Яйца птиц представляют собой замкнутые системы жизнеобеспечения развивающихся зародышей. В только что снесённом яйце содержатся все необходимые питательные вещества, минеральные соли, источники энергии и вода, так что оно нуждается только в обогреве и периодическом вращении, препятствующем прилипанию зародыша к подскорлуповым оболочкам. В яйце недостаёт только одного важнейшего компонента обмена - кислорода, который необходим для протекания в клетках зародыша метаболических процессов, являющихся основой нормального развития. Каким же образом зародыш в яйце получает из окружающей атмосферы кислород и выделяет наружу углекислый газ, иными словами: как дышит яйцо?

Газообмен обычно ассоциируется с периодическим вдыханием подвижной среды (воздуха или воды), в составе которой к капиллярам легких или жабр доставляется кислород и при каждом выдохе уносится двуокись углерода. Скорость движения среды через жабры и лёгкие зависит от интенсивности работы специальных мышц, находящихся под контролем нервной системы, и определяющейся метаболическими потребностями организма. Однако для яиц птиц и других животных (например, насекомых, паукообразных, амфибий и рептилий) дыхательные движения не характерны; в них отсутствуют потоки воздуха, которые могли бы доставлять кислород к капиллярам зародыша. Тем не менее, яйца птиц «дышат», и «дыхание» это осуществляется за счёт диффузии газов через тысячи микроскопических пор в скорлупе.

Эти поры были впервые обнаружены в 1863 г . членом ЭКО (Эдинбургское королевское общество содействия развитию науки и литературы) Джоном Дэви без помощи микроскопа. Он погрузил яйцо в сосуд с водой и, пользуясь вакуумным насосом, откачал из него воздух. При этом на поверхности скорлупы образовались маленькие пузырьки. Дэви пришел к заключению, что скорлупу пронизывают мельчайшие каналы.

Движение газов через поры описывается законами пассивной диффузии: из области с высокой концентрацией молекулы стремятся переместиться в области с низкой концентрацией данного вещества. Диффузия протекает только за счёт кинетической энергии молекул газа и не требует от зародыша непосредственных затрат энергии; более низкая концентрация кислорода внутри яйца заставляет молекулы устремляться внутрь через поры из атмосферы, где парциальное давление этого газа выше. И наоборот, значительное содержание внутри яйца двуокиси углерода приводит к противоположно направленному потоку молекул углекислого газа. Интенсивность процессов диффузии зависит от длины и общей площади сечения пор, а также от разности концентраций диффундирующих газов внутри яйца и в атмосфере.

Концентрация водяных паров в воздушной камере внутри яйца выше, чем снаружи, и молекулы воды (по размеру они меньше молекул кислорода) тоже диффундируют наружу. У животных в процессе эволюции выработались многочисленные приспособления для сохранения воды, яйца же птиц выделяют её с контролируемой скоростью. Источником энергии для развивающегося зародыша служат главным образом жиры, запасенные в желтке, а при расщеплении каждого грамма жира высвобождается почти такое же количество воды. Поэтому если вода не будет выводиться из яйца, её относительное содержание в ходе инкубации возрастёт. Для того чтобы относительное содержание воды в момент вылупления было равно содержанию её в только что отложенном яйце, в виде водяных паров должно теряться около 15% исходной массы яйца. Специалистам по разведению домашней птицы хорошо известно, что потеря такого количества воды необходима для нормального вылупления.

За 21 день инкубации «среднее» куриное яйцо, исходно весящее 60 г , потребляет около 6 л кислорода и выделяет 4,5 л двуокиси углерода и 11 л водяных паров. Вследствие потерь воды к концу инкубации яйцо весит около 51 г , а только что вылупившийся цыплёнок - примерно 39 г (остальной вес приходится на скорлупу и две оболочки).

