Кислород обязательно входит в состав живого вещества. Вряд ли он может быть заменен в живых системах каким-нибудь другим элементом.
Но помимо кислорода, связанного химически, подавляющее большинство организмов нуждается и в свободном молекулярном кислороде для дыхания.
То, что в дыхании используется именно кислород, а не другие газы, объясняется его свойствами: кислород легко вступает в химические соединения с многими веществами, и эти реакции сопровождаются выделением тепловой энергии. Иногда, например, у светящихся животных и бактерий выделяется также и световая энергия. Нет другого такого вещества, которое, вступая в реакции с веществами организма, обеспечило бы освобождение столь больших количеств энергии.
Кислород атмосферы особенно необходим высшим животным. Птицы и сухопутные млекопитающие не могут прожить без него даже нескольких минут. Водные млекопитающие, приспособленные к длительному пребыванию под водой (от 15 минут до 1 часа 45 минут), фактически используют его не меньше, так как создают запас воздуха в легких.
Таким образом, на планетах, атмосфера которых лишена или содержит мало кислорода, вряд ли могут быть существа, сходные с животными Земли. Впрочем, не будем предрешать вопрос и посмотрим, может ли вообще существовать жизнь без атмосферного кислорода или при его незначительном количестве.
По мнению ряда ученых, кислород в атмосфере Земли появился в результате жизнедеятельности зеленых растении. По-видимому, когда жизнь на нашей планете только зарождалась, кислорода в ее атмосфере не было. Первые организмы, из которых впоследствии возникли растения, не нуждались в свободном кислороде, они были анаэробными. Первичные зеленые растения, очевидно, тоже еще не обладали функцией дыхания. Этот процесс возник только на следующей ступени эволюции.
Среди современных организмов имеется тоже немало анаэробных. Таковы некоторые бактерии, дрожжи. Они не дышат кислородом, а получают энергию от окисления различных веществ. Это — «бескислородное дыхание», или брожение. Есть виды микробов, для которых кислород ядовит и вызывает гибель; есть и такие, которые могут жить без кислорода, но когда он есть, используют его для дыхания, идущего наряду с брожением.
У зеленых растений и низших животных отношение к кислороду тоже чрезвычайно разнообразно. Все зеленые растения дышат, но колебания количества кислорода в окружающей среде не оказывают заметного влияния на интенсивность дыхания. Лишь при уменьшении содержания его в атмосфере до 2—1% (в 10—20 раз меньше нормы) интенсивность дыхания большинства видов растений снижается. При этом начинается анаэробный обмен, за счет которого растение может жить некоторое время и при полном отсутствии кислорода
Потребность в кислороде у водных растений еще меньше, так как вода содержит обычно значительно меньше кислорода, чем атмосфера. В воде некоторых водоемов кислорода оказывается в 2000 раз меньше, чем в воздухе.
Наконец, некоторые новые исследования показывают, что во внутренних тканях растении состав газовой среды нередко лишен даже отдаленного сходства с обычным составом воздуха Дыхание здесь близко к анаэробному Среди животных многие простейшие и многоклеточные беспозвоночные тоже живут и размножаются при ничтожном количестве кислорода и даже при полном его отсутствии Десятки видов и инфузорий, амебы и жгутиконосцы, живущие в почти лишенных кислорода илах, в сточных водах, в стоячей воде озер, находятся постоянно по существу в анаэробных условиях Большинство из них может жить и в присутствии кислорода, но из среды, богатой кислородом, их вытесняют другие организмы.
При ничтожном содержании или даже при полном отсутствии кислорода в среде могут жить некоторые круглые черви, виды ракообразных (например, веслоногие) и пластинчатожаберных моллюсков Даже среди насекомых имеются водные формы, которые живут при недостатке или при отсутствии кислорода в воде Это, например, личинки одного вида жука (Donacia), комара хирономуса (Chironomus thummi) и другие Развитие личинок хирономуса может дойти до окрыления в воде, содержащей 0,3 мг кислорода на литр, т. е. в 1000 раз меньше, чем в обычном воздухе
Паразитические черви, живущие в кишечнике позвоночных животных и человека, инфузории из рубца жвачных и другие паразиты обходятся совсем без молекулярного кисло роди
Все высшие позвоночные нуждаются в кислороде для дыхания, но и у них отдельные клетки тела могут временно переходить на анаэробный обмен, а клетки некоторых тканей вообще нуждаются в небольшом количестве кислорода По существу только клетки центральной нервной системы позвоночных животных очень чувствительны к недостатку кислорода.
