Как дышать под водой? Способы получения кислорода живыми существами
Все живые существа, даже рыбы, которые живут под водой, нуждаются в кислороде. С его помощью они получают из пищи необходимую энергию для жизнедеятельности.
Рыбы способны получать кислород из воды. Они пропускают воду через специальные органы — жабры. В жабрах содержатся клетки, которые отвечают за обеспечение газообмена. Поэтому кислород, который содержится в воде, поступает через жабры в кровь, а затем разносится по всему телу. В свою очередь, собирающийся в организме углекислый газ также поступает в жабры и выходит в воду.
Жабры еще бывают наружными, например, у головастиков. Когда головастик вырастает, у него развиваются легкие. Потребность в жабрах отпадает и они редуцируются.
Не совсем точно говорить, что рыбы не живут без воды. Во всяком случае к некоторым видам рыб это не относится.
Так, южноамериканский панцирный сомик способен несколько часов обходиться без воды. Если места обитания сомика пересыхают, то он движется с помощью крепких плотных плавников по илу и находит водоем. При этом рыба заглатывает воздух и может так дышать до четырех часов. Воздух попадает в кишечник, а оттуда поступает в плавательный пузырь.
Также к кишечному дыханию приспособился вьюн обыкновенный из семейства карпообразных.
Обыкновенный вьюн Фото: George Chernilevsky, ru.wikipedia.org
А африканские двоякодышащие рыбы, такие как чешуйчатник, могут жить без воды и вовсе несколько месяцев, если не лет. Если их родное озеро или река пересыхают, то рыбы зарываются в ил и находятся в таком состоянии, пока не пойдет дождь. Рыба словно находится в футляре, оставляя себе место только для рта.
Подобное поведение отмечается также у индийского окуня-ползуна. Во время засухи окунь зарывается в ил и ждет благоприятной погоды. Дышит он также через жабры, но подходит для него и атмосферный воздух (он попадает на жабры, а от них поступает в кровь).
У угря дыхание обеспечивается через кожу. Периодически угорь может покидать свой родной водоем и отправляться на охоту в близлежащие луга. Правда, делает это он только в те ночи, когда на траве много росы.
Класс двоякодышащих, к которым относятся саламандры, лягушки, жабы и тритоны, интересен тем, что мальки имеют жабры, а взрослые особи дышат уже с помощью легких. Лягушки, кстати, способны получать кислород также через кожу.
Насекомые, обитающие в воде, часто «носят» свой кислород с собой. Так, к примеру, водяной паук приносит под воду пузырек воздуха и с помощью паутины закрепляет его на стеблях водорослей. В этот подводный дом паук и приносит пойманную добычу.
Жуки-карусельщики, спускаясь под воду в поисках пищи, кладут под крылья пузырек воздуха. Подобно аквалангистам, они погружаются на несколько минут под воду и дышат взятым с собой воздухом.
Личинки и куколки комаров обитают в воде, но дышат атмосферным воздухом. Его они получают через особые дыхательные трубки, которые имеют на теле. Личинки находятся под водой, а трубки выставляют на поверхность.
Живая природа удивительна и неповторима! Оказывается, даже те животные, что приспособлены лишь для жизни в воде, могут выживать и на земле, а те, которые живут на суше и дышат атмосферным воздухом, способны также дышать под водой.
Автор: Вера Иванчикова
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник
Как дышать под водой? Способы получения кислорода живыми существами
Все живые существа, даже рыбы, которые живут под водой, нуждаются в кислороде. С его помощью они получают из пищи необходимую энергию для жизнедеятельности.
Рыбы способны получать кислород из воды. Они пропускают воду через специальные органы — жабры. В жабрах содержатся клетки, которые отвечают за обеспечение газообмена. Поэтому кислород, который содержится в воде, поступает через жабры в кровь, а затем разносится по всему телу. В свою очередь, собирающийся в организме углекислый газ также поступает в жабры и выходит в воду.
