Отдел снабжения
Чтобы жить, необходимо где-то достать кислород, а затем снабдить им каждую клеточку организма. Большинство животных нашей планеты черпают кислород из атмосферы или извлекают кислород, растворенный в воде. Для этого используются легкие или жабры, а затем уже кровь доставляет его во все уголки организма.
Может на первый взгляд показаться, что извлечение кислорода из воды или воздуха – наиболее сложная часть задачи. Ничуть не бывало. Животным не пришлось придумывать никаких специальных приспособлений. Кислород проникает в протекающую по легким или жабрам кровь лишь благодаря диффузии, то есть потому, что в крови его меньше, чем в окружающей среде, а газообразные и жидкие вещества стараются распределиться так, чтобы их содержание всюду было одинаковым.
Природа не сразу додумалась до легких и жабр. Первые многоклеточные живые организмы их не имели, они дышали всей поверхностью тела. Все последующие более развитые животные, в том числе и человек, хотя и приобрели специальные органы дыхания, но способность дышать кожей не утратили. Лишь звери, одетые в броню: черепахи, броненосцы, крабы и им подобные – не пользуются этой привилегией.
У человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела, от самого толстого эпидермиса пяток до покрытой волосами кожи головы. Особенно усиленно дышит кожа на груди, спине и животе. Интересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят легкие. Так, например, с одинаковой по размеру дыхательной поверхности кислорода здесь может поглощаться на 28, а выделяться углекислого газа даже на 54 процента больше, чем в легких.
Чем обусловлено такое превосходство кожи над легкими, неизвестно. Возможно, тем, что кожа дышит чистым воздухом, а свои легкие мы проветриваем плохо. Даже при самом глубоком выдохе в легких остается известный запас воздуха далеко не лучшего состава, в котором значительно меньше кислорода, чем бывает в наружной атмосфере, и очень много углекислого газа. Когда мы делаем очередной вдох, вновь поступающий воздух смешивается с уже находящимся в легких, и это сильно снижает качество последнего. Не мудрено, если в этом и кроется преимущество кожного дыхания.
Однако доля участия кожи в общем дыхательном балансе человека по сравнению с легкими ничтожна. Ведь общая ее поверхность у человека едва достигает 2 квадратных метров, тогда как поверхность легких, если развернуть все 700 миллионов альвеол, микроскопических пузырьков, через стенки которых и происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет по меньшей мере 90–100, то есть в 45–50 раз больше.
Дыхание через наружные покровы тела может обеспечить кислородом только очень небольших животных. Поэтому еще на заре возникновения животного царства природа примеривала, что бы для этого использовать. Прежде всего выбор пал на органы пищеварения.
Кишечнополостные животные состоят всего из двух слоев клеток. Наружный извлекает кислород из окружающей среды, внутренний из воды, свободно поступающей в кишечную полость. Уже плоские черви, обладатели более сложных пищеварительных органов, пользоваться ими для дыхания не могли. И вынуждены были оставаться плоскими, так как в большом объеме диффузия не способна обеспечить кислородом глубоко лежащие ткани.
Многие из кольчатых червей, появившихся на Земле вслед за плоскими, тоже обходятся кожным дыханием, но это оказалось возможным только потому, что у них уже появились органы кровообращения, которые разносят кислород по всему телу. Впрочем, некоторые кольчецы обзавелись первым специальным органом для извлечения кислорода из окружающей воды – жабрами.
У всех последующих животных аналогичные органы строились в основном по двум схемам. Если кислород нужно было получать из воды, то это были специальные выросты или выпячивания, свободно омываемые водой. Если кислород извлекался из воздуха, это были вдавления, от простого мешка, каким является дыхательный орган виноградной улитки или легкие тритонов и саламандр, до сложно устроенных, похожих на виноградные гроздья блоков микроскопических пузырьков, какими стали легкие млекопитающих.
