Как отмечает профессор Карлос Херес дель Валье (Университет Ла-Риохи, Испания), заголовок статьи – одна из тех фраз, которую хочется написать и вопросительно (чтобы превратить ее в вопрос), и восклицательно (как жалобу). Как здорово было бы иметь возможность беззаботно погружаться и нырять, наслаждаясь невероятными сокровищами подводного мира! Источник: The Conversation.
К сожалению, люди не способны дышать без искусственных аппаратов под водой. Короткий объяснение: это все потому, что у нас легкие. Или, другими словами, потому что у нас нет анатомических структур, необходимых для эффективного извлечения кислорода из водной среды.
Эти структуры называются жабрами и присутствуют, например, у рыб. Существуют и другие альтернативы дыханию под водой, наблюдаемые у беспозвоночных, которые не очень активны и имеют низкую потребность в кислороде.
Если сравнивать жаберную систему с нашей дыхательной системой, то первая функционирует достаточно просто. Рыба открывает рот, чтобы проглотить воду и позволить ей выйти по боковым сторонам головы.
У хрящевых рыб (таких как акулы, скаты или манты) этот процесс осуществляется через так называемые жаберные щели. Остальные, известные как костистые рыбы (например, сардины, анчоусы, форель или хек), выбрасывают воду через боковые крышки (жаберные) – язычную структуру, покрывающую и защищающую жабры, которая обычно отмечает заднюю границу рыбьей голова.
Будь то костные или хрящевые рыбы, вода всегда проходит через их жаберные дуги – структуры, на которых расположены пластинки, способные эффективно извлекать растворенный в воде кислород. Если внимательно посмотреть на этот процесс, то можно заметить, что путь воды здесь однонаправленный: она поступает через рот наполненной кислородом, а затем выходит по бокам головы, унося вместе с собой углекислый газ.
Наши легкие не как жабры
Человеческая дыхательная система функционирует совершенно по-другому, поэтому у наших легких есть два основных ограничения при дыхании под водой.
Первое и самое решающее заключается в том, что они не способны эффективно извлекать кислород из воды. Из школьной химии нам известно, что вода содержит много кислорода, поскольку в ее молекулярной структуре на каждый атом кислорода приходится два атома водорода (поэтому мы представляем ее как H₂O). Проблема в том, что этот кислород недоступен ни нам, ни даже рыбам.
Нам необходимый так называемый молекулярный кислород (обозначается как O₂), который присутствует как в воздухе (в концентрации 21%), так и в воде (в пропорции около 1%, если сравнивать с содержанием в воздухе). В результате человеческие легкие не могут эффективно получить доступ к O₂ в воде, тогда как сложная конструкция жаберных нитей-лепестков у рыб способна извлекать 80% растворенного кислорода.
Вторая проблема, с которой пришлось бы столкнуться нашим легким, попытайся мы дышать под водой без специального снаряжения – плотность воды. Если предположить, что мы могли бы получить достаточно кислорода непосредственно из воды, то путь должен быть двунаправленным, т.е. вода должна входить и выходить через одно и то же место (как это делает воздух при дыхании). Однако нашей дыхательной системе не хватит сил на удаление всей этой жидкости, и легкие быстро заполнятся водой, бедной кислородом.
Что касается воздуха, то у него малая плотность, поэтому мы можем без проблем обеспечивать его циркуляцию посредством легочного дыхания, совершая циклические вдохи и выдохи.
Газообмен в альвеолах
Когда воздух поступает через носовые ходы (это более предпочтительно) или через рот, он проходит через глотку и гортань, затем следует через трахею, бронхи и бронхиолы внутрь легких. Там он достигает внутренней части полых мешкообразных структур, известных как альвеолы (в среднем их около 300 миллионов на одно легкое).
Стенки этих альвеол покрыты одним очень тонким слоем клеток, тесно соприкасающихся с кровеносными капиллярами. Концентрация O₂ в атмосферном воздухе настолько высока, что он легко проникает через клеточные мембраны в кровь, стремясь достигнуть баланса в парциальном давлении по обе стороны клеточных мембран (между воздухом и кровью).
Тоже происходит и в отношении углекислого газа, только в обратном направлении: он перемещается из крови в воздух внутри альвеол, чтобы покинуть легкие при следующем выдохе.
В каждом дыхательном цикле мы заставляем воздух поступать и выходить из легких (от 5 до 6 литров в минуту), постоянно обновляя его и обеспечивая снабжение нашего организма кислородом.
Но неспособность к подводному дыханию касается не только людей. Фактически, наша дыхательная система очень похожа на систему остальных амниот – этим словом ученые обозначают всех позвоночных, чей эмбрион развивается плавающим в околоплодных водах благодаря окружающему его слою, называемому амнионом. Т. е. это рептилии, птицы и млекопитающие. Даже морские млекопитающие (такие как киты или дельфины) не могут дышать под водой, им приходится более или менее часто подниматься на поверхность для вдоха, чтобы снабдить организм кислородом.
А вот земноводные находятся на полпути между одной системой дыхания и другой. Фактически, большинство молодых особей у земноводных живут в водной среде, дыша жабрами, которые они утрачивают во взрослом возрасте, чтобы освободить место для рудиментарных легких, нуждающихся в функции кожного дыхания. Поэтому у земноводных слизистая кожа – чтобы дышать через нее.