Жабры еще бывают наружными, например, у головастиков. Когда головастик вырастает, у него развиваются легкие. Потребность в жабрах отпадает и они редуцируются.
Не совсем точно говорить, что рыбы не живут без воды. Во всяком случае к некоторым видам рыб это не относится.
Так, южноамериканский панцирный сомик способен несколько часов обходиться без воды. Если места обитания сомика пересыхают, то он движется с помощью крепких плотных плавников по илу и находит водоем. При этом рыба заглатывает воздух и может так дышать до четырех часов. Воздух попадает в кишечник, а оттуда поступает в плавательный пузырь.
Также к кишечному дыханию приспособился вьюн обыкновенный из семейства карпообразных. Он обитает в болотах, где часто кислорода недостаточно, поэтому наряду с жабрами вьюн может дышать по-иному. Долгое время в поисках водоема проводит и илистый прыгун.
Фото: George Chernilevsky, ru.wikipedia.org
А африканские двоякодышащие рыбы, такие как чешуйчатник, могут жить без воды и вовсе несколько месяцев, если не лет. Если их родное озеро или река пересыхают, то рыбы зарываются в ил и находятся в таком состоянии, пока не пойдет дождь. Рыба словно находится в футляре, оставляя себе место только для рта.
Подобное поведение отмечается также у индийского окуня-ползуна. Во время засухи окунь зарывается в ил и ждет благоприятной погоды. Дышит он также через жабры, но подходит для него и атмосферный воздух (он попадает на жабры, а от них поступает в кровь).
У угря дыхание обеспечивается через кожу. Периодически угорь может покидать свой родной водоем и отправляться на охоту в близлежащие луга. Правда, делает это он только в те ночи, когда на траве много росы.
Класс двоякодышащих, к которым относятся саламандры, лягушки, жабы и тритоны, интересен тем, что мальки имеют жабры, а взрослые особи дышат уже с помощью легких. Лягушки, кстати, способны получать кислород также через кожу.
Насекомые, обитающие в воде, часто «носят» свой кислород с собой. Так, к примеру, водяной паук приносит под воду пузырек воздуха и с помощью паутины закрепляет его на стеблях водорослей. В этот подводный дом паук и приносит пойманную добычу.
Жуки-карусельщики, спускаясь под воду в поисках пищи, кладут под крылья пузырек воздуха. Подобно аквалангистам, они погружаются на несколько минут под воду и дышат взятым с собой воздухом.
Личинки и куколки комаров обитают в воде, но дышат атмосферным воздухом. Его они получают через особые дыхательные трубки, которые имеют на теле. Личинки находятся под водой, а трубки выставляют на поверхность.
Живая природа удивительна и неповторима! Оказывается, даже те животные, что приспособлены лишь для жизни в воде, могут выживать и на земле, а те, которые живут на суше и дышат атмосферным воздухом, способны также дышать под водой.
Источник
Дыхание под водой – возможно!
Тема жидкостного дыхания давно волнует умы людей – сначала фантастов, а затем и серьёзных учёных. Как выяснилось после долгих лет исследований, наши лёгкие всё же способны работать наподобие рыбьих жабр: для этого необходимо заполнить их специальной жидкостью, которая будет регулярно обновляться. Эти разработки являются победой человека над силами природы и законами физики, а понятие кессонной болезни скоро безнадёжно устареет.
Декомпрессионная, или кессонная болезнь, известна с середины 19 века. Заболевание связано с тем, что в баллонах со сжатым воздухом, которыми пользуются водолазы, находится обычный по составу воздух. В нём содержится всего 20% кислорода, который наш организм полностью использует и перерабатывает в углекислый газ. Остальные 80% составляют, в основном, азот, гелий, водород и незначительные примеси. Когда дайвер быстро поднимается из глубины моря на поверхность, давление этих балластных газов изменяется. В результате они начинают выделяться в виде пузырьков в кровь и разрушать стенки клеток и кровеносных сосудов, блокировать кровоток. При тяжёлой форме декомпрессионная болезнь может привести к параличу или смерти.