Условия дыхания в воде и на суше сильно разнятся друг от друга. При самых благоприятных условиях в литре воды содержится всего 10 кубических сантиметров кислорода, тогда как в литре воздуха его 210, то есть в 20 раз больше. Поэтому может вызвать удивление, что дыхательные органы водных животных не могут извлекать из столь богатой среды, какой является воздух, достаточного количества кислорода. Устройство жабр таково, что они могли бы успешно справляться со своей задачей и на воздухе, если бы их тоненькие пластинки, лишенные опоры, которую дает вода, не слипались бы между собой и, лишенные защиты, не подсыхали. А это вызывает прекращение циркуляции крови и тем самым приостановку дыхательной функции.
Интересно происхождение дыхательных органов. Природа для их создания использовала то, что было опробовано еще у очень низкоорганизованных существ: кожные покровы и органы пищеварения. Жабры морских червей - всего лишь сильно усложненные выросты наружных покровов. У всех позвоночных животных жабры и легкие по своему происхождению являются производными передней кишки.
Очень своеобразна дыхательная система насекомых. Они решили, что не стоит сильно осложнять вопрос. Проще всего дать возможность воздуху непосредственно добираться до каждого из органов, где бы они ни располагались. Осуществляется это очень просто. Все тело насекомых пронизано системой сложноветвящихся трубочек. Даже мозг и тот изрешечен воздухоносными трахеями, так что у них в буквальном смысле слова в голове гуляет ветер.
Трахеи, ветвясь, все уменьшаются в диаметре, пока не станут совсем тоненькими, благодаря чему они могут подойти буквально к каждой клеточке тела, и здесь нередко распадаются на пучок уж совсем мельчайших трахеол, диаметром менее одного микрона, которые входят прямо в протоплазму клеток, так что кислород у насекомых доставляется прямо к месту назначения. Особенно много трахеол в клетках, которые усиленно потребляют кислород: в крупных клетках летательных мышц они создают целые сплетения.
Воздухоносные пути насекомых могут сами разыскивать места, где кислорода становится мало. Так ведут себя трахеолы эпидермиса, крохотные, диаметром меньше одного микрона и длиной не больше трети миллиметра, слепо заканчивающиеся трубочки. Когда вблизи них появляются участки тканей, интенсивно потребляющие кислород, окружающие трахеолы начинают тянуться, увеличиваясь в длину нередко на целый миллиметр.
На первый взгляд кажется, что насекомые удачно решили проблему снабжения кислородом, только практика этого не подтверждает. Сильный сквознячок в их теле способен быстро высушить насекомое. Чтобы этого не произошло, отверстия трахей открываются лишь на очень короткий срок, а у многих водных насекомых они вообще запечатаны. В этом случае кислород путем диффузии через покровы тела или жабры просачивается в воздухоносные пути и распространяется дальше по ним тоже путем диффузии.
Крупные сухопутные насекомые дышат активно. 70–80 раз в минуту мышцы брюшка сокращаются, оно уплощается, и воздух выдавливается наружу. Затем мышцы расслабляются, брюшко принимает прежнюю форму, а воздух засасывается внутрь. Интересно, что для вдоха и выдоха чаще всего используются разные дыхательные отверстия, вдох осуществляется через грудные, выдох через брюшные.
Нередко главные дыхательные органы не в состоянии выполнить свою задачу. Это наблюдается у животных, которые переселились в крайне бедную кислородом или вовсе несвойственную для них среду. И тут уж чего-чего не привлекает природа в помощь основным дыхательным органам.
В первую очередь широко используются и модернизируются уже испытанные средства. На юге нашей Родины широко известна небольшая рыбешка – вьюн. Встречается она нередко в пересыхающих на лето ручьях, в старицах, полностью утративших связь с рекой. В таких водоемах дно обычно илистое, масса гниющих растений, и поэтому в жаркое летнее время в воде очень мало кислорода. Чтобы не задохнуться, вьюнам приходится «питаться» воздухом. Попросту говоря, они его едят, заглатывают и, как пищу, пропускают через кишечник. Пищеварение идет в передней части кишечника, дыхание в задней.