Потребность в кислороде у человека и высших животных тоже колеблется в зависимости от приспособления к той или ином среде.
Овцы, привычные к горным условиям, нормально себя чувствуют на высоте 4000 м, где кислорода на 35—40% меньше, чем на уровне моря.
Около, 6000 м над уровнем моря лежит высшая граница жизни для большинства животных. На такой большой высоте встречаются лишь немногие виды мышевидных грызунов и хищных птиц. Но вряд ли только разреженная атмосфера и недостаток кислорода препятствуют их жизни еще больше. Мешают развитию жизни здесь, конечно, низкие температуры и вечные льду, отсутствие почвы и растительной пищи, сильные ветры и т. д.
Для человека, приспособленного к жизни на равнине, уменьшение давления и количества кислорода вызывает тяжелые расстройства — горную болезнь. Однако после специальной тренировки человек может подняться и пробыть некоторое время на высоте 7000—8000 м. На высотах Тибета и в Андах (на высоте 5300 м) существуют постоянные людские поселения, показывающие, что человек может приспособиться к вдвое меньшему содержанию кислорода в атмосфере по сравнению с тем, которое имеется на уровне моря.
У этих людей все ткани тела гораздо энергичнее поглощают кислород, у них повышены содержание гемоглобина и кислородная емкость крови.
В опытах с животными выяснено, что при акклиматизации в горных условиях в организме происходит энергичная «борьба» за доставку кислорода в ткани. Клетки начинают более полно использовать кислород благодаря повышению активности окислительных ферментов Кроме того, ткани становятся выносливее к недостатку кислорода и могут даже переходить на анаэробный тип дыхания.
В лабораторных условиях проводились исследования на насекомых, оказалось, что у видов насекомых, живущих на уровне моря, где давление около 760 мм ртутного столба, работа сердца прекращается при давлении 25—20 мм ртутного столба Они еще могут жить, если кислорода будет в 30 раз меньше, чем в атмосфере Но гораздо устойчивее виды, обитающие в горах на высоте 1000 м. Пульсация сердца у них еще наблюдалась при давлении в 15 мм ртутного столба У насекомых обитателей еще больших высот (3200 м) сердце останавливалось лишь при давлении 5 мм ртутного столба, т.е. при таком разрежении атмосферы, которое существует примерно на высоте 100—200 км от Земли.
Итак, возможности жить при недостатке кислорода у земных организмов достаточно велики. Но при этом у большинства из них резко снижается активность. Не забегая вперед и не вдаваясь в обсуждение вопроса о жизни вне Земли, все же укажем, что, например, на Марсе потребность организмов в кислороде, при той же энергии жизнедеятельности, может быть меньше, чем на Земле. Дело в том, что вследствие меньших размеров и меньшей плотности Марса сила тяжести из нем почти в 3 раза меньше, чем на Земле, и для работы органов потребуется значительно меньше энергии, получаемой благодаря дыханию. Кроме того, при низкой температуре среды ткани и клетки насыщаются кислородом при меньшем его количестве в среде.
Известно, наконец, что клетки организмов способны накапливать и использовать элементы, находящиеся в природе в чрезвычайно малых количествах, в рассеянном состоянии. Поэтому не будет удивительным, если при малом количестве кислорода в среде у организмов возникнут различные приспособления к улавливанию кислорода.
Значит, если на планетах, доступных нашему изучению, кислорода настолько мало, что его не удается обнаружить с Земли с помощью спектрального анализа, это еще не основание, чтобы отрицать возможность на них жизни. Конечно, малое количество кислорода ставит границы для существования животных, подобных нашим позвоночным, с их высоким энергетическим уровнем обмена веществ и высшей нервной деятельностью. Но организмы другого строения могут существовать.
Суждение о том, какова может быть жизнь при малом количестве кислорода, не нужно упрощать. Если бы удалось установить, что в прежние эпохи в атмосфере Марса кислорода биогенного происхождения было больше, чем сейчас, то следовало бы предполагать, что жизнь на Марсе стала беднее, но при этом могли возникнуть немногочисленные высокоспециализированные формы.