Арина Мазурова
«Я раньше и не думал, что у нас на двоих с тобой одно лишь дыхание…» — поёт старый «Наутилус». По-своему, он прав, ведь кислородное дыхание — процесс, объединяющий большинство организмов на планете. Не дышат кислородом только микроскопические экстремалы на дне океана и кишечные паразиты. Дыхание — это разделение сахаров на отдельные звенья с помощью кислорода. В результате от сахара остаются углекислый газ и вода — и выделяется энергия, она-то живым организмам и нужна. Но получить кислород из окружающей среды можно по-разному. Мы насчитали как минимум семь непохожих приспособлений для дыхания.
1. Не кислородом единым
Кислород, без которого человеческий мозг умирает через 7–10 минут, не всегда был обязательным спутником жизни. Точный состав древней атмосферы до конца не известен, но, скорее всего, в ней преобладали углекислый газ, сероводород, метан. Кислорода было очень мало. Но жить-то хотелось!
Напомним, кислород нужен для того, чтобы разрушились молекулы сахаров и организм получил энергию, — длинная такая цепочка реакций. Без нужного газа получается дойти только до стадии образования, например, молочной кислоты или этилового спирта. Небогато, но некоторым существам хватило и этого. Достаньте из холодильника бутылку кефира — внутри неё живут дрожжи, которые вполне неплохо устроились: если кислорода нет, они довольствуются молочнокислым брожением.
Некоторые бактерии пошли другим путём. Они перебрались туда, где возможны энергоёмкие химические реакции, например переходы железа и серы в разные соединения с выделением энергии. Таких мест на планете немного: чёрные курильщики на дне океана, гейзеры, серные озёра. Зато конкуренция там низкая.
В ранней истории нашей планеты всё живое дышало либо с помощью серы и железа, либо как дрожжи. Но чуть меньше 2,5 миллиарда лет назад некоторые бактерии обнаружили новый, куда более доступный источник энергии — солнечный свет. Так появился фотосинтез, который в качестве побочного продукта порождает кислород.
Этот способ добычи энергии быстро стал популярен, и кислорода в атмосфере прибавилось. Кому-то это могло понравиться хотя бы потому, что в верхних слоях атмосферы кислород сформировал озоновый слой, защищающий Землю от космической радиации. Правда, в океанах избыток кислорода стал причиной самого масштабного вымирания в истории планеты — великой кислородной катастрофы. Да, в истории Земли этот процесс часто именуют именно так. Альтернативное название — кислородная революция. Согласитесь, тоже бодро звучит.
В ходе этих событий погибло 99% тогдашнего населения морей и океанов. Те же, кому повезло запастись средствами защиты и поставить кислород себе на службу, получили возможность расщеплять сахара до конца и дышать полной грудью. Вот тут-то всё и началось.
|
Плюсы |
Минусы |
|
Можно жить, даже если нет кислорода |
Получать энергию сложно и невыгодно |
2. Диффузия: дышим всей поверхностью
Когда клетка одна, она спокойно впитывает кислород из того, что вокруг: воды или воздуха. Представьте, что вы амёба, инфузория или одноклеточная водоросль. Если вам так повезло, то молекулы кислорода вы получаете благодаря простой диффузии — свободному и случайному перемешиванию веществ.
Но если клеток в организме много, рассчитывать на диффузию уже нельзя: она эффективна только на очень маленьком расстоянии. Живые существа, не желающие конструировать аппарат для постоянного накачивания кислорода, оказываются заперты в маленьком теле. Стать царём зверей у вас не получится.
Да и на сушу выйти будет сложновато. Диффузное дыхание чаще всего означает, что организму придётся либо жить в воде, либо сохранять влажность своих покровов: так кислороду легче попадать в ткани. Дело в том, что при этом способе дыхания организму достаются только те молекулы кислорода, которые достаточно долго задерживаются на поверхности его клеток и успевают просочиться внутрь. В воздухе молекулы движутся слишком быстро. В воде — медленнее, и у кислорода есть время попасть в организм.
|
Плюсы |
Минусы |
|
Можно дышать |
Доступны только маленькие размеры |
|
Всё очень просто |
Сложно жить на суше |
3. Жабры: впитываем кислород через тонкие пластинки
Желание вырасти большими заставляет живые организмы выдумывать новые способы переносить кислород по телу. Так появляется кровеносная система, жидкость или клетки в которой могут доставлять кислород к далёким от поверхности клеткам и тканям.
Для того чтобы кислород оказался в крови (или жидкости, которая её заменяет), мы используем диффузию на прежних условиях: небольшое расстояние и влажные поверхности. Чтобы улавливать кислород эффективнее, омываемые кровью влажные поверхности должны быть обширными и многочисленными, а чтобы уносить кислород быстрее — иметь много кровеносных сосудов.
Инженерное решение этой проблемы — жабры, система из множества очень тонких пластинок и лепестков, пронизанных кровеносными капиллярами. Тонкость пластиночек позволяет кислороду быстро проникать внутрь капилляров. Оттуда воздух разносится кровью дальше по телу. Жабры должны постоянно омываться свежей водой, чтобы оставаться расправленными и рабочими, быстро получать новый кислород и отдавать углекислый газ.
Есть несколько вариантов размещения жабр:
● прямо на голове (так делают саламандры), чтобы жабры омывались водой просто при движении;
● вокруг щелей в глотке, чтобы прокачивать воду ртом и жаберными крышками (так делают рыбы и головастики);
● спрятать их в мантийную полость, а воду прокачивать с помощью сифонов (так поступают двустворчатые моллюски).
Вам какой из вариантов больше нравится?
|
Плюсы |
Минусы |
|
Можно расти большим |
Всё ещё сложно жить на суше |
4. Лёгкие: дышим специальными мешками для воздуха
Когда животные начали осваивать жизнь на суше, жабры, разумеется, перестали справляться с задачей: на воздухе тонкие пластиночки быстро высыхают и слипаются. Теперь обширную капиллярную сеть нужно было поместить куда-то ещё.
Избавившись от чешуи рыбного прошлого, лягушки вновь стали пользоваться диффузией через поверхность тела, но этого было мало.
Решение нашлось у древних рыб — брюшные выросты пищевода, стенки которых оплетены капиллярами. Это, собственно, и есть лёгкие. До сих пор сохранились рыбы, которые имеют и жабры, и лёгкие, причём основной объём кислорода приходит именно из лёгких. Эти рыбы называются двоякодышащими.
Правда, наличие двух приспособлений для дыхания не обеспечивает настоящую адаптацию к обитанию в двух средах. Двоякодышащие рыбы живут в основном в воде, а лёгкие только помогают им выживать. Южноамериканский лепидосирен пережидает летнее пересыхание рек, упаковывая себя в слизистую капсулу. Африканский протоптер зарывается во влажную грязь во время летней спячки. Австралийский рогозуб летом находит спасение в лужах, которые остаются от пересохших озёр. Кстати, именно от родственников двоякодышащих рыб произошли амфибии.
Большинство костных рыб не сохранило лёгкие как орган дыхания, а приспособило их к другой важной задаче — контролю плавучести. Лёгкие полностью отсоединились от пищевода и замкнулись, став плавательным пузырём. Если сбрасывать в него из крови газы разной плотности, можно регулировать глубину погружения. Тот же принцип используют моллюски наутилусы, когда закачивают газы в камеры своей раковины.
У амфибий лёгкие слишком маленькие и примитивные, поэтому, чтобы набрать достаточно воздуха, они используют и лёгкие, и диффузное дыхание через кожу. У других живых существ лёгкие росли и со временем приобрели ячеистую структуру (это позволило увеличить суммарную площадь поверхности, которая соприкасается с воздухом). Крупные ячеистые лёгкие есть у рептилий. А самые лучшие, большие, похожие на губки лёгкие получили млекопитающие. Вот вы, например.
Параллельно развитию лёгких у крокодилов, птиц и млекопитающих появляется мощная мышца-насос — диафрагма, благодаря которой можно свободно дышать во время бега. А вот бедняги ящерицы используют для этого боковую мускулатуру тела, поэтому они бегут и дышат по очереди.
Жаберные щели и окружающие их костные дуги, от которых отходят жаберные пластиночки, после выхода животных на сушу стали исчезать и превращаться в другие полезные приспособления. Одна жаберная дуга осталась у людей до сих пор, хоть и скрылась под кожей, — это евстахиева труба, благодаря которой давление в среднем ухе выравнивается с атмосферным.
|
Плюсы |
Минусы |
|
Можно быть большим |
Нельзя дышать под водой
|
|
Можно жить на суше
|
|
|
Можно быстро бегать (при наличии дополнительных приспособлений вроде ног)
|
|
5. Вентиляция: дышим через трубочку
Не только позвоночные животные выбрались в своё время на сушу и были вынуждены искать способ доставки кислорода в новой среде. Совершенно особым путём пошли насекомые. Никаких лёгких они не отрастили. Более того, у них есть жидкость, омывающая органы, подобно крови, но кислород она не переносит.
Вместо этого тело насекомых пронизано мельчайшими разветвлёнными трубочками — трахеями, широкий конец которых открывается на поверхности туловища, а узкие подходят к отдельным клеткам. Отчасти прокачиванию воздуха помогают движения тела, но в основном здесь работает диффузия, поэтому насекомые могли быть по-настоящему крупными только в глубокой древности, когда кислорода в атмосфере Земли было больше, чем сейчас. Может, оно и к лучшему — только представьте себе комара с размахом крыльев в полтора метра!