Чтобы пищеварение меньше мешало дыханию, в средней части кишечника находятся особые секреторные клетки, которые обволакивают слизью приходящие сюда пищевые остатки, благодаря чему они очень быстро проскакивают через дыхательную часть кишки. Точно так же дышат две другие наши пресноводные рыбы, голец и шиповка. Вряд ли выполнение одним органом двойной функции (дыхания и пищеварения) удобно. Видимо, поэтому у большого отряда пресноводных рыб из тропической Азии появился дополнительный дыхательный аппарат – лабиринт – система очень сложно переплетающихся каналов и полостей, расположенных в расширенной части первой жаберной дуги.
Ученые не сразу поняли значение лабиринта. Знаменитый Кювье, который, препарируя анабасов, впервые обнаружил и окрестил этот загадочный орган, предположил, что в лабиринте рыбы держат воду, когда вылезают из водоема. Анабас любит попутешествовать, легко переползая из одного водоема в другой.
Не помогли разъяснить функцию и наблюдения за рыбами в природе. Английский зоолог Коммерсон, первым из европейцев встретившийся с довольно крупной рыбой – гурами, которую местное население издавна разводило в прудах, назвал ее Osphromenus olfacs, что в переводе с латыни означает Нюхатель обоняющий. Наблюдая за рыбами, англичанин видел, что они беспрерывно поднимались к поверхности и, высунув наружу рыло, втягивали воздух. В те времена никому и в голову не могло прийти, что рыбы дышат воздухом! Вот Коммерсон и решил, что гурами всплывают наверх, чтобы выяснить, чем пахнет на белом свете.
Много позже, когда они попали к аквариумистам Европы, стало понятно, что лабиринтовые рыбы дышат воздухом. Жабры у них недоразвиты, и лабиринт играет видную роль в обеспечении кислородом. Обходиться без воздуха они не могут. Если их посадить в аквариум с самой чистой, богатой кислородом водой, но лишить возможности всплывать к поверхности и набирать воздух, лабиринтовые рыбки попросту «захлебнутся» и «утонут».
Жемчужный гурами
Нелегко дышится и лягушкам, легкие у них далеко не первого сорта, вот и приходится им порой изощряться. В 1900 году в Габоне (Африка) была поймана волосатая лягушка. Это известие всколыхнуло весь научный мир. В ученых кругах считалось точно установленным, что волосяной покров – прерогатива млекопитающих. Лягушки же, как известно, «ходят» голые. Было непонятно, почему у габонских модниц бока и лапы покрыты шерстью. Трудно было предположить, что им холодно. Ведь если даже наши северные лягушки, живущие чуть ли не у Полярного круга, не мерзнут, то почему стало холодно их африканским сестрам?
Секрет лягушачьих манто существовал недолго. Стоило взглянуть на странную шерсть в микроскоп, как стало ясно, что это простые выросты кожи. Такая «шерсть» греть, конечно, не может, да в Габоне и не бывает холодов. Последующие исследования показали, что волосы выполняют у лягушек функцию своеобразных жабр, с помощью которых они дышат и в воде и на суше. Шерсть растет только у самцов. В период размножения на их плечи ложится немалая физическая нагрузка, и, не будь у них «волос», одышка и недостаток кислорода помешали бы ее выполнить.
Волосатая лягушка
Еще интереснее дыхание илистого прыгуна. Живет эта рыба в тропической Индии и не столько в воде, сколько в грязи. Рыбки скорее сухопутные существа. Они могут совершать по суше большие путешествия и даже отлично лазают по деревьям. На берегу эти рыбы дышат хвостом, кожа которого имеет сильно разветвленную кровеносную сеть.
