Су астында балықтар қалай тыныс алады?

Тыныс алу – барлық тірі ағзалар үшін негізгі қажеттіліктердің бірі, өйткені оттегі үздіксіз келмесе, жасушалар бірнеше минут ішінде жойылады. Адам және құрлықтағы жануарлардың көпшілігі бұл міндетті өкпе арқылы шешіп, ауадан оттегін алады. Ал балықтар мүлде басқа тәсілді меңгерген – олар тіршілік ортасын тастамай-ақ, суда еріген оттегін сіңіреді. Дәл осы бейімделу омыртқалы жануарларға планетаның барлық су айдындарын – тау өзендерінен бастап терең мұхит ойыстарына дейін игеруге мүмкіндік берді. Жүздеген миллион жыл бойы эволюция қалыптастырған судағы тыныс алу механизмі соншалықты жетілген, оның кейбір қағидалары бүгінгі күні инженерлерге техникалық құрылғылар жасауда шабыт береді.

Желбезектер – судағы тыныс алудың негізгі құралы

Балықтардың басым бөлігінде газ алмасудың негізгі мүшесі – желбезек. Ол құрлықтағы омыртқалылардың өкпесіне функционалды түрде ұқсас болғанымен, құрылымы мүлде бөлек. Оның құрылысы – миллиондаған жылдық эволюциялық «инженерияның» нәтижесі.

Желбезектер басының екі жағында орналасқан және көптеген түрлерде сүйекті қақпақпен – желбезек қақпағымен қорғалған. Оның астында бірнеше желбезек доғалары бар, олардың әрқайсысында жұқа пластинкалы өсінділер – бастапқы жапырақшалар орналасады. Әрбір жапырақшаның бетінде одан да ұсақ құрылымдар – екінші реттік ламеллалар болады.

Осындай көп деңгейлі құрылым желбезектің негізгі артықшылықтарын қамтамасыз етеді:

• бір балықтағы барлық ламеллалардың жалпы беткі ауданы бірнеше жүзден бірнеше мың шаршы сантиметрге дейін жетеді;
• әрбір ламелланың қабырғасы өте жұқа – бір-екі жасуша қабатынан ғана тұрады, сондықтан газдар еркін өтеді;
• ламеллаларды тығыз торлаған қылтамырлар желісі қанның су бетіне барынша жақын үздіксіз қозғалуын қамтамасыз етеді;
• қанмен жақсы қамтамасыз етілуі сіңірілген оттегін бірден барлық ұлпаларға жеткізеді.

Осы қасиеттердің жиынтығы желбезекті аса тиімді органға айналдырады – кейбір балықтар бір «тыныс алу» кезінде судан еріген оттегінің 80%-ына дейін сіңіре алады. Ал адам өкпесі ауадан шамамен 25% ғана оттегін пайдаланады, сондықтан бұл салыстыру балықтардың пайдасына шешіледі.

Қарсы ағыс принципі – эволюциялық жетілдіру

Желбезек тынысының жоғары тиімділігі тек құрылымымен ғана емес, сонымен қатар ерекше физиологиялық механизммен – қарсы ағыс принципімен түсіндіріледі. Дәл осы жүйе балықтарға судан барынша көп оттегі алуға мүмкіндік береді.

Желбезекте су мен қан қарама-қарсы бағытта қозғалады. Су ауыз арқылы кіріп, ламеллалар бойымен бір бағытта ағады, ал қылтамырлардағы қан оған қарсы бағытта қозғалады. Қарапайым көрінетін бұл шешімнің маңызы өте зор.

Мұны түсіну үшін екі жағдайды салыстыру жеткілікті.

1. Егер су мен қан бір бағытта қозғалып, параллель ағыс болса, газ алмасу тез арада тепе-теңдікке жетеді. Қандағы оттегі мөлшері судағы деңгейге теңелгенде алмасу тоқтайды. Бұл жағдайда қанның оттегімен қанығуы мүмкін шектің шамамен 50%-ынан аспайды.
2. Қарсы ағыс кезінде тепе-теңдік ламелла бойында ешқашан толық орнамайды. Оттегіге бай қан судағы ең жоғары концентрациямен беттеседі, ал оттегі аз қан да өзінен жоғары концентрациядағы сумен байланыста болады. Осылайша концентрация айырмашылығы бүкіл жол бойы сақталып, газ алмасу үздіксіз жүреді.

Осының арқасында балықтар оттегі аз ортада да өмір сүре алады. Бұл принцип табиғатта тек балықтарда ғана емес, құстардың бүйрегінде, арктикалық жануарлардың жылу алмасу жүйелерінде және басқа да көптеген құрылымдарда қолданылады.

Су желбезек арқылы қалай өтеді

Газ алмасу тиімді болуы үшін желбезекке үнемі жаңа су келіп тұруы қажет. Балықтар бұл үшін бірнеше түрлі механизмдерді қалыптастырған.

Желбезек желдету тәсілдері түрге байланысты әртүрлі:

• буккальды сорғы – ауыз қуысы насос қызметін атқарады: ауыз ашылып су кіреді, кейін жабылып, қысым арқылы су желбезек арқылы сыртқа өтеді; бұл тәсілді көпшілік сүйекті балықтар тыныш күйде қолданады;
• оперкулярлық сорғы – желбезек қақпағы су ағынын тартып, қысым айырмасын жасайды; екі жүйе жиі бірге жұмыс істеп, үздіксіз ағынды қамтамасыз етеді;
• таранды желдету – кейбір белсенді жүзетін балықтар, соның ішінде акулалар мен тунецтер, сорғы жүйесінен толық немесе жартылай бас тартқан; олар аузы ашық күйде жүзіп, қозғалыс жылдамдығы арқылы суды желбезек арқылы өткізеді.

Бұл соңғы тәсілдің маңызды салдары бар – кейбір акулалар тоқтап қалса, тұншығып өледі. Мысалы, үлкен ақ акула мен мако үнемі қозғалыста болуы тиіс. Ал нянь-акула сияқты түрлер сорғы механизмін сақтап, түбінде ұзақ уақыт жата алады.

Қосымша тыныс алу мүшелері бар балықтар

Эволюция тек желбезекпен шектелмеген – кейбір балықтар қосымша немесе баламалы тыныс алу тәсілдерін дамытқан. Бұл әсіресе оттегі аз суларда тіршілік ететін түрлер үшін маңызды.

Қосымша тыныс алу мүшелері әртүрлі болады:

1. Лабиринттік орган бетта, гурами сияқты балықтарда кездеседі – бұл желбезек үстінде орналасқан күрделі құрылым. Олар су бетінен ауа жұтып, