Рыба пропускает воду через жабры, человек направляет воздух к альвеолам. В обоих случаях газы обмениваются между внешней средой и кровью, но устройство органов различается. Дыхательная система развивалась вместе с кровообращением, способом движения и потребностью тканей в энергии. Поэтому разницу между жабрами и лёгкими нельзя объяснить одним лишь переходом из воды на сушу.
От поверхности тела к специальным органам
Чтобы попасть в организм, кислород должен раствориться во влаге и пройти через тонкую поверхность. У мелких водных животных он может поступать через покровы тела: до клеток недалеко, а площадь поверхности по отношению к объёму достаточно велика. Чем крупнее тело, тем хуже работает такой способ. Складки, выросты и внутренние полости увеличивают площадь контакта со средой, а кровеносная система доставляет кислород к удалённым тканям.
Жабры приспособлены извлекать кислород, растворённый в воде. У многих рыб вода омывает жаберные пластинки, а кровь течёт навстречу ей. Благодаря противотоку разница концентраций сохраняется вдоль пластинки, и кислород поступает в кровь на большей её площади. Жабрам при этом нужен поток воды: на воздухе их тонкие влажные структуры могут слипаться и высыхать. Для жизни на суше дыхательную поверхность пришлось и защитить, и иначе снабжать воздухом.
У насекомых воздух идёт по разветвлённым трахеям прямо к тканям, поэтому перенос кислорода кровью играет у них не такую роль, как у позвоночных. Единой лестницы от «простого» органа к «лучшему» нет: способы газообмена различаются в зависимости от размеров животного и его образа жизни.
Как менялись лёгкие позвоночных
Лёгкие не возникли как внезапная замена жабр. У некоторых рыб есть воздуходышащие органы; двоякодышащие рыбы используют лёгкие, когда в воде мало кислорода. Плавательный пузырь и лёгкие в родственных линиях позвоночных показывают, что воздушные полости могли выполнять разные функции. У земноводных лёгкие устроены сравнительно просто, а при благоприятных условиях в газообмене участвует и кожа.
У пресмыкающихся внутренняя поверхность лёгких обычно сильнее разделена перегородками. В лёгких млекопитающих много альвеол — небольших воздушных полостей, окружённых капиллярами. Их суммарная площадь велика; тонкий барьер между воздухом и кровью и постоянный кровоток поддерживают газообмен. Но альвеолы не нужно при каждом вдохе заполнять «до отказа»: вентиляция меняется вместе с потребностями организма.
У птиц другая схема. Воздушные мешки участвуют в движении воздуха через лёгкие, но не служат основной поверхностью газообмена. Воздух проходит через газообменные участки и при вдохе, и при выдохе. Это не просто более мощное человеческое дыхание — иначе организован сам поток.
Что изменилось при выходе на сушу
- Защита поверхности. Газообменные структуры оказались внутри тела, где легче сохранять необходимую влажность.
- Движение среды. Вместо постоянного омывания жабр водой воздух стал поступать в лёгкие благодаря движениям тела и работе дыхательных мышц.
- Связь с кровообращением. Для доставки газов тканям важна не только вентиляция, но и ток крови через сосуды у газообменной поверхности.
Как формируется дыхание человека
У человека лёгкие закладываются ещё до рождения как вырост дыхательных путей. Внутриутробно ветвятся бронхи, формируются участки будущего газообмена и сосудистая сеть. Кислород плод получает через плаценту: лёгкие развиваются, но ещё не обеспечивают дыхание воздухом. После рождения с первыми вдохами они расправляются, а кровообращение перестраивается на лёгочный газообмен.
И после рождения развитие продолжается. В детстве созревают лёгочная ткань и механика дыхания, растут дыхательные пути и грудная клетка. Поэтому нормы и представления о дыхании взрослого нельзя без оговорок переносить на младенца. Узкие дыхательные пути ребёнка, например, чувствительнее к отёку слизистой; частота дыхания тоже зависит от возраста.
Слово «развитие» здесь означает две разные вещи. Эволюция — изменение наследуемых признаков в популяциях за многие поколения. Индивидуальное развитие — формирование органов у плода и их созревание после рождения. Человеческий эмбрион не «проходит стадии взрослой рыбы»: сходства между зародышами связаны с общим происхождением и особенностями формирования тканей, а не с пошаговым повторением эволюционной истории.
Почему одного кислорода недостаточно для объяснения дыхания
Дышать — не значит вдыхать как можно больше воздуха. Кислород нужен клеткам для получения энергии, а углекислый газ, образующийся при обмене веществ, должен выводиться. Содержание CO₂ связано и с кислотно-щелочным равновесием крови. Дыхательные центры регулируют вентиляцию по сигналам рецепторов: прежде всего они реагируют на изменения CO₂ и связанного с ним pH, а при определённых условиях — на снижение кислорода.
В покое здоровому человеку обычно не нужно намеренно углублять каждый вдох. Если дышать заметно чаще или интенсивнее, чем требуется в данный момент, уровень CO₂ в крови может снизиться. Тогда возможны головокружение, покалывание или неприятное ощущение нехватки воздуха — даже при более сильных дыхательных движениях. По этим ощущениям нельзя самостоятельно определить причину: похожие жалобы встречаются при разных состояниях.
Если хочется понаблюдать за дыханием ради расслабления, не нужно пытаться улучшить показатели газообмена. Можно заметить, свободно ли движутся грудная клетка и живот, не напряжены ли плечи, и оставить дыхание в привычном удобном ритме. Добиваться длинных пауз или проверять, насколько мало воздуха удаётся вдохнуть, не стоит. Если внимание к дыханию усиливает дискомфорт, лучше прекратить практику.
При одышке, боли в груди, повторяющемся головокружении или хроническом заболевании стоит обратиться к медицинскому специалисту. С ним же лучше обсудить выбор дыхательной практики. А в спокойную минуту можно заметить простую вещь: остаются ли после выдоха челюсть и плечи расслабленными или тело уже готовится к нарочито большому вдоху.