от 10 секунд до 2 минут. Система анаэробного гликолиза ( молочная кислота ) работает не очень долго, примерно с 10-30 секунд при длительном совершеннии каких бы то ни было физических нагрузок. Она очень быстро пополняется в течение этого периода и производит по две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы или около 5% от энергетического потенциала глюкозы ( 38 молекул АТФ ). Скорость, с которой производится АТФ, примерно в 100 раз превышает скорость окислительного фосфорилирования. Считается, что анаэробный гликолиз мог являться одним из основных средств производства энергии у примитивных микроорганизмах до того, как кислород стал достаточно распространенным в земной атмосфере, и таким образом представлял бы собой более древнюю форму производства энергии в клетках. У млекопитающих же лактат может быть преобразован печенью обратно в глюкозу с помощью уже описанного выше цикла Кори. Что будет происходить с пируватами во время анаэробных реакций: Пируват является конечным акцептором электронов при молочнокислом брожении, так когда в мышечных клетках нет достаточного количества кислорода для дальнейшего окисления пирувата и НАДН, образующегося при гликолизе, над+ регенерируется из НАДН путём восстановления пирувата до лактата, лактат превращается в пируват с помощью фермента лактатдегидрогеназы. Стандартное изменение свободной энергии реакции составляет -25,1 кДж/моль. Дрожжи брожения этанола и другие анаэробные микроорганизмы преобразуют глюкозу в этанол и CO2, а не пируват. Пируват сначала преобразуется в ацетальдегид ферментом пируватдекарбоксилазой в присутствии тиамина пирофосфата и Mg++. В ходе этой реакции выделяется углекислый газ. Ацетальдегид после этого преобразовывается к этанолу дегидрогеназой спирта энзима. Во время этой реакции НАДН окисляется до над +. Проблема в том, что аэробный обмен веществ не достаточно эффективен. Так предлагаю рассмотреть анаэробные метаболические пути, которые вы используете, когда ваш клеточный спрос на кислород превышает предложение. Теоретически вы можете образовать до тридцати восьми молекул АТФ из одной единственной молекулы глюкозы, хотя на самом деле вашим собственному анаэробныму метаболизму будет требоваться целых тридцать четыре молекулы ( заметьте разницу что осуществлении аэробных реакций ( обычное дыхание кислородом ) требует лишь двух молекул ), что чрезвычайно расточительно и более того, оставляет после себя не малое количество отходов для утилизации которых требуется заметно больше времени чем при удалении углекислого газа при выдохе. Да, некоторые простые одноклеточные эукариоты имеют гидрогеносомы вместо митохондрий и являются полностью анаэробными организмами, но я считаю, что их эффективность сопоставима с упомянутым выше метаболическим путем пириват -> лактат. Они просто производят другой продукт отходов ( ацетат ), который не является более удобным или доброкачественным. Большинство же других хемолитотрофов вероятно будут иметь аналогичные проблемы. Фильтрация вдыхаемого воздуха В рудничном воздухе могут оказаться такие газы, как азот, метан, окись углерода, сернистый газ, сероводород, оксиды азота, метан, водород, тяжелые углеводороды, радон, аммиак и другие вредные газы, а также пары воды и пыль, которые могли бы вызвать серьёзные проблемы со здоровьем. После работы в мастерской, особенно без респиратора, убеждаешься, насколько же хорошо нас защищает наш нос! Пусть в носу будут волоски, детектирующие наличие пыли. В таком случае срабатывают мышцы, растягивающие мягкую внутреннюю оболочку носа, тем самым повышая её площадь. Активная выработка слизи задержит если не все, то большую часть взвешенных частиц. Так же эту систему можно дополнить волосками, которые поднимаются, тем самым создавая естественный плотный фильтр, а при свежем воздухе или активной нагрузке укладываются, не мешая дыханию. Относительно аэрозолей — они к дыханию не относятся. Не все типы фильтров под противогазы справляются с аэрозолями, а потому я не вижу возможности отфильтровать их. Возможно было бы создать органические приспособления для фильтрации непосредственно в лёгких, но их устройство будет крайне сложно и затратно, а использование — травматично. Поэтому я бы порекомендовал улучшить методы выведения токсинов из организма — к примеру, прекращение пищеварения и очищение кишечника, повышение мочеиспускания, потоотделения, сильная