Три яйцевые оболочки - скорлуповая и две подскорлуповые - известны каждому, кто хоть раз чистил вареное яйцо. Все три оболочки формируются менее чем за 24 часа, пока яйцо движется по яйцеводу курицы в «матку». Самый наружный слой скорлуповой оболочки яйца носит название кутикулы (у некоторых видов отсутствует) и представляет собой тонкую плёнку органического вещества, часто с трещинами, сквозь которые проступает собственно скорлупа. Скорлупа состоит из карбоната кальция, представленного колонками кристаллов кальцита, и небольшого количества органических веществ. Вследствие неточной подгонки колонок друг к другу между ними остаются пустоты, пронизывающие всю толщу скорлупы и образующие микроскопические поры.

Внутренняя и наружная подскорлуповые оболочки образованы сетью органических волокон. Волокна наружной оболочки связаны с внутренней поверхностью скорлупы через мамиллярные бугорки, которые являются центрами кристаллизации во время формирования скорлупы. Оболочки различаются по диаметру образующих их волокон, по структуре сети и по общей толщине. Внутренняя поверхность внутренней оболочки выстлана тонкой плёнкой, которая представляет собой самостоятельное образование, а не простое продолжение волокон мембраны. Вскоре после откладки яйца пространства между волокнами в оболочках заполняются воздухом.

Поры в скорлупе - это единственный возможный путь для газообмена между тканями зародыша и окружающей средой. Они имеют цилиндрическую форму и в местах выхода на поверхность часто скрыты частицами секретированных органических и неорганических веществ. Если скорлупу осторожно протравить кислотой и затем окрасить, то поры можно увидеть простым глазом: в скорлупе куриного яйца их насчитывается до 10000. Размеры и число пор определяются ещё в скорлуповой железе и в дальнейшем не меняются. Как будет видно из последующего изложения, форма и размеры пор, а также их количество различны у разных видов птиц, а возможности газообмена через скорлупу определяются именно геометрией пор.

Так как развивающийся зародыш не может контролировать процессы газообмена, проницаемость скорлупы и подскорлуповых оболочек для газов должна точно соответствовать потребностям метаболизма зародыша. Если проницаемость будет слишком высокой, то потребности зародыша в кислороде будут полностью удовлетворены, но излишняя потеря воды может привести к дегидратации яйца; если слишком низкой - зародыш погибнет либо от недостатка кислорода, либо от избытка образующихся в результате метаболизма двуокиси углерода и воды. Следовательно, для обеспечения оптимального парциального давления газов в яйце и нужной скорости потери воды должна быть достигнута «золотая середина» в размерах и числе пор.

На протяжении всего периода инкубации вода выводится из яйца с постоянной скоростью, а потребление кислорода зародышем значительно возрастает. У курицы первые 18 дней инкубации называют пренатальным периодом. На 5-й и 6-й дни хориоаллантоис (дыхательный орган зародыша, аналогичный плаценте млекопитающих) соединяется с выстилкой внутренней подскорлуповой оболочки, и в нём формируется сеть капилляров. К 9-му дню хориоаллантоис занимает около половины внутренней поверхности скорлупы, а к 12-му дню - всю поверхность (между хориоаллантоисом и скорлупой лежат наружная и внутренняя подскорлуповые оболочки).

В пренатальном периоде газообмен осуществляется при посредстве хориоаллантоиса. Яйцо постепенно теряет воду, и, так как скорлупа твёрдая, испарившаяся вода замещается газом, который образует воздушную камеру в тупом конце яйца. Размеры камеры постепенно увеличиваются, и к концу инкубации она занимает уже около 15% объёма яйца. Воздушная камера непосредственно переходит в пространства между волокнами подскорлуповых оболочек. Это можно продемонстрировать следующим образом. Если, поместив яйцо под воду, ввести в камеру воздух под давлением, то на всей поверхности скорлупы в местах выхода пор появятся пузырьки газа. Давление в воздушной камере практически не отличается от давления воздуха в подскорлуповых оболочках, что делает её особенно удобной для взятия проб газа из яйца.

