Аквариум и пузырьки
Посмотри на рыбу в аквариуме. Она всё время открывает и закрывает рот. Кажется, будто она что-то беззвучно говорит.
На самом деле она дышит. Каждое такое движение — вдох.
И сразу вопрос, который стоит задать: а чем, собственно, дышать под водой? Вода — это H2O, там есть кислород, но он намертво сцеплен с водородом. Разорвать эту связь рыба не может — на это нужно столько энергии, что никакой еды не хватит.
Значит, рыба достаёт не тот кислород, который в самой воде. Она достаёт кислород, растворённый в воде, — тот, что попал туда из воздуха и от водорослей. Точно так же в газировке растворён углекислый газ: он там есть, хотя воды не портит.
Кислорода в воде мало, и его трудно взять
Вот главная трудность рыбьей жизни. В литре воздуха кислорода примерно двести миллилитров. В литре холодной речной воды — около семи миллилитров. В тридцать раз меньше.
Мало того. Вода в восемьсот раз плотнее воздуха и гораздо тягучее. Прокачивать её через себя тяжело: рыба тратит на дыхание около десятой части всей своей энергии, а человек — меньше двадцатой.
И ещё: чем теплее вода, тем меньше в ней растворяется кислорода. Именно поэтому летом в мелком заросшем пруду рыба поднимается к поверхности и хватает воздух ртом, а зимой подо льдом случаются заморы — кислород кончается, а нового взяться неоткуда.
Из этих трёх неприятностей и вырос орган, который решает задачу почти идеально.
Жабры: очень много поверхности в маленьком объёме
Открой жаберную крышку у рыбы (лучше — посмотри рисунок) и увидишь несколько красных дуг. На каждой дуге — ряды тонких лепестков, а на каждом лепестке — сотни ещё более мелких пластинок.
Смысл всей этой бахромы один: площадь. Кислород проходит в кровь только через поверхность, значит, поверхности нужно как можно больше. Если расправить жабры крупной рыбы, они займут площадь в десятки раз больше, чем вся её кожа.
Пластинки очень тонкие — тоньше волоса. Кровь в них течёт так близко к воде, что кислород просто просачивается сквозь стенку. Никаких насосов, никакой хитрой химии: газ всегда сам переходит оттуда, где его много, туда, где его мало.
Вода в жабры попадает изо рта. Рыба открывает рот, набирает воды, закрывает — и выталкивает воду через жабры наружу, приподняв жаберные крышки. Поток идёт в одну сторону, без остановок и без обратного хода.
Это, между прочим, устроено умнее, чем у нас. Мы вдыхаем и выдыхаем через одно и то же отверстие, поэтому в лёгких всегда остаётся порция несвежего воздуха. У рыбы такого нет: вода входит спереди, выходит сбоку, и жабры всегда омывает свежая порция.
Главный секрет: течь навстречу
Теперь самое красивое место, и оно объясняет, почему жабры настолько эффективны.
Кровь в жаберной пластинке течёт навстречу воде. Вода идёт в одну сторону, кровь под ней — в противоположную.
Представь, что было бы иначе, — если бы они текли рядом в одну сторону. Тогда богатая кислородом вода встречалась бы с бедной кровью, кислород переходил бы в кровь, и довольно быстро в воде и в крови его стало бы поровну. Обмен остановился бы на середине: больше половины кислорода вода унесла бы обратно.
А при встречном течении всё иначе. Кровь, уже почти полная кислорода, на выходе встречается с самой свежей водой — и берёт ещё. Кровь, ещё пустая, встречается с водой, которая почти всё отдала, — но в этой воде всё равно кислорода больше, чем в пустой крови, и обмен идёт. На всём пути вода чуть богаче крови. Кислород переходит везде, а не только в начале.
Такая схема называется противотоком. Она позволяет рыбе забирать до восьмидесяти процентов растворённого кислорода. Для сравнения: наши лёгкие забирают из воздуха примерно четверть.
Инженеры пользуются тем же приёмом в теплообменниках, а природа — ещё и в лапах северных птиц: тёплая кровь по дороге вниз греет холодную, идущую обратно, и чайка спокойно стоит на льду.
Почему рыба задыхается на воздухе
Парадокс: рыбу вытащили на берег, вокруг неё воздуха сколько угодно, кислорода в тридцать раз больше, чем в воде, — а она задыхается.
Причина в том, что воду жабры держат расправленными, а воздух — нет.
В воде лепестки расходятся веером, каждый омывается со всех сторон. На воздухе они слипаются в мокрый ком, как волосы, если вынырнуть из бассейна. Площадь, ради которой всё и затевалось, пропадает почти полностью. Плюс жабры быстро подсыхают, а через сухую поверхность газ не проходит.
Поэтому пойманную рыбу, которую собираются отпустить, держат в воде и берут мокрыми руками. Каждая минута на воздухе для неё дорога.
Кто научился иначе
Не все рыбы согласились с жабрами.
Двоякодышащие — древняя группа, дожившая до наших дней в Африке, Австралии и Южной Америке. У них есть настоящие лёгкие. Когда река пересыхает, африканский протоптер зарывается в ил, обволакивается слизистым коконом, оставляет трубочку для воздуха и спит до дождей — иногда больше года.
Лабиринтовые — гурами, петушки, которых держат в аквариумах. У них над жабрами есть камера со складчатыми костными пластинками, оплетёнными сосудами. Они поднимаются к поверхности и глотают воздух. Такой рыбе можно жить в мутной луже, где обычная задохнётся, — зато без доступа к поверхности она утонет.
Вьюн глотает воздух ртом и усваивает кислород кишечником, а лишнее выпускает с другого конца. Перед грозой, когда давление падает и кислорода в воде становится меньше, вьюн суетится и всплывает — поэтому его когда-то держали дома вместо барометра.
А угорь способен дышать кожей и переползать по мокрой траве из одного водоёма в другой.
Общее правило простое: как только в воде кислорода не хватает, эволюция начинает изобретать способ добраться до воздуха. Ровно так, около 370 миллионов лет назад, из воды и вышли первые четвероногие — наши с тобой очень дальние предки.
Главное в трёх строчках
- Рыба дышит не водой, а растворённым в ней кислородом, которого в воде примерно в тридцать раз меньше, чем в воздухе.
- Жабры устроены как бахрома ради огромной площади, а кровь в них течёт навстречу воде — противоток позволяет забрать до восьмидесяти процентов кислорода.
- На воздухе жабры слипаются и теряют площадь, поэтому рыба задыхается; те, кому воздух нужен, отрастили лёгкие, лабиринт или дышат кожей и кишечником.