«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. Чаще всего 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 органические молекулы 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
• Можно жить, даже если нет кислорода
Минусы
• 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
• Можно дышать
• Всё очень просто
Минусы
• Нельзя быть большим и сложным
• 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 много вариантов размещения жабр. Например:
— 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
• Можно расти большим
Минусы
• 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 основная часть кислорода поступает 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.
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 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 бедняга ящерица использует для этого боковую мускулатуру тела, поэтому бежать и дышать она может только по очереди.
Плюсы
• Можно быть большим
• Можно жить на суше
• Можно быстро бегать (при наличии дополнительных приспособлений вроде ног)
Минусы
• Нельзя дышать под водой
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.
Плюсы
• Лёгкое дыхание без сложных приспособлений
Минусы
• Можно вырасти большим только в очень богатой кислородом атмосфере
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
• Забираем весь доступный кислород
• Не надо лишний раз вдыхать
Минусы
• Такая система дыхания непозволительна для существ с высокой пластичностью тела, например для нас
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
• Выручает, когда нужно срочно вдохнуть под водой, а жабр давно нет
Минусы
• Не очень эффективно: слишком маленькая площадь поверхности
Постскриптум
Мы счастливые обладатели довольно эффективного органа дыхания. 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.
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» № 51 2022 г.