В течение первых полутора недель инкубации потребление кислорода зародышем увеличивается медленно. С 10-го по 14-й день оно резко возрастает, достигая уровня 600 см3 в сутки, и до вылупления не изменяется. Эта величина соответствует максимальному количеству кислорода, которое может проникать через поры в скорлупе путём пассивной диффузии. Такое количество кислорода в сутки (600 см3) может показаться читателю, потребляющему столько же кислорода за две минуты, не слишком внушительным, но для поступления в яйцо такого объема газа необходим крайне интенсивный поток молекул через все 10000 пор. За секунду через каждую пору внутрь яйца проникает 2 . 10 в 13 степени молекул кислорода, а наружу выходит 1,4 . 10 в 13 степени молекул двуокиси углерода и 1,2 . 10 в 13 степени молекул водяных паров.

Во время вылупления, однако, птенцу необходимо больше кислорода, чем может обеспечить процесс диффузии через поры. Откуда же берётся дополнительный кислород? Природой предусмотрено простейшее решение этой проблемы: на 19-й день инкубации птенец клювом прокалывает воздушную камеру. Этот процесс носит название «прокол мембраны». После этого птенец начинает дышать воздухом из камеры, вентилируя прежде не работавшие лёгкие. Прокол мембраны имеет очень большое значение для птенца, так как позволяет ему дышать лёгкими и доставлять кислород к тканям током крови. Период активного дыхания из воздушной камеры называют паранатальным периодом, поскольку хориоаллантоис в это время ещё функционирует. Дыхание на этой стадии осуществляется, следовательно, на основе двух механизмов - диффузионного и конвекционного.

Примерно через 6 часов после прокола воздушной камеры птенец при помощи яйцевого зуба пробивает небольшое отверстие в скорлупе и впервые начинает дышать непосредственно атмосферным воздухом. К этому моменту лёгкие функционируют уже достаточно хорошо, чтобы обеспечить птенца кислородом во время предстоящей тяжелой работы - разламывания скорлупы. В этот период роль хориоаллантоиса в процессе дыхания начинает уменьшаться, хотя он и сохраняется до тех пор, пока птенец не выберется из яйца на свободу и не оставит яйцевые оболочки прилипшими к внутренней поверхности скорлупы. Плавный переход от пассивного к активному транспорту газов занимает от 24 до 36 часов.

Сейчас известно, что на пути кислорода из атмосферы к капиллярам хориоаллантоиса находится несколько преград, а именно скорлупа, а также внутренняя и наружная подскорлуповые оболочки. Специалисты, занимающиеся физиологией дыхания, характеризуют проницаемость мембран для газов таким параметром, как проводимость - величиной, обратной сопротивлению, которое оказывает мембрана диффундирующим газам. Парциальные давления газов в крови обычно выражаются в торрах, или миллиметрах ртутного столба. Один торр равен 1/760 нормального атмосферного давления, т.е. сумме парциальных давлений всех газов в атмосфере (азота, кислорода и двуокиси углерода) на уровне моря.

Между парциальными давлениями кислорода в атмосфере ( 154 мм рт. ст.) и в оксигенированной крови в сосудах хориоаллантоиса ( 58 мм рт. ст.) существует перепад примерно в 100 мм рт. ст. Этого давления в 58 мм рт. ст. почти достаточно для насыщения крови кислородом, который затем разносится по всем тканям зародыша. Давление кислорода в венозной крови, возвращающейся от зародыша, равно 22 мм рт. ст. Протекая через хориоаллантоис, она вновь насыщается диффундирующим кислородом, при этом парциальное давление кислорода достигает 58 мм рт. ст. Парциальное давление двуокиси углерода, напротив, падает с 47 мм рт. ст. в венозной крови до 38 мм рт. ст. в оксигенированной.

Определение газовой проводимости от внутренней подскорлуповой оболочки к хориоаллантоису оказалось крайне сложной задачей, так как парциальное давление газа в воздушной камере и в оксигенированной крови необходимо измерять одновременно. Это удалось проделать сотруднику Ямагатского университета X. Тазаве.

