Когда мы говорим про дыхание у животных, важно понять: это не только вдох и выдох. В биологии под дыханием понимают два связанных процесса. Первый — это внешний газообмен, то есть обмен кислородом и углекислым газом между организмом и окружающей средой. Второй — это клеточное дыхание, где в каждой клетке питательные вещества «сгорают» с участием кислорода, высвобождая энергию для движения, роста и работы органов. В результате образуется углекислый газ и вода, а тепло поддерживает температуру тела. Поэтому дыхание — это путь кислорода от воздуха или воды к клетке и путь углекислого газа обратно наружу.

У разных животных развились разные органы дыхания, но принципы у всех похожи. Эффективный газообмен возможен там, где дыхательная поверхность: тонкая, влажная, имеет большую площадь и хорошо снабжается кровью или другим транспортным раствором. В воздухе кислорода много и он легче диффундирует, поэтому наземные животные используют лёгкие или трахейную систему. В воде кислорода меньше, а сама вода густая и тяжёлая для перекачивания — отсюда у рыб и многих водных беспозвоночных возникают жабры, устроенные так, чтобы выжать максимум кислорода из каждого литра воды. Важно также наличие механизма вентиляции: движение воды или воздуха по дыхательной поверхности. Без этого газ у поверхности быстро «заканчивается», и диффузия замедляется.

Самая простая форма дыхания — через поверхность тела. У одноклеточных организмов и очень маленьких животных (например, у плоских червей) кислород просто диффундирует через всю площадь тела к клеткам, а углекислый газ уходит наружу. Но как только организм становится крупнее, одной поверхности недостаточно. Тогда появляются специализированные структуры. Классический пример — дождевой червь. Он осуществляет кожное дыхание: кожа у него тонкая, влажная, богатая капиллярами. Если кожа высыхает, газообмен резко ухудшается — отсюда и привычка червей держаться во влажной почве. У земноводных, например у лягушек, кожа тоже участвует в дыхании, особенно в воде или зимой, когда животное зимует и обмен веществ снижается.

В воде высокоэффективны жабры. У костных рыб жабры расположены по бокам головы и прикрыты жаберными крышками. Внутри — ряды жаберных лепестков и пластинок, пронизанных густой сетью капилляров. Вода проходит через рот в жаберную полость и выходит под крышкой, омывая поверхности, по которым течет кровь. Важная особенность — встречные потоки воды и крови: вода идет в одном направлении, кровь — в противоположном. Это помогает удерживать разницу концентраций кислорода по всей длине лепестков и «выжимать» из воды максимум кислорода. У акул крышек нет, и часть видов дышит «на ходу», прогоняя воду через рот — так называемая токовая вентиляция. Жабры есть и у многих беспозвоночных: у раков — жабры на ножках в жаберной камере, у моллюсков — перистые гребни в мантийной полости. Интересная жизненная ситуация — зима под льдом: кислорода в воде становится мало. Рыбы замедляют движение, снижают потребление кислорода; иногда собираются у полыньев, где уровень кислорода выше.

У насекомых другая стратегия — они дышат не кровью, а воздухом напрямую. Их трахеи — это система тонких воздушных трубочек. Воздух входит через отверстия на боках тела — стигмы (или дыхальца), затем по широким трахеям попадает в всё более тонкие трахеолы, которые подводят кислород прямо к клеткам. Благодаря этому насекомые активны и быстры, ведь газу не нужно долго растворяться и путешествовать в крови. Но есть и тонкость: через дыхальца может уходить вода, поэтому насекомые умеют их закрывать, а некоторые «качают» воздух сокращениями брюшка. В воде личинки стрекоз дышат расширениями прямой кишки с бахромой тонких выростов — своеобразными жабрами, а водомерки и жуки-плавунцы используют пузырьки воздуха под крыльями или специальный «дыхательный панцирь» (пласторон), удерживающий тонкую пленку воздуха на теле.