Поэтому увлечённые дайвингом люди долгое время не могли себе позволить нырять глубже 70 метров, потому что это крайне опасно. На большие глубины способны погружаться лишь уникальные специалисты — их всего несколько человек в мире. Мировой рекордсмен здесь — южно-африканец Нуно Гомес. Его погружение в 2005 году на глубину 318 метров заняло всего 14 минут, тогда как подъём продолжался около 12 часов. При этом Гомес потратил 35 баллонов (почти 450 литров) сжатого воздуха.
Группа риска включает в себя не только дайверов и рабочих, работающих в кессонах (камерах с повышенным давлением, обычно использующиеся для строительства туннелей под реками и закрепления в донном грунте опор мостов), но и пилотов на большой высоте, а так же космонавтов, использующих для выхода в открытый космос костюмы, поддерживающие низкое давление. К сожалению, заменить дыхательную смесь чистым кислородом – тоже не вариант. Он вызывает головные боли и общую слабость, а при продолжительном использовании наступает перекисное окисление липидов и активацию свободнорадикального окисления, что приводит к истощению антиоксидантов и возникновению окислительного стресса организма. А это уже практически 100%-ный риск развития онкологических заболеваний.
Первые опыты, связанные с дыханием при помощи жидкости, были проведены в 1966 году на мышах. Кларк Леланд осуществил замену воздуха в легких у подопытных животных жидкими перфторуглеродными соединениями. Результаты были вполне удачными — мыши смогли дышать, будучи погруженными в жидкость на несколько часов, а затем снова дышать воздухом. Уже более 20 лет неонатологи используют подобные технологи для ухода за недоношенными младенцами. Лёгочная ткань таких детишек к рождению сформирована не до конца, поэтому с помощью специальных устройств дыхательную систему насыщают как раз кислородсодержащим раствором на основе перфторуглеродов.
Эти вещества представляют собой углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Перфторуглероды обладают аномально высокой способностью растворять газы, например, кислород и углекислый газ. Они так же высокоинертны и не метаболизируются в организме, что позволяет использовать их не только для вентиляции лёгких, но даже в качестве искусственной крови. В последние год ведутся исследования по улучшению свойств дыхательной жидкости: новая формула получила название «перфлуброн» Это чистая, маслянистая жидкость, обладающая малой плотностью. Так как у нее весьма низкая температура кипения, она быстро и легко выводится (испаряется) из легких.
К погружению готов!
Арнольд Лэнди (Arnold Lande), бывший хирург, а ныне обычный американский пенсионер-изобретатель, зарегистрировал патент на водолазный костюм, оснащенный баллоном с «жидким воздухом». Оттуда он подаётся в шлем дайвера, заполняет собой все пространство вокруг головы, вытесняет воздух из легких, полостей носоглотки и ушей, насыщая легкие человека достаточным количеством кислорода. В свою очередь, углекислый газ, который выделяется в процессе дыхания, выходит наружу при помощи своеобразного подобия жабр, прикрепленных к бедренной вене ныряльщика.
Таким образом сам процесс дыхания становится попросту не нужен – кислород поступает в кровь через легкие, а углекислый газ выводится прямо из крови. Да и давление толщи воды на по-настоящему большой глубине слишком большое: пытаясь сделать вдох где-нибудь на дне Марианской впадины, водолаз рискует сломать рёбра. Так что во главе угла теперь стоит психологический момент: нужно отучить водолазов дышать, при этом не испытывая вполне понятной тревоги. Для этого дайверам потребуется проходить курс обучения, и только приобретя все необходимые навыки, из бассейна отправляться в «открытое плавание».
«Моё изобретение позволяет полностью избежать развития кессонной болезни, поскольку вдыхаемая жидкость не содержит азота, гелия и водорода, собственно и образующих пузырьки, закупоривающих сосуды и приводящих к серьезным поражениям внутренних органов», -торжествующе заявил Арнольд Лэнди, выступая на Международной конференции по прикладной бионике и биомеханике, состоявшейся в Италии.