Для измерения парциального давления кислорода и двуокиси углерода в яйце Тазава укрепил на скорлупе над воздушной камерой шприц, применяемый для подкожных инъекций и частично заполненный воздухом, контактировавшим с воздухом в воздушной камере. Через несколько часов парциальные давления кислорода и углекислого газа в шприце и в воздушной камере уравнивались. Таким образом, измеряя парциальное давление газов в шприце, можно было определить эти величины и для воздушной камеры. Давление газов в оксигенированной крови Тазава измерял при помощи тонкого пластикового катетера, введенного через сделанное в скорлупе отверстие в сосуд хориоаллантоиса, по которому к зародышу течёт насыщенная кислородом кровь. При определении содержания кислорода и двуокиси углерода пробы воздуха из шприца и крови из сосуда отбирались одновременно.

Используя описанную методику, Тазава установил, что парциальное давление кислорода в воздушной камере на 50 мм рт. ст. выше, чем в артериальной крови, а двуокиси углерода - на 2,5 мм рт. ст. ниже. Тот факт, что давление кислорода в камере на 50 мм рт. ст. отличается от давления в оксигенированной крови, требует специального объяснения. Вряд ли эту разницу можно связывать с наличием воздушных пространств между волокнами внутренней подскорлуповой оболочки. Скорее, она может быть частично обусловлена тем, что тонкая непрерывная плёнка, разделяющая внутреннюю подскорлуповую оболочку и эпителий хориоаллантоиса, препятствует диффузии газов. Другое возможное объяснение заключается в том, что часть венозной крови (парциальное давление кислорода в ней составляет 22 мм рт. ст.) минует капиллярную сеть, в которой происходит газообмен, и смешивается с оксигенированной кровью, снижая давление кислорода в ней до 58 мм рт. ст. Естественно, эти объяснения не исключают друг друга.

Прослеживая изменения парциального давления кислорода на пути атмосфера - покидающая хориоаллантоис оксигенированная кровь, видно, что значительные перепады давления происходят лишь в двух местах: собственно скорлупе и внутренней подскорлуповой оболочке. Однако разница парциальных давлений углекислого газа и паров воды обусловлена только скорлупой.

Если перед специалистом по физиологии дыхания поставить задачу разработать принцип эффективной системы газообмена, он постарается максимально увеличить её проницаемость для кислорода. В яйце же такие чисто респираторные соображения не должны противоречить другим важным для выживания зародыша факторам. В частности, скорлупа должна быть достаточно толстой, чтобы обеспечить механическую защиту зародыша, препятствовать проникновению внутрь бактерий, сохранять жидкие среды яйца и поддерживать необходимое для нормального кислотно-основного равновесия давление двуокиси углерода.

А как протекает этот процесс в самых разнообразных яйцах остальных 8,7 тысяч видов птиц? Четверть грамма - именно столько весят самые мелкие из известных яиц, откладываемые одним из видов колибри; они в 240 раз легче обычного куриного яйца. Другая крайность - яйцо недавно вымершей мадагаскарской птицы Aepyornis, весившее 9 кг ; оно в 150 раз тяжелее куриного. Одна только скорлупа яйца этой птицы весила около 2 кг , т. е. на полкилограмма больше, чем всё яйцо африканского страуса, который является рекордсменом по массе откладываемых яиц среди ныне существующих птиц.

Как отличаются форма и размеры пор в скорлупе крупных и мелких яиц? Для ответа на этот вопрос Сирил Тайлер и К. Симкисс импрегнировали скорлупу разных яиц пластиком. Затем скорлупу растворяли, и получались микроскопические пластиковые слепки пор. Изучение таких слепков показало, что даже в пределах одного вида форма и размер пор заметно варьируют.

Газообмен через скорлупу протекает исключительно путём диффузии. Движение газа через проницаемый барьер за счёт диффузии зависит от хаотического движения молекул газа и разности концентраций диффундирующего вещества по разные стороны барьера. Молекулы газа будут перемещаться из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией в силу того, что столкновения между ними при высокой концентрации более часты.