Наземные позвоночные перешли к дыханию лёгкими. У земноводных они простые, похожие на мешочки с небольшими перегородками; воздух загоняется в них с помощью «ротового насоса» — лягушка набирает воздух в ротовую полость и «продавливает» его в лёгкие. Кожа у них по-прежнему важна. У пресмыкающихся лёгкие сложнее: внутри больше перегородок, площадь поверхности больше, а вентилирование происходит за счет движения рёбер и грудной клетки. У птиц самая эффективная система: кроме лёгких, у них есть воздушные мешки — эластичные резервуары, благодаря которым воздух движется через лёгкие почти постоянно в одном направлении, а газообмен идёт в парабронхах без «застойной зоны». На вдохе и выдохе через лёгкие у птицы проходит свежий воздух — это помогает летать на высоте и быть выносливыми. У млекопитающих, включая человека, лёгкие состоят из множества мельчайших пузырьков — альвеол. Их стенка очень тонкая, с густой капиллярной сетью; общая площадь — десятки квадратных метров. Воздух поступает по трахее, бронхам и бронхиолам, а вентилирование обеспечивают грудные мышцы и диафрагма, куполообразная мышца под лёгкими.

Чтобы кислород дошёл до клеток, большинству животных нужна кровь как транспортная система. В крови позвоночных есть красные клетки — эритроциты, содержащие гемоглобин. Этот белок связывает кислород в лёгких или жабрах и отдаёт его тканям. Цвет крови меняется: насыщенная кислородом — ярко-красная, венозная — темнее. Углекислый газ транспортируется главным образом в виде растворённых ионов гидрокарбоната, частично — связанным с белками. В мышцах некоторых животных есть ещё один кислородсвязывающий белок — миоглобин; у ныряющих млекопитающих (тюленей, китов) его особенно много, благодаря чему они запасают кислород в тканях и могут долго оставаться под водой. У насекомых в трахейной системе кровь (гемолимфа) почти не участвует в переносе газов — это отличает их от позвоночных.

Работа дыхательной системы регулируется автоматически. Главный «контролёр» — содержание углекислого газа в крови и тканях. Когда его становится больше, дыхательный центр в мозге усиливает частоту и глубину дыхания, чтобы вывести избыток газа и получить больше кислорода. При физической нагрузке дыхание учащается и углубляется, чтобы покрыть возросшие потребности мышц. У теплокровных животных (птиц и млекопитающих) обмен веществ высокий, поэтому они дышат чаще и активнее, чем холоднокровные животные при той же температуре. У пресмыкающихся и амфибий с понижением температуры окружающей среды скорость клеточного дыхания падает, и дыхание замедляется. Есть и поведенческие механизмы: собака при перегреве часто дышит, испаряясь языком, — так она охлаждается.

Природа придумала множество приспособлений к различным условиям. В горах воздух разрежён, и кислорода меньше — у высокогорных животных повышено содержание гемоглобина и эритроцитов, увеличена ёмкость лёгких. У ныряльщиков-сутеней и китов во время погружения замедляется сердцебиение, кровь «перераспределяется» к жизненно важным органам, а лёгкие частично спадают, чтобы избежать «азотной болезни» и уменьшить плавучесть. Пустынные грызуны дышат редко и экономно, их носовые ходы устроены так, чтобы возвращать влагу из выдыхаемого воздуха. Рыбы в пересыхающих водоёмах (например, протоптеры — двоякодышащие) способны переходить на дыхание лёгкими и пережидать засуху в норе в состоянии покоя. Зимой многие амфибии зимуют на дне водоёмов, дыша кожей, или закапываются в землю, резко снижая обмен веществ.

Исторически переход от воды к суше потребовал перестроить дыхание. Первые позвоночные имели простые мешковидные лёгкие как дополнительный орган к жабрам — это помогало выживать в тёплых болотистых водоёмах, бедных кислородом. Постепенно лёгкие усложнялись, появлялись перегородки и развитая грудная клетка. У птиц возникла уникальная система воздушных мешков, делавшая дыхание сверхэффективным — важное условие для полёта. Так эволюция показывает, как среда и образ жизни формируют органы дыхания и их работу.