Таким образом, изобретатель сделал ценный подарок не только одним лишь покорителям морских глубин. Предполагается, что жидкостное дыхание так же может быть успешно использовано при космических полётах и в качестве одного из средств комплексной терапии некоторых болезней. Порадоваться могли бы и защитники природы: к примеру, печально известный разрыв на нефтяной скважине в Мексиканском заливе произошёл на глубине полторы тысячи метров, что многовато даже для техники. А вот дайверы, дышащие как рыбы, смогли бы в данной ситуации быстро справиться с ремонтом.
Источник
Как рыба в воде. Может ли человек дышать жидкостью и зачем это нужно
Недавно Научно-технический совет государственного Фонда перспективных исследований одобрил «проект по созданию технологии спасения подводников свободным всплытием с использованием метода жидкостного дыхания», реализацией которого должен заняться московский Институт медицины труда (на момент написания статьи руководство института было недоступно для комментариев). «Чердак» решил разобраться, что скрывается за таинственным словосочетанием «жидкостное дыхание».
Наиболее впечатляюще жидкостное дыхание показано в фильме Джеймса Кэмерона «Бездна».
Правда, в таком виде опыты на людях еще никогда не проводились. Но в целом ученые не сильно уступают Кэмерону по части исследования этого вопроса.
Первым, кто показал, что млекопитающие в принципе могут получать кислород не из смеси газов, а из жидкости, был Йоханнес Килстра (Johannes Kylstra) из медицинского центра университета Дьюка (США). Вместе с коллегами он в 1962 году опубликовал работу «Мыши как рыбы» (Of mice as fish) в журнале Transactions of American Society for Artificial Internal Organs.
Килстра и его коллеги погружали мышей в физраствор. Чтобы растворить в нем достаточное для дыхания количество кислорода, исследователями «вгоняли» газ в жидкость под давлением до 160 атмосфер — как на глубине 1,5 километра. Мыши в этих экспериментах выживали, но не очень долго: кислорода в жидкости было достаточно, а вот сам процесс дыхания, втягивания и выталкивания жидкости из легких требовал слишком больших усилий.
Стало понятно, что нужно подобрать такую жидкость, в которой кислород будет растворяться намного лучше, чем в воде. Требуемыми свойствами обладали два типа жидкостей: силиконовые масла и жидкие перфторуглероды. После экспериментов Леланда Кларка (Leland Clark), биохимика из медицинской школы университета Алабамы, в середине 1960-х годов выяснилось, что оба типа жидкостей можно использовать для доставки кислорода в легкие. В опытах мышей и кошек полностью погружали и в перфторуглероды, и в силиконовые масла. Однако последние оказались токсичны — подопытные звери погибали вскоре после эксперимента. А вот перфторуглероды оказались вполне пригодны для использования.
Перфторуглероды были впервые синтезированы в ходе Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы: ученые искали вещества, которые бы не разрушались при взаимодействии с соединениями урана, и они проходили под кодовым названием «вещества Джо» (Joe’s stuff). Для жидкостного дыхания они подходят очень хорошо: «вещества Джо» не взаимодействуют с живыми тканями и прекрасно растворяют газы, в том числе кислород и углекислый газ при атмосферном давлении и нормальной температуре человеческого тела.
Килстра и его коллеги исследовали технологию жидкостного дыхания в поисках технологии, которая бы позволяла людям погружаться и всплывать на поверхность, не опасаясь развития кессонной болезни. Быстрый подъем с большой глубины с запасом сжатого газа очень опасен: газы лучше растворяются в жидкостях под давлением, поэтому по мере того, как водолаз всплывает, растворенные в крови газы, в частности азот, образуют пузырьки, которые повреждают кровеносные сосуды. Результат может быть печальным, вплоть до смертельного.
В 1977 году Килстра представил в Военно-морское министерство США заключение, в котором писал, что, по его расчетам, здоровый человек может получать необходимое количество кислорода при использовании перфторуглеродов, и, соответственно, их потенциально возможно использовать вместо сжатого газа. Ученый указывал, что такая возможность открывает новые перспективы для спасения подводников с больших глубин.
