Как рыбы получают кислород через жабры

Жабры позволяют рыбе забирать кислород, растворённый в воде, и передавать его крови. Для этого вода проходит возле тонких дыхательных поверхностей, а кровь движется внутри них. Между потоками остаётся тканевая перегородка: рыба не набирает воду в кровеносные сосуды. У многих костных рыб движение воды поддерживают согласованные движения рта и жаберных крышек, поэтому дышать можно и без постоянного плавания вперёд.

Вода содержит кислород, но жабры не расщепляют её

Растворённый кислород и кислород в составе самой воды — разные вещи. Рыба использует молекулы кислорода, находящиеся в воде, а не разбирает молекулу воды на составные части. Поэтому большой объём воды сам по себе ещё не означает хороший запас доступного кислорода.

Представьте два одинаковых сосуда: внешне вода может выглядеть одинаково прозрачной, но содержание растворённого газа в них способно различаться. Жабры получают доступ к тому, что действительно присутствует в окружающей воде. Это помогает понять, почему объяснение дыхания нельзя свести к размеру аквариума или силе движения жаберной крышки.

Тонкие пластинки увеличивают поверхность обмена

Жабра состоит не из одной сплошной плёнки. На её нитях расположены многочисленные небольшие пластинки, которые называют вторичными жаберными лепестками. Вода проходит между ними, а кровь движется по внутренним пространствам. Множество тонких пластинок даёт большую площадь контакта в сравнительно небольшом органе.

Электронная микроскопия жабр рыбы из семейства тресковых показала две наружные тканевые поверхности и поддерживающие клетки между ними. Эти клетки помогают сохранять устройство пространства, по которому проходит кровь. Дыхательная поверхность одновременно должна оставаться тонкой и выдерживать движение жидкостей: это работа живой ткани, а не отверстие, через которое вода свободно вливается внутрь рыбы.

Кислород проходит через перегородку благодаря разнице условий по обе стороны. Такое перемещение называют диффузией. Кровь уносит поступивший кислород дальше по организму, а возле жабры должна появляться новая вода. Если представить пластинки как страницы книги, важно помнить: это только сравнение формы, настоящие лепестки снабжены кровью и работают в воде.

Рот и жаберные крышки создают движение воды

У костных рыб жабры прикрыты крышками. Изменение объёма полости рта и пространства под крышками создаёт разницу давления, которая перемещает воду через жаберный аппарат. Во время согласованного цикла одна часть системы помогает проталкивать воду, другая — поддерживать её поступление к выходу.

Исследования давления и движений у пресноводных и морских рыб показали, что относительный вклад этих частей различается. Поэтому наблюдаемое открывание рта не является единственным действием дыхательной системы. Движение крышки тоже участвует в работе, а похожие внешние движения у разных видов не обязательно означают одинаковый поток.

Нельзя превращать эту схему в правило для любой рыбы без исключений. В частности, у гиринохейлуса устройство рта позволяет удерживаться на поверхности, одновременно сохраняя отдельный путь движения воды для дыхания. Такое приспособление не отменяет обмен через жабры, но меняет привычную картину «вода обязательно входит через открытый рот».

Встречное движение помогает сохранять разницу

В типичной жаберной пластинке направление движения крови противоположно направлению воды. Эту организацию называют противотоком. По пути вода постепенно отдаёт кислород, а кровь постепенно получает его. Встречное направление помогает сохранять условия для перехода кислорода на протяжении дыхательной поверхности.

Это не означает, что рыба извлекает из воды весь кислород. Исследования радужной форели отдельно оценивали эффективность насыщения крови и долю кислорода, удалённого из проходящей воды. Эти показатели описывают разные стороны процесса, поэтому высокий результат одного нельзя пересказывать как полное исчезновение кислорода в другом потоке.

Жаберное дыхание складывается из трёх связанных действий: вода обновляется возле поверхности, кислород переходит через тонкую ткань, кровь уносит его к органам. Видимое движение крышек показывает лишь часть этой работы. По одному такому движению невозможно измерить содержание кислорода или увидеть, насколько успешно идёт обмен внутри жабры.