Жабры рыбы работают в воде, лёгкие человека — в воздухе. И те и другие обеспечивают обмен кислорода и углекислого газа между организмом и средой, но условия для этого разные. В воде растворённого кислорода сравнительно мало, поэтому жабрам нужна обширная поверхность, которую постоянно омывает поток воды. В воздухе кислорода больше, зато дыхательную поверхность приходится защищать от высыхания, сохраняя её влажной.
Жабры: большая поверхность в потоке воды
Древнейшие позвоночные жили в воде. У рыб газообмен происходит на тонких жаберных лепестках, пронизанных кровеносными сосудами. Вода омывает лепестки, а внутри них течёт кровь; у многих рыб эти потоки направлены навстречу друг другу. Благодаря такому противотоку разница концентраций кислорода сохраняется вдоль лепестка, и рыба может извлекать его из воды.
Вне воды жаберные структуры слипаются и высыхают. Поэтому выход позвоночных на сушу не был простым «усовершенствованием жабр»: влажную поверхность газообмена нужно было разместить внутри тела. Единого пути при этом не существовало. Современные рыбы сохранили разные способы дыхания, а некоторые способны получать кислород и из воздуха.
Воздушное дыхание возникало в разных условиях
В тёплых, мелких или пересыхающих водоёмах кислорода в воде бывает недостаточно. Для их обитателей доступ к атмосферному воздуху мог стать преимуществом. У разных рыб появились свои способы использовать воздух: одни задействуют специализированные участки ротовой полости, другие — лёгкие. Лёгочные рыбы сохранили и жабры, и лёгкие. Их пример показывает, что воздушное дыхание могло возникнуть ещё в воде.
Плавательный пузырь многих костных рыб и лёгкие связаны с древними выростами пищеварительной трубки. Но у разных групп эти органы развивались и использовались по-разному. Было бы неверно представлять дело так, будто плавательный пузырь у всех рыб постепенно «превратился» в человеческие лёгкие. У древних лопастепёрых рыб, линии которых ближе к наземным позвоночным, история воздушного дыхания тоже была сложной.
Первые четвероногие: дыхание при смене среды
Освоение суши у ранних четвероногих затронуло не только лёгкие. Менялись опора тела, движения головы и работа мышц. Как именно эти животные вентилировали лёгкие, исследователи восстанавливают по ископаемым костям и сравнению с ныне живущими видами. Мягкие ткани почти не сохраняются, поэтому подробности дыхательных движений пока остаются предметом исследования.
Земноводные хорошо показывают, почему газообмен нельзя свести к одному органу. У многих взрослых амфибий работают лёгкие, но газы проходят и через влажную кожу; личинки часто используют жабры. Многие земноводные наполняют лёгкие, перемещая воздух движениями дна ротовой полости. Это не похоже на вдох человека, при котором расширяется грудная клетка.
Разные пути у рептилий, птиц и млекопитающих
При жизни вне воды особенно важно ограничивать потерю влаги. Покровы, которые хуже пропускают воду, хуже подходят и для кожного газообмена. Поэтому возрастает роль внутренних лёгких и их вентиляции. Однако у потомков ранних наземных позвоночных не сложился один общий «идеальный» тип лёгкого: разные линии развивались по-своему.
- У многих рептилий вдох связан с движением рёбер и изменением объёма грудной полости. Внутри лёгкие разделены на камеры, увеличивающие площадь газообмена.
- У птиц в вентиляции участвуют воздушные мешки, но основной газообмен происходит в лёгких. Их устройство поддерживает направленный поток воздуха через газообменные участки и при вдохе, и при выдохе.
- У млекопитающих воздух движется по разветвлённым дыхательным путям к альвеолам. При вдохе грудную полость расширяют главным образом диафрагма и межрёберные мышцы.
Эти варианты нельзя расставить по ступеням от «хуже» к «лучше». Устройство птичьего лёгкого связано с потребностями птиц, альвеолярного — с особенностями млекопитающих. Оценивать их эффективность стоит с учётом образа жизни, затрат энергии и условий среды, а не по сходству с человеческими лёгкими.
Что досталось человеку
Человек относится к млекопитающим. Воздух проходит через носовую или ротовую полость, гортань, трахею и разветвляющиеся бронхи, прежде чем достигнуть альвеол. Через их тонкие стенки кислород переходит в кровь, а углекислый газ — из крови в альвеолярный воздух. Подробнее этот процесс описан в материале MedlinePlus о работе лёгких.
Но доставить воздух к альвеолам — лишь часть задачи. Кровь должна переносить газы между лёгкими и тканями, поэтому вентиляция и кровообращение работают согласованно. Выведение CO₂ также помогает поддерживать кислотно-щелочное равновесие. При спокойном дыхании частота и глубина вдохов меняются в зависимости от потребностей организма. Дышать чаще — не значит автоматически доставлять тканям больше кислорода.
Как читать эволюционную историю без «лестницы прогресса»
Современная рыба не предок современного человека: у них были общие древние предки, а после расхождения каждая линия продолжала эволюционировать. Окаменелости позволяют проследить изменения, но не сохраняют каждый промежуточный организм. Сравнение живых видов помогает дополнить эту картину, хотя нынешнюю амфибию нельзя считать точной копией первого наземного позвоночного.
Разобраться в собственном дыхании проще, если различать место газообмена и механизм вентиляции: альвеолы обмениваются газами с кровью, а диафрагма помогает доставить к ним воздух. Наблюдая за обычным вдохом, не нужно специально делать его глубже или чаще ради «дополнительного кислорода». При неприятных симптомах, хронических заболеваниях или выборе дыхательной практики стоит проконсультироваться с медицинским специалистом.