Эксперименты на людях
На практике техника жидкостного дыхания, к тому времени получившая название жидкостной вентиляции легких, была применена на людях всего один раз, в 1989 году. Тогда Томас Шаффер (Thomas Shaffer), педиатр из медицинской школы Темпльского университета (США), и его коллеги использовали этот метод для спасения недоношенных младенцев. Легкие зародыша в утробе матери заполнены жидкостью, а когда человек рождается и начинает дышать воздухом, тканям легких на протяжении всей оставшейся жизни не дает слипаться смесь веществ, называемая легочным сурфактантом. У недоношенных младенцев он не успевает накопиться в нужном количестве, и дыхание требует очень больших усилий, что чревато летальным исходом. В тот раз, правда, жидкостная вентиляция младенцев не спасла: все трое пациентов вскоре умерли, однако этот печальный факт был отнесен на счет других причин, а не на счет несовершенства метода.
Больше экспериментов по тотальной жидкостной вентиляции легких, как эта технология называется по-научному, на людях не проводилось. Однако в 1990-х годах исследователи модифицировали метод и проводили на пациентах с тяжелым воспалительным поражением легких эксперименты по частичной жидкостной вентиляции, при которой легкие заполняются жидкостью не полностью. Первые результаты выглядели обнадеживающими, но в конечном счете до клинического применения дело не дошло — оказалось, что обычная вентиляция легких воздухом работает не хуже.
Патент на фантастику
В настоящее время исследователи вернулись к идее использования полной жидкостной вентиляции легких. Однако фантастическая картина водолазного костюма, в котором человек будет дышать жидкостью вместо специальной смеси газов, далека от реальности, хотя и будоражит воображение публики и умы изобретателей.
Так, в 2008 году отошедший от дел американский хирург Арнольд Ланде (Arnold Lande) запатентовал водолазный костюм с использованием технологии жидкостной вентиляции. Вместо сжатого газа он предложил использовать перфторуглероды, а избыток углекислоты, которая будет образовываться в крови, выводить при помощи искусственных жабр, «воткнутых» прямо в бедренную вену водолаза. Изобретение получило некоторую известность после того, как о нем написало издание The Inpependent.
Как считает специалист по жидкостной вентиляции из Шербрукского университета в Канаде Филипп Мишо (Philippe Micheau), проект Ланде выглядит сомнительным. «В наших экспериментах (Мишо и его коллеги проводят эксперименты на ягнятах и крольчатах со здоровыми и поврежденными легкими — прим. «Чердака») по тотальному жидкостному дыханию животные находятся под анестезией и не двигаются. Поэтому мы можем организовать нормальный газообмен: доставку кислорода и удаление углекислого газа. Для людей при физической нагрузке, такой как плавание и ныряние, доставка кислорода и удаление углекислоты будут проблемой, так как выработка углекислоты в таких условиях выше нормы», — прокомментировал Мишо. Ученый также отметил, что технология закрепления «искусственных жабр» в бедренной вене ему неизвестна.
Главная проблема «жидкостного дыхания»
Более того, Мишо считает саму идею «жидкостного дыхания» сомнительной, поскольку для «дыхания» жидкостью человеческая мускулатура не приспособлена, а эффективная система насосов, которая бы помогала закачивать и выкачивать жидкость из легких человека, когда он двигается и выполняет какую-то работу, до сих пор не разработана.
«Я должен заключить, что на современном этапе развития технологий невозможно разработать водолазный костюм, используя метод жидкостной вентиляции», — считает исследователь.
Однако применение этой технологии продолжает исследоваться для других, более реалистичных целей. Например, для помощи утонувшим, промывания легких при различных заболеваниях или быстрого понижения температуры тела (применяется в случаях реанимации при остановке сердца у взрослых и новорожденных с гипоксически-ишемическим поражением мозга).
Екатерина Боровикова
Источник