В процессе изучения дыхания илистых прыгунов произошла забавная ошибка. Попросту говоря, прыгуны оказались злостными обманщиками. Ученые подметили, что хотя большую часть дня рыбки проводят на суше, где в основном и добывают себе пищу, ловко хватая пролетающих мимо насекомых, но полностью расставаться с водой не любят. Чаще всего они сидят по краям лужи, опустив в воду хвосты. Прыгнув за пролетавшей мимо бабочкой, рыбка пятится назад, пока не опустит хвост в воду.
Илистый прыгун
Наблюдая такие сценки, ученые решили, что с помощью хвоста прыгун извлекает из воды кислород. Однако, когда догадались замерить количество кислорода, содержащегося в воде, увидели: его там так мало, что не имеет смысла и хвост мочить. Как теперь выяснилось, с помощью хвоста прыгун сосет воду, которая ему очень нужна, чтобы увлажнять остальные части тела, выделять достаточное количество слизи. В это время через хвост он кислорода почти не получает. Зато, когда, запасшись достаточным количеством воды, он покидает водоем, хвост становится главным дыхательным аппаратом.
Умбра, или, как ее у нас называют, рыба-евдошка, дышит плавательным пузырем. Живет она в Молдавии в низовьях Днестра и Дуная. Плавательный пузырь у евдошки связан с глоткой широким протоком. Высунувшись из воды, рыба наполняет воздухом пузырь. Он густо оплетен кровеносными сосудами, и кислород легко проникает здесь в кровь. Отработанный воздух, насыщенный углекислым газом, умбра время от времени выплевывает. Дыхание через плавательный пузырь для умбры не забава. Если ее лишить возможности заглатывать воздух, она проживет не больше суток.
Не только для умбры, но и для многих рыб воздух совершенно необходим, правда, по другой причине. Мальки большинства рыб, вылупившись из икринки, обязательно должны сделать хоть один вдох. Вот почему рыбы чаще всего мечут икру в неглубоких местах. Иначе у слабеньких малышей не хватит силенок, чтобы всплыть на поверхность. Воздух малькам нужен для того, чтобы наполнить им плавательный пузырь. Через несколько дней проток, соединяющий пузырь с пищеводом, зарастет, и рыбешки, лишенные возможности произвольно уменьшать свой удельный вес, погибнут от переутомления.
У открытопузырных рыб проток плавательного пузыря не зарастает. Эти рыбы до глубокой старости сохраняют способность заглатывать новые порции воздуха, когда собираются плавать у поверхности, и выдавливать излишек, если им хочется спуститься на глубину. Но, видимо, подниматься к поверхности не всегда безопасно, и поэтому рыбы чаще пользуются другим способом, чтобы поддерживать количество газов в пузыре на нужном уровне. Этот способ – активная секреция газов с помощью газовой железы.
Еще на заре изучения дыхания возникло предположение, что кислород, поступивший в легкие, захватывается стенкой альвеол, которая затем секретирует его в кровь. Теория эта впоследствии не оправдалась. Дело не в том, что подобные явления невозможны, просто в легких они оказались ненужными. Для плавательного пузыря закрытопузырных рыб этот способ оказался единственно возможным. Основным рабочим органом железы является чудесная сеть, состоящая из трех последовательно соединенных капиллярных сплетений. Подсчитали, что объем крови, который может поместиться в чудесной сети, невелик - около одной капли, зато площадь сети огромна, ведь она состоит из 88 тысяч венозных и 116 тысяч артериальных капилляров, общая длина которых равняется без малого километру. Кроме того, железа имеет множество канальцев. Считается, что секрет, который она выделяет в просвет пузыря, распадается там, выделяя кислород и азот.
Благодаря тому, что газ в плавательном пузыре создается железой, а не берется из атмосферы, его состав сильно отличается от наружного воздуха. Чаще всего там преобладает кислород, иногда его бывает до 90 процентов.