жажда. Первым решением этой проблемы пришедшей вам на ум вероятно было бы модифицировать лёгкие так, чтобы между кровеносными сосудами и ольвеолами была какая-нибудь структура, фильтрующая воздух от химически опасных веществ. Однако, как выяснилось мною в последствии, идея фильтрации пост-альвеол неизбежно потерпит неудачу, когда столкнется с чем-то вроде хлорного газа, который повредит легкие достаточно, чтобы предотвратить газообмен без необходимости попадания в кровоток. Секрет избавления от загрязнений во вдыхаемом воздухе заключается в том, чтобы перехватить их до того, как они достигнут лёгких. Поэтому мы могли бы рассмотреть наше легкое, которое имеет фильтрующие слои для различных химических веществ следующим образом. Так дабы не допустить попадания или что было бы более верно переизбытка ( так как мы всё равно не сможем отсеить все вдыхаемые вместе с воздухом токсины ) вышеуказанных токсичных газов можно было бы сформировать вдоль трахеи несколько микроскопических слоев углеродных волокон, покрытых слоем некоторых определённых химических веществ ( ферментация которых, вероятно, была бы взята из пищи ), которые за счет взаимодействия изменят эти газы во что-то более дружелюбное по отношению к нашему организму. Так слой активированного угля захватит совсем немного, но для чего-то вроде хлора вам понадобится небольшой слой тиосульфата натрия. От пыли и прочих достаточно тяжёлых частиц нас могли бы защитить амфифильные мыльноподобные молекулы в выделяемой в горле слизи. Липофильные "токсины", такие как углеводороды, могут быть захвачены путем включения в слизь мылоподобных амфифильных жиров. Так же, как мыло захватывает масло и жир и обеспечивает растворимость воды, амфифильные молекулы в слизи захватывают масла. Оксиды серы и азота токсичны, потому что в воде они диссоциируют в кислоту, которая затем вызывает коррозию. Для решения этого в выделяемой в горле слизи могло бы быть большое количество фосфатных буферов. Ведь фосфатный буфер нейтрализует кислоты, из-за чего составные молекулы перестают быть токсичными, а в качестве бонуса - те токсины, которые раздражают, потому что они являются основными ( аммиак ), также будут буферизованы избытком фосфатов. Проблема с радоном заключается в том, что он радиоактивен, поэтому выделяемая слизь могла бы содержать множество дополнительных спиралей ДНК. ДНК является прекрасным компонентом слизи, потому что она достаточно липкая и эта ДНК вовсе не нужна для кодирования, выступая в качестве поглотителя свободных радикалов, вызванных радоном, озоном, каталитическими металлами и другими вещами, которые генерируют мутагенные виды кислорода. В качестве поглотителя окислителей ДНК также будет снова защищать нас от различных видов галогенов, таких как хлор. ДНК легко доступна в организме человека. Ослабленные эпителиальные клетки или нейтрофилы также могли бы вносить свою ДНК в слизь. В качестве же защиты от ртути, описанная выше слизь могла бы также включать в свой состав некоторое количество глутатионов или других белков с открытыми сульфгидрильными группами. Ртуть любит серу и будет необратимо связана с этими сульфгидрильными группами. Глутатион также является отличным антиоксидантом и может помочь против активных форм кислорода/галогенидов. Как в итоге мог бы быть устроен их нос и уже озвученная выше дыхательная система, как токовая? 1) Глотка отделена от трахеи, но имеет клапан выше ротовой полости. 2) Нос имеет большую площадь и покрыт ресничками, способными подыматься, образуя плотный фильтр. За носоглоткой находится обонятельный фильтр, пропускающий сквозь себя часть свежего воздуха. 3) По трахее идёт ряд ресничек, задерживающие последние остатки взвешанных частиц и частично нейтрализующий токсины. 4) Лёгкие имеют вход и выход с клапанами, а воздух циркулирует по петле, что повышает его выработку. 5) Трахея разделена на два независимых канала, что позволяет лёгким работать в противофазе, обеспечивая непрерывное обогащение крови кислородом. 6) Легкие разделены не только на петлю, но и на сектора, способные изолироваться в случае разгерметизации, так в случае пробития или попадания жидкости, переборка перекрывается, позволяя дышать. Мышцы переборок так же могут помочь диафрагме отхаркнуть попавшую твёрдую частицу или даже вымыть её жидкостью. Так же можно упаковывать альвеолы на манер фильтра — складками, что повысит общую площадь диффузии.