Setki milionów lat temu bardzo, bardzo odlegli przodkowie ludzi - i wszystkich zwierząt lądowych o kręgosłupie i czterech kończynach - mieli tę zdolność oddychania wodą, ale zaginęli po tym, jak pierwsze oddychające powietrzem stworzenia zaczęły żyć na lądzie w pełnym wymiarze godzin . Dzisiaj ludzie mogą oddychać wodą tylko za pomocą specjalnego sprzętu - lub w filmach takich jak „Aquaman” (Warner Bros. Pictures), o postaciach z komiksów o unikalnych zdolnościach podwodnych.
Wiedza w komiksach wyjaśnia, w jaki sposób pół-człowiek, pół-atlantycki hybrydowy Aquaman (Jason Momoa) i wszyscy jego wyglądający na ludzi atlantyccy kuzyni mogą oddychać w głębinach oceanu - wspomniano o „skrzelach”, choć nie są widoczne, a szczegóły pozostawia wyobraźni widza. Ale w jaki sposób stworzenia z prawdziwego świata oddychają w wodnym otoczeniu?
Tak się składa, że w większości mórz, jezior i rzek planety jest dużo rozpuszczonego tlenu, chociaż nasze oddychające powietrzem płuca po prostu nie mogą go przetworzyć. Ale światowi mieszkańcy wody opracowali kilka innych metod dostępu do tlenu w wodzie, eksperci powiedział Live Science.
Starożytna technika
Niektóre zwierzęta, takie jak meduza, absorbują tlen w wodzie bezpośrednio przez skórę. Jama żołądkowo-naczyniowa w ich ciałach służy podwójnemu celowi: trawieniu żywności oraz przemieszczaniu tlenu i dwutlenku węgla, Rebecca Helm, adiunkt na University of North Carolina, Asheville, powiedziała Live Science.
W rzeczywistości najwcześniejsze formy życia mikroorganizmów na Ziemi, które wykorzystywały tlen, uzyskiwały go w taki sam sposób, jak galaretki - poprzez dyfuzję. Ta forma oddychania prawdopodobnie pojawiła się około 2,8 miliarda lat temu, „jakiś czas po tym, jak sinice zaczęły pompować tlen do atmosfery”, według naukowca oceanu Juli Berwalda, autora „Spineless: The Science of Jellyfish and the Art of Growing a Backbone” (Riverhead Książki, 2017).
„Ponieważ mają tylko zewnętrzną warstwę komórkową i wewnętrzną warstwę komórkową, a ich wnętrza są galaretowe i nie mają komórek, nie potrzebują tak dużo tlenu, jak zwierzęta, które mają rzeczywiste tkanki w środku”, powiedział Berwald w Live Science w email.
Istnieją jednak także wady „oddychania” poprzez dyfuzję.
„Jest znacznie wolniejszy niż stosowanie układu krążenia w celu doprowadzenia tlenu do odległych zakątków ciała. To prawdopodobnie oznacza, że istnieje limit wzrostu dużych meduz” - dodał Berwald.
Metoda tylnych drzwi
Oddychanie przez dyfuzję tlenu na powierzchni ciała występuje również w szkarłupniach - grupie zwierząt morskich, w skład której wchodzą rozgwiazdy, gwiazdy morskie, jeżowce i ogórki morskie.
Gwiazdy morskie pochłaniają tlen, gdy woda przepływa przez guzy na ich skórze zwane grudkami, a przez rowki w innych strukturach zwanych stopami rurowymi, zoolog bezkręgowy Christopher Mah, badacz z Smithsonian National Museum of Natural History w Waszyngtonie, poinformował Live Science.
Niektóre rodzaje płytkich ogórków morskich mają jednak inny rodzaj specjalistycznej adaptacji do oddychania: struktura „drzewiasta” oddechowa zlokalizowana w jamie ciała w pobliżu odbytu. Gdy otwór odbytu ogórka zasysa wodę do jego ciała, drzewo oddechowe wydobywa tlen i wydala dwutlenek węgla.
„Dosłownie wydycha z siebie tyłek” - powiedział Mah.
„Podstawowy plan”
U ryb skrzela okazały się skutecznym układem do oddychania, wykorzystującym sieć naczyń krwionośnych do pobierania tlenu z przepływającej wody i rozpraszania go przez błony skrzeli, zgodnie z Northeast Fisheries Science Center.
W przypadku większości ryb skrzela mają „ten sam podstawowy plan”, powiedział Live Science Solomon David, asystent profesora na Wydziale Nauk Biologicznych na Uniwersytecie Stanowym Nicholls w Luizjanie.
„Zostały stworzone z myślą o przeciwprądowej wymianie gazu - wyciągają tlen i uwalniają odpady” - powiedział David. Ryby wpatrujące się w buzię wytwarzają strumień wody przepływający przez ich skrzela. Powiedział, że czerwonawa, wysoce unaczyniona tkanka wysysa tlen i wydala dwutlenek węgla, „coś w rodzaju naczyń włosowatych w naszych pęcherzykach płucnych”.
Jednak skrzela nie są dokładnie takie same. Według Davida ich struktura może się różnić w zależności od gatunku, w zależności od zapotrzebowania na tlen. Na przykład skrzela szybko pływającego tuńczyka będą się różnić od ryb, które drapieżniki leżą i czekają, takich jak garb aligatora.
„Jeśli jesteś aktywnym drapieżnikiem, który cały czas jest w ruchu, będziesz mieć różne skrzela dla wyższych wymagań tlenowych” - powiedział David.
Dodał, że kształt skrzela może nawet różnić się u osobników tego samego gatunku, w zależności od warunków tlenowych w wodzie, w której żyją. Badania wykazały, że ryby mogą dostosować morfologię skrzeli, gdy ich wodniste środowisko zostanie zanieczyszczone; z czasem ich skrzela stają się bardziej skondensowane, aby oprzeć się zanieczyszczeniom w wodzie.
Niektóre płazy wodne mają również skrzela - rozgałęzione struktury, które wystają na zewnątrz z ich głów. Jest to cecha larwalna płazów, która zanika w miarę dojrzewania większości gatunków, ale salamandry wodne, takie jak syreny, zachowują te zewnętrzne skrzela do dorosłości, Kirsten Hecht, ekolog wodny z School of Natural Resources and Environment na University of Florida, powiedział Live Science w email.
Płucowate - grupa ryb, które oddychają zarówno powietrzem, jak i wodą za pomocą zmodyfikowanego pęcherza pływackiego - mają również skrzela zewnętrzne, gdy są młode, „ale prawie wszystkie gatunki ryb płucnych tracą je przed osiągnięciem dorosłości” - powiedział Hecht.
Artykuł źródłowy na temat Nauka na żywo.