В общем, количество газа, диффундирующее в единицу времени через поры в скорлупе, прямо пропорционально площади пор доступных для диффузии и разности концентраций этого газа по обе стороны скорлупы. Вместе с тем скорость диффузии обратно пропорциональна длине диффузионного пути (в данном случае осевой длине поры). Другими словами, проницаемость скорлупы для газов определяется отношением площади просвета поры к её длине. Увеличение вдвое площади сечения пор или разности концентраций газа приведет к удвоению скорости диффузии, тогда как увеличение толщины скорлупы в два раза при неизменных прочих параметрах вдвое уменьшит скорость проникновения газа. Таким образом, если бы удалось измерить поток газа и разделить полученную величину на разность концентраций газа, то можно было бы определить проницаемость скорлупы для этого газа.

Если яйца находятся в эксикаторе при постоянной температуре и извлекаются ненадолго для взвешивания всего один раз в день, то их масса в течение многих дней уменьшается с постоянной скоростью. Потеря массы полностью определяется испарением воды через поры в сухую атмосферу эксикатора. Деление ежедневной потери массы на разность давлений водяных паров снаружи и внутри яйца даёт значение проницаемости скорлупы для паров воды. Зная эту величину и учитывая, что диффузионные пути для водяных паров, кислорода и двуокиси углерода одни и те же, легко рассчитать проницаемость скорлупы для кислорода. Определение проницаемости скорлупы для кислорода таким способом - дело довольно лёгкое: для этого необходимо иметь только эксикатор, точные весы и термометр.

Если к этим инструментам добавить кронциркуль, можно измерять и толщину скорлупы, равную длине поры. Зная проницаемость и длину поры, можно вычислить эффективную площадь пор - сумму сечений всех пор, через которые протекает диффузия. (10000 пор куриного яйца имеют общую площадь сечения 2 мм2).

Интересно также отметить, что при увеличении на порядок массы яйца длина пор возрастает всего в 2,7 раза. Возможно, такая зависимость объясняется сбалансированностью адаптивных факторов в ходе эволюции. Толщина скорлупы (от которой и зависит длина пор), с одной стороны, определяется тем, что скорлупа должна выдерживать давление заключенного в неё содержимого и насиживающей птицы, но, с другой стороны, ограничена возможностями птенца пробить оболочку при вылуплении. Последний фактор, по-видимому, может служить объяснением нелинейности зависимости толщины скорлупы от размеров яйца.

Структурные характеристики скорлупы (площадь пор и их длина) определяют её проницаемость. Это функциональное свойство можно соотнести с метаболическими потребностями зародыша и с разницей парциальных давлений кислорода по разные стороны скорлупы. Существует количественная связь между этими двумя переменными: разность парциальных давлений равна количеству потребляемого яйцом кислорода, деленному на проницаемость скорлупы для этого газа.

Воспользуемся в качестве примера гипотетическим яйцом, потребляющим в день 10 мл кислорода на 1 мм рт. ст. (т.е. в пересчёте на каждый миллиметр ртутного столба разности парциальных давлений по разные стороны скорлупы через неё диффундирует в день 10 мл кислорода). Если зародыш в яйце потребляет в день 500 мл кислорода, то разность между внутренним и наружным парциальными давлениями должна быть 50 мм рт. ст. Исходя из того, что парциальное давление кислорода в атмосфере близко к 150 мм рт. ст., можно рассчитать, что давление этого газа в воздушной камере (с которой контактирует кровь зародыша) будет равно 100 мм рт. ст., или 14%.