Болота и тропические леса были тогда столь обширны, что их совместный фотосинтез увеличил долю кислорода в атмосфере до 30–35% (сегодня — 21%). Диффузию это, конечно, облегчало, но был и минус: высокая концентрация кислорода токсична для клеток. Взрослому насекомому такое нипочём, но в стадии личинки оно впитывает кислород поверхностью тела и не может контролировать процесс.
Чтобы уменьшить вред от поступающего кислорода, личинкам приходилось вырастать большими: отношение объёма тела к площади поверхности в этом случае повышается — риск умереть от отравления кислородом снижается.
Во взрослом же состоянии диффузия прекрасно справлялась с доставкой кислорода по трахеям к клеткам огромной стрекозы. Размах крыльев самой крупной стрекозы Meganeuropsis permiana достигал 71 см. К счастью для тех, кто боится насекомых, растения, увеличившие уровень кислорода в атмосфере, исправили ситуацию.
В процессе фотосинтеза они активно расходовали углекислый газ из атмосферы, а затем, после смерти, оказывались заперты в болотах и не могли отдать поглощённый газ обратно. Поскольку углекислый газ участвует в парниковом эффекте, снижение его количества привело к падению температуры и изменению растительного облика Земли. Производить кислород в прежнем объёме стало некому. Постепенно его содержание в атмосфере приблизилось к привычному нам 21%, а насекомые обрели миниатюрные пропорции.
6. Лёгкие + воздушные мешки. Безотходное дыхание для рождённых летать
Что касается эффективности перекачивания воздуха, то больше всех позвоночных в этом преуспели птицы. Их можно понять. В выдохе из лёгких кислорода всё ещё достаточно много, чтобы им можно было свободно дышать. Зачем же так неэкономно расходовать ценный ресурс? Вот птицы и не расходуют.
Они присоединили к лёгким систему из воздушных мешков — полостей между органами и внутри крупных костей. Небольшими трубками мешки связаны с лёгкими. После выдоха воздух поступает не наружу, а в мешки и затем прогоняется через лёгкие ещё раз — это называется двойным дыханием. Оно нужно для полёта. Как ракета берёт с собой больше топлива и окислителя, чем наземный транспорт, так и птицам нужно больше еды и кислорода, чем тем, кто ходит по земле.
|
Плюсы |
Минусы |
|
Забираем весь доступный кислород |
Вроде бы их нет. Но непонятно, почему эволюция не наделила таким прекрасным приспособлением остальных животных |
|
Не надо лишний раз вдыхать |
|
7. Кишечник: дышим тем, что имеем
Если вы забыли, кит — это парнокопытное животное. Ну почти. Согласно современной классификации, бегемоты, верблюды, свиньи и жирафы считаются близкими родственниками китов, их даже объединяют в один отряд — китопарнокопытные. Некоторые позвоночные животные не смогли привыкнуть к жизни на суше, не справились с конкуренцией и вернулись в воду — для постоянной жизни в море или рядом с ним. Жабры они успели потерять, а лёгкие к обмену газом с водой не приспособлены. Такие животные — киты, тюлени, выдры — обучились надолго задерживать дыхание и (или) перекачивать кровь медленнее. Это требует физиологического терпения и мужества. Но есть и более изысканный способ.
Часть животных, вернувшихся к водному образу жизни, воспользовалась ещё одним органом, оплетённым кровеносными сосудами и спокойно воспринимающим жидкое содержимое, — кишечником. Речь о морских змеях и черепахах — часть кислорода они получают из задней кишки, стенки которой обросли дополнительной капиллярной сетью.
Не так давно японские медики приступили к разработке метода, который позволит млекопитающим (например, людям) дышать таким образом во время операций или при респираторных синдромах без использования аппарата ИВЛ. Опыты пока проводились на мышах и крысах, но уже внушают оптимизм.
|
Плюсы |
Минусы |
|
Выручает, когда нужно срочно вдохнуть под водой, а жабр давно нет
|
Не очень эффективно: слишком маленькая площадь поверхности
|
Постскриптум
Мы счастливые обладатели одного из самых эффективных органов дыхания из тех, что когда-либо появлялись на нашей планете. Комплект из ячеистых лёгких и диафрагмы делает нас выносливыми и стойкими. Но было бы здорово, если бы эволюция не отбирала ранее приобретённые приспособления. Были бы у нас в придачу к лёгким жабры для долгих заплывов и погружений — жизнь была бы чуточку разнообразнее… Впрочем, это уже совсем другая история.