Занимательная физиология - Сергеев Борис Федорович - Страница 17

Эта задача для зеленых растений вполне по силам. Ведь и наша земная атмосфера в том виде, какой мы ее знаем, создана живыми организмами. Сейчас растения Земли ежегодно потребляют 650 миллиардов тонн углекислого газа, при этом они продуцируют 350 миллиардов тонн кислорода. Когда-то и в земной атмосфере кислорода было значительно меньше, чем теперь, а углекислого газа гораздо больше. Нужно только запастись терпением. Нескольких сотен миллионов лет будет, вероятно, вполне достаточно, чтобы в корне преобразовать атмосферу Венеры. Есть основания предполагать, что к тому времени и температура на этой планете значительно снизится (ведь и на Земле было когда-то горячо). Тогда земляне смогут чувствовать себя там совсем как дома!

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.