Тело человека: строение и функции

А как обстоят дела с выделениями других отходов, помимо двуокиси углерода и воды, которые образуются при сочетании белков с кислородом? Как организм избавляется от использованных атомов азота, который вслед за углеродом, водородом и кислородом наиболее распространен в белковых молекулах? Может показаться, что логичным будет дать ему возможность образовать газ и, подобно двуокиси углерода, выделять через легкие. Увы, логика тут бессильна! Образование газообразного азота — процесс, требующий таких больших энергозатрат, на которые не способен ни один организм выше уровня некоторых бактерий. А если даже такой азот и образуется, он гораздо хуже растворим в воде, чем кислород, и его транспортировка в большом количестве кровотоком создаст большую проблему.

Альтернатива этому — образование аммиака в качестве продукта, сочетающего белок с кислородом. Аммиак, подобно азоту, газ (с молекулярной формулой, содержащей атомы азота и кислорода) и может образовываться с помощью процессов, которые не требуют энергетических затрат. Более того, он чрезвычайно легко растворяется в воде, и его перемещение кровотоком не вызывает никаких проблем. И на самом деле многие морские организмы выделяют азот в форме аммиака.

Однако для нас с вами есть одна проблема, и довольно серьезная. Аммиак чрезвычайно токсичен для всех форм жизни. Тысячной доли миллиграмма аммиака на литр крови достаточно, чтобы убить человека. Морские создания, которые выделяют аммиак, способны избавляться от него, поскольку в их распоряжении безбрежный океан, в котором можно топить газ по мере его образования. В океане аммиак образует раствор гораздо менее концентрированный, чем даже то крошечное количество, что губительно для жизни. И со временем концентрация аммиака в океане не повысится, поскольку в нем существуют микроорганизмы, которые используют аммиак, сочетая его с другими соединениями и строя из него белок.

Сухопутные существа с ограниченным запасом воды в организме не могут извлекать пользу из аммиака в качестве отхода. Многие организмы используют вместо него легкорастворимое твердое вещество, называемое мочевина. Молекула мочевины состоит из фрагментов двух молекул аммиака и молекулы двуокиси углерода. Использование ее в качестве отхода азота на пару процентов эффективнее, чем использование аммиака, потому что, с одной стороны, процесс образования мочевины требует энергетических затрат, с другой — мочевина гораздо менее токсична, чем аммиак, и это компенсирует небольшую потерю эффективности.

Мочевину можно довести до подходящей концентрации. 100 миллилитров крови будет содержать до 33 миллиграммов мочевины, что в сто тысяч раз превышает количество аммиака, которое будет смертельным. Следовательно, для того чтобы выделить дневной запас мочевины, потребуется сто тысячных количества воды, которое потребуется для выделения дневного запаса аммиака. Вполне водосберегающая технология.

Бросается в глаза перемена у амфибий, которые начало жизни проводят в водной среде, а затем ведут сухопутный образ жизни. Головастик имеет жабры и хвост, потом теряет и то и другое и обзаводится легкими и лапками. Эта перемена заметна и удивительна. От нашего взгляда скрыта и другая перемена, столь же важная, перемена, без которой все другие изменения были бы бессмысленны в том, что касается выживания. Поскольку, в то время как головастик выделяет аммиак, взрослая лягушка выделяет мочевину.

Рептилии и птицы испытывают гораздо более острую нехватку воды, чем амфибии. Амфибии откладывают свою икру в воду, а рептилии и птицы откладывают яйца на сухой земле. Запас воды внутри яйца, который находится в распоряжении развивающегося зародыша, ограничен, и даже мочевина не будет служить средством избавления от азота. Мочевина относительно нетоксична, но далеко не безвредна — она смертельно опасна, если ее концентрация достаточно высока. Рептилии и птицы, следовательно, выделяют азот в форме мочевой кислоты. Это составляющая относительно сложной молекулы, состоящей из фрагментов четырех молекул аммиака и трех молекул двуокиси углерода (плюс несколько дополнительных атомов). Мочевая кислота совсем нерастворима, поэтому в крайних случаях, как в яйце, ее можно запрятать в излишки отходов организма без привязки к какому-либо значительному количеству воды.

У млекопитающих нехватка воды не столь острая. Развивающийся зародыш, для которого у птиц и рептилий нехватка воды — чрезвычайно насущная проблема, остается у млекопитающих среди богатых водой тканей матери. По этой причине мочевина подходит в качестве формы выделения азота, и человек, подобно другим млекопитающим, выделяет мочевину.

Выделительная система