Проверить, как это работает на практике, можно простыми и безопасными наблюдениями. Рассмотрите в аквариуме рыбу: видны ли движения жаберных крышек? Попробуйте посчитать за минуту, как часто они открываются — при тёплой воде частота обычно выше, чем в прохладной. У домашней собаки или кошки можно заметить, что после активной игры дыхание учащается — организм догоняет потребность в кислороде. Если есть возможность наблюдать насекомых, обратите внимание на ритмичные движения брюшка у кузнечиков — так воздух продвигается по трахеям. С дождевым червём опыт простой: поместите его на сухую бумагу — он быстро попытается уйти во влажную среду, потому что для кожного дыхания необходима влага. Важно помнить про бережное отношение к живым существам: наблюдаем, но не вредим.

На дыхание сильно влияет состояние среды. Загрязнение воды уменьшает растворённый кислород, из-за чего рыбы и беспозвоночные гибнут; цветение водоёмов (эвтрофикация) ночами «съедает» кислород, вызывая заморы. Нефтяные плёнки мешают газообмену на поверхности. Загрязнение воздуха сажей и токсинами вредно для птиц и млекопитающих: мельчайшие частицы оседают в дыхательных путях, а газы раздражают слизистые. Амфибии особенно чувствительны к чистоте воды и воздуха, потому что у них важное кожное дыхание. Поэтому забота об экологии — это не только красота природы, но и здоровье дыхательных систем множества животных.

Чтобы уверенно разбираться в теме «дыхание у животных», используйте простой алгоритм анализа любого вида:

1. Определите среду обитания: вода, суша, переходные условия.
2. Назовите главный орган: жабры, лёгкие, трахеи, кожа.
3. Опишите вентиляцию: как продвигается вода или воздух (движение крышек, рёбер, диафрагмы, брюшка).
4. Укажите, как газы транспортируются по организму: кровь с гемоглобином или прямое поступление к клеткам.
5. Перечислите приспособления к условиям: экономия воды, ныряние, жизнь в горах, зимовка.

Важно развеять пару распространённых заблуждений. Рыбы не «дышат водой» — им нужен растворённый в воде кислород, который они извлекают жабрами. Насекомые не переносят кислород кровью — у них он по трахеям поступает прямо к тканям. А ещё в организме животных возможны кратковременные периоды частичного анаэробного распада питательных веществ, например при очень интенсивной мышечной работе, когда кислорода не хватает: тогда образуется молочная кислота, и мышцы устают. После отдыха и глубокого дыхания кислородный долг «погашается», и продукты распада утилизируются. Это наглядно показывает связь внешнего дыхания, кровообращения и клеточного дыхания.

• Газообмен эффективен, если поверхность тонкая, влажная, большая и хорошо кровоснабжена.
• В воде преобладают жабры; у насекомых — трахеи; у наземных позвоночных — лёгкие, у амфибий дополнительно работает кожа.
• Перенос газов чаще всего обеспечивает кровь с гемоглобином; исключение — трахейная система насекомых.
• Регуляция дыхания зависит от уровня углекислого газа и потребности в энергии.
• Приспособления к среде — от воздушных мешков у птиц до запасов миоглобина у ныряющих млекопитающих — отражают образ жизни вида.

Итак, дыхание — это слаженная работа органов, транспортных систем и клеточных механизмов. Поняв путь кислорода от внешней среды до клетки и обратно, вы легко объясните, почему рыбе трудно на суше, а насекомое может быстро бегать без «красной» крови, почему птица летает высоко, а лягушка нуждается в чистой воде. Это не набор разрозненных фактов, а логичная система, в которой каждый элемент — от структуры альвеолы до движения жаберной крышки — служит одной цели: обеспечить клетки кислородом и убрать углекислый газ, чтобы организм получал энергию и оставался живым.