Рыба открывает рот, вода входит — но она её не пьёт каждый раз. Под жаберной крышкой работает поверхность тоньше и сложнее фильтра. Пойдём за молекулой кислорода и узнаем, почему воздух есть даже под водой.
Чем дышат рыбы
Рыбе нужен тот же кислород, что и нам. Но берёт она не тот, что входит в состав молекулы воды: разобрать H₂O на водород и кислород жабры не умеют, для этого нужна энергия, которой у рыбы нет. Она использует кислород, растворённый в воде, — тот, что попал туда из воздуха у поверхности и тот, что выделили водные растения и водоросли.
И вот здесь главная трудность рыбьей жизни. В литре воздуха кислорода примерно двести десять миллилитров, а в литре холодной воды — всего шесть-восемь. То есть в воде его в тридцать с лишним раз меньше. Вдобавок вода в восемьсот раз плотнее воздуха, и прокачивать её через дыхательный орган куда тяжелее. Рыба живёт в среде, где кислорода мало, а добыть его трудно, — и всё равно справляется лучше нас.
Как работают жабры
Вода входит через рот, проходит через жаберные дуги и выходит из-под жаберных крышек. На каждой дуге сидят ряды лепестков, а на лепестках — множество тончайших пластинок. Именно они и дышат.
Устройство рассчитано на два условия: огромная площадь и тонкая стенка. Все пластинки вместе дают поверхность в несколько раз больше, чем вся кожа рыбы, а расстояние от воды до крови на них измеряется тысячными долями миллиметра. Кислород просто переходит туда, где его меньше, — в кровь, а углекислый газ уходит в воду навстречу.
Прокачивают воду по-разному. Большинство рыб работают ртом и жаберными крышками, как насосом. Скумбрия, тунец и многие акулы этот насос утратили: они дышат на ходу, просто держа рот приоткрытым, и поэтому обязаны плыть всю жизнь, даже во сне. Зато донные акулы — например, кошачьи — спокойно лежат на дне и качают воду сами.
Секрет противотока
Вот главная инженерная хитрость, ради которой стоит прочитать всю статью. В жаберных пластинках кровь течёт навстречу воде, а не вдоль.
Если бы потоки шли в одну сторону, кислород переходил бы в кровь только до тех пор, пока его концентрации не сравняются, — и обмен остановился бы на середине. При встречном движении свежая вода всё время встречает кровь, где кислорода ещё меньше, и разница сохраняется на всём пути. Обмен идёт не до половины, а почти до конца.
Результат впечатляет: жабры извлекают из воды до восьмидесяти процентов растворённого кислорода. Наши лёгкие из вдыхаемого воздуха берут около четверти. Рыба в бедной кислородом среде работает втрое эффективнее человека в богатой.
Почему рыба задыхается на воздухе
Парадокс: вокруг вытащенной рыбы кислорода в тридцать раз больше, чем в воде, а она гибнет. Причина механическая. В воде тончайшие жаберные пластинки расправлены и омываются со всех сторон. На воздухе они слипаются в общий ком и подсыхают, рабочая площадь падает в десятки раз, а газ через сухую поверхность не проходит — обмен идёт только через влажную плёнку.
Поэтому пойманную рыбу, которую собираются отпустить, нельзя держать на воздухе «ради интереса» и нельзя брать сухими руками: так повреждается защитная слизь. Отпускать нужно быстро и в воду.
Все ли рыбы одинаковы
В водоёмах, где кислорода вечно не хватает, рыбы изобрели обходные пути.
Двоякодышащие — протоптер, рогозуб, лепидосирен — имеют настоящие лёгкие и дышат атмосферным воздухом. Африканский протоптер на время засухи зарывается в ил, выделяет слизистый кокон и проводит в нём месяцы, а по некоторым наблюдениям и годы, дожидаясь дождя.
Анабас, рыба-ползун, дышит особым наджаберным органом и способен переползать по суше из высыхающего водоёма в соседний. Илистый прыгун подолгу сидит на отмели и дышит кожей и слизистой рта. Вьюн заглатывает воздух и усваивает кислород стенками кишечника — перед грозой он от этого суетится и всплывает, за что его прозвали живым барометром.
А карась держит настоящий рекорд. Зимой в промёрзшем пруду, где кислород закончился совсем, он переходит на бескислородный обмен и вырабатывает этиловый спирт, который выводит через жабры. Так он способен прожить без кислорода несколько месяцев — больше, чем любое другое позвоночное животное на Земле.
Рыбы с прозрачной кровью
Отдельное чудо живёт в ледяных водах вокруг Антарктиды. Белокровные рыбы, или ледяные рыбы, единственные среди позвоночных не имеют гемоглобина — того самого вещества, которое делает кровь красной и переносит кислород. Кровь у них почти прозрачная, а жабры белые.
Как они живут? Помогает холод: в ледяной воде растворённого кислорода заметно больше, чем в тёплой. А ещё у этих рыб очень большое сердце, много крови и широкие сосуды — кислород просто растворён в плазме и разносится по телу в таком виде. Решение рискованное, работающее только в антарктическом холоде, но оно работает уже миллионы лет.
Безопасный опыт без рыбы
Налей одинаковую воду в две одинаковые банки. Одну поставь в тепло, другую — в холодильник на час. Потом достань обе и внимательно посмотри на стенки: в согревшейся воде появятся пузырьки. Это выходит газ, который холодная вода удерживала, а тёплая удержать не может.
Опыт наглядно показывает то, от чего зависит жизнь в реке: чем теплее вода, тем меньше в ней кислорода. Именно поэтому рыба гибнет в жару в обмелевшем пруду и задыхается подо льдом в конце зимы. Точных измерений пузырьки не дают — для этого нужен датчик. Животных в опыт не помещай.
Главная разгадка
Рыбы дышат кислородом, растворённым в воде, а не разбирают саму воду. Жабры справляются с бедной средой благодаря огромной площади, тончайшим стенкам и встречному движению воды и крови — оно позволяет забрать до восьмидесяти процентов кислорода. А там, где не хватает и этого, рыбы обзавелись лёгкими, кишечным дыханием и даже умением жить без кислорода вовсе.
Коротко для доклада
- Рыбы дышат кислородом, растворённым в воде; разложить молекулу воды жабры не могут.
- В воде кислорода примерно в тридцать раз меньше, чем в воздухе, а прокачивать её тяжелее.
- Жабры устроены из лепестков и пластинок: огромная площадь и очень тонкая стенка.
- Кровь в жабрах течёт навстречу воде — противоток позволяет забрать до 80 процентов кислорода, тогда как лёгкие человека берут около 25.
- На воздухе жаберные пластинки слипаются и подсыхают, поэтому рыба задыхается при избытке кислорода вокруг.
- Двоякодышащие рыбы имеют лёгкие, вьюн дышит кишечником, а карась зимой месяцами живёт вообще без кислорода.
- У антарктических белокровных рыб нет гемоглобина, и кровь у них почти прозрачная.
Читайте также
Продолжи маршрут: как киты дышат под водой. Затем открой следующее расследование: кто живёт на дне океана.