Исследуем связь между проницаемостью скорлупы и метаболизмом зародыша. Для этого на материале 28 видов сравним потребление кислорода яйцом непосредственно перед проколом мембраны с проницаемостью скорлупы для кислорода. Обширные данные о потреблении кислорода яйцами многих видов, крупных и мелких, были получены тремя исследователями из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе: Дональдом Хойтом, Дэвидом Влэком и Кэрол Влэк. Зная количество потребляемого яйцом кислорода и проницаемость скорлупы, можно рассчитать парциальное давление кислорода в воздушной камере. Эта величина оказывается приблизительно одинаковой для яиц всех 28 исследованных видов: около 105 мм рт. ст., или 15%. Полученные результаты были подтверждены при контрольном взятии проб воздуха непосредственно из воздушных камер яиц 13 видов. Кроме того, парциальное давление двуокиси углерода - 35 мм рт. ст., или 5%.

Давления кислорода и двуокиси углерода в воздушной камере яйца перед проколом мембраны практически такие же, как в лёгких взрослых птиц. Следовательно, проницаемость скорлупы для кислорода гарантирует необходимую скорость поступления его в яйцо, которая в свою очередь связана с метаболическими потребностями зародыша непосредственно перед проколом мембраны. Кроме того, проницаемость скорлупы обеспечивает в воздушной камере такое же парциальное давление кислорода и двуокиси углерода, как в лёгких взрослой птицы. А. Висчедэйк из Утрехтского университета предположил, что такие концентрации газов важны для инициации активности птенца при вылуплении и подготавливают его к постнатальному периоду жизни.

Замечательно то, что проницаемость скорлупы очень точно соответствует массе зародыша. В результате конечные концентрации кислорода и двуокиси углерода практически одинаковы в яйцах самых различных размеров. Универсальность схемы функционирования скорлупы как газового проводника впечатляет ещё больше, если учесть, что сроки инкубации яиц могут различаться в пределах от 11 суток (некоторые мелкие виды) до 70 и более суток, как у странствующего альбатроса.

До сих пор подробно не рассматривали закономерности испарения яйцом воды, протекающего равномерно на протяжении всего периода инкубации. Потеря воды не зависит от интенсивности метаболизма зародыша, но является необходимым условием нормального вылупления. Причины этого до конца не ясны, но предполагается, что они имеют отношение к состоянию гидратации тканей зародыша.

Связь количества испаряемой воды с массой яйца впервые установлена Рудольфом Дрентом из Гронингенского университета. Данные, полученные им для 45 видов, свидетельствуют о том, что при увеличении массы яйца в 10 раз количество ежедневно испаряемой воды возрастает в 5,6 раза.

Полости яйца по сути дела насыщены водяными парами, давление которых при общей для большинства видов температуре инкубации (35,6°С) равно 44 мм рт. ст. Для нормального протекания процессов испарения давление водяных паров в гнезде должно поддерживаться на уровне 15 мм рт. ст., что со ответствует относительной влажности 45%. Такая влажность может быть обеспечена только за счёт постоянного проветривания гнезда и притока извне сухого воздуха. Не известно, каким образом птицы определяют влажность в гнезде, но, изменяя своё поведение, они способны регулировать отток водяных паров в окружающую атмосферу. Следовательно, в период инкубации родители выполняют две основные функции: обеспечивают оптимальную температуру яиц и поддерживают в требуемых пределах влажность в гнезде.

Продолжительность эмбрионального развития, или время инкубации, вероятно, детерминирована генетически, а интенсивность метаболизма зародыша должна соответствовать длительности инкубационного периода так, чтобы к концу насиживания (независимо от его продолжительности) зародыш был способен вылупиться и выжить. Отсюда можно заключить, что геометрия пор скорлупы (а следовательно, и проницаемость оболочек яйца для кислорода) связана не только с массой яйца, но и с длительностью инкубации.

Соответствие свойств оболочек яйца потребностям дыхания зародыша не вызывает сомнений, хотя эволюционное развитие этой основной функции и допускало некоторые компромиссы с задачами механической защиты яйца и поддержания водного и кислотно-основного равновесий развивающегося зародыша. Яйца птиц являются идеальной моделью для изучения диффузионного газообмена. Такая модель может оказаться полезной и для анализа более сложных процессов, протекающих в дыхательных путях и лёгких человека.