Испарение воды с поверхности тела в условиях высоких температур воздуха предотвращает перегрев организма.
Из всех известных механизмов теплоотдачи (испарение, проведение, излучение, конвекция) испарение воды является наиболее эффективным средством. Однако в большинстве районов нашей планеты с жарким климатом возникает дефицит воды, т. е. в жарком климате, где вода необходима в первую очередь, ее не хватает. Вода рек, озер, прудов испаряется, а растительность, поначалу сочная, выгорает.
Поэтому у животных аридной зоны в процессе эволюции выработался очень эффективный механизм экономии воды, и прежде всего за счет испарения с поверхности кожи. Например, при температуре воздуха 30°С у лабораторных крыс и большой песчанки при равной живой массе и приблизительно одинаковой площади поверхности тела отмечается 2-кратная разница в количестве испарившейся воды за единицу времени. Причем у лабораторной крысы повышение температуры воздуха от уровня температурного преферендума до +30° сопровождается резким возрастанием испарения воды через кожу.
К. Шмидт-Ниельсен после обобщения объемного экспериментального материала пришел к выводу, что кожно-легочные потери воды у животных аридной зоны на 1/3 ниже, чем у домашних животных. Экономия на испарении воды через кожу обнаружена у всех пустынных грызунов — крыс, песчанок, сусликов, мышей.
В основе водной экономии лежат морфофункциональные особенности кожи и органов дыхания пустынных животных. У последних кожа сухая и лишена потовых желез. Развитый кожный эпидермис создает дополнительную защиту и противодействует испарению воды. Такой же эффект создает и небольшая жировая прослойка вдоль хребта, которая имеется у большинства животных аридной зоны.
Нельзя недооценивать и роль органов дыхания в экономии воды. Внешне это проявляется в том, что влажность выдыхаемого воздуха у пустынных животных регулируется в зависимости от температуры окружающей среды и доступности воды.
При повышении температуры воздуха кожно-легочные потери воды у лабораторной крысы резко возрастают. При температуре 30°С разница у этих двух животных в суммарной потере воды приближается к 100%. Песчанка расходует меньше воды на терморегуляцию. При повышении температуры с 10 до 30°С у жителя пустыни затраты воды увеличиваются не более, чем на 10%.
Кожно-легочная экономия воды имеет место и у других видов животных, приспособившихся к жизни в засушливых условиях. При ограничении водопоя овцы понижают потери воды через органы дыхания на 20-25%. У курдючных овец после 4-дневного водного голодания при температуре воздуха 31-33°С относительная влажность выдыхаемого воздуха понизилась с 78% до 62%. У каракульских овец в похожих условиях наблюдений отмечали понижение влажности выдыхаемого воздуха на четверть.
Такой же, но еще более эффективный механизм водной экономии демонстрирует и верблюд. В условиях доступности питьевой воды относительная влажность выдыхаемого животным воздуха составляет 75% на фоне 90%-ной относительной влажности атмосферного воздуха. Но при водном голодании выделение воды из организма верблюда резко сокращается, о чем свидетельствует относительная влажность выдыхаемого воздуха (менее 30%).
Каковы же физиологические механизмы сокращения потерь воды через органы дыхания? Их может быть, по меньшей мере, два. Во-первых, экономию обеспечивает снижение легочной вентиляции в условиях дефицита воды. Выше уже отмечалось, что пустынные животные способны понижать основной обмен при экстремальном повышении температуры среды. Естественно, что следствием снижения основного метаболизма является снижение потребления клетками и тканями кислорода. Угнетение дыхания при повышении температуры воздуха приводит к сокращению объема выделяемых с выдыхаемым воздухом паров воды.
Во-вторых, экономия воды достигается и за счет специфических изменений морфологии и функций органов дыхания. У животных аридной зоны верхние дыхательные пути имеют большую длину и площадь слизистой оболочки. Такие животные, как жираф, верблюд, джейран, сайгак, курдючная овца, аборигенные козы, имеют длинную шею (следовательно, и длинную трахею) и горбатый нос.
При вдохе по мере движения горячего воздуха по верхним дыхательным путям происходит его охлаждение за счет испарения воды со слизистых оболочек. Однако образующийся конденсат остается в пределах верхних дыхательных путей. Механизм удержания конденсата имеет биохимическую основу. Вода связывается слизью, которой всегда забиты носовые ходы пустынных животных. Мукополисахариды — структурные элементы слизистых образований — в силу своих особых физикохимических свойств служат как акцепторами, так и донорами молекул воды.
К регуляции этих процессов имеют отношение ферменты паракринной секреции. Так, известна причастность фермента гиалуронидазы к абсорбции слизью водяных паров. Экспериментально доказано, что активность фермента возрастает у пустынных животных в условиях водного голодания и высоких температур среды.
У животных аридной зоны в носовых полостях могут быть специфические органы, которые способствуют удержанию воды и насыщению водой вдыхаемого воздуха. Так, в носовой полости пустынной игуаны имеется впадина за наружными ноздрями. Влага из носовых солевых желез поступает во впадину, где и происходит увлажнение вдыхаемого воздуха.
Помимо верхних дыхательных путей в процессе удержания воды участвуют и легкие. В условиях водного ограничения животных в легочном эпителии увеличивается число макрофагов, которые к тому же изменяются функционально. У верблюда после 2-3-недельной водной депривации в легких обнаруживаются скопления макрофагов, часть которых из фагоцитов превращаются в пиноциты. Гистохимические исследования свидетельствуют о том, что этот процесс трансформации макрофагов сопровождается потерей большей части липидов. Взамен жировых капель клетки приобретают специфические вакуоли, которые позволяют им пиноцитировать воду. Клетки с такими свойствами появляются не только в составе стенки, но и в просвете легочных альвеол верблюда и песчанки. Интересно и то, что эпителий, который выстилает бронхиолы легких пустынных животных, — цилиндрический. Плоский эпителий появляется лишь в самих альвеолах (А. Д. Соболева, 1968).
Венозная кровь, охлажденная в результате испарения воды в новых полостях, принимает участие в терморегуляции головного мозга. Этот процесс хорошо изучен у африканских газелей. Мозг получает кровь по сонным артериям. Но у газелей и, вероятно, других видов животных аридной зоны внутренние сонные артерии у основания черепа разделяются на сотни мелких артерий и проходят через венозный синус, по которому протекает охлажденная венозная кровь от верхних дыхательных путей. Данная магистраль охлаждает артериальную кровь на 2-3°С. Из синуса мелкие артерии уходят в сторону мозга. К. Шмидт-Ниельсен (1982) сообщает о том, что у газели Томпсона во время бега со скоростью 40 км/ч обмен веществ возрастает в 40 раз. Температура тела у животного при этом повышается с 39 С до 44°С. Однако к головному мозгу артериальная кровь поступает с температурой менее 41°С.
Таким образом, морфофункциональные особенности органов дыхания позволяют пустынным животным экономить воду и одновременно сохранять высокую жизнеспособность организма даже в условиях экстремально высоких температур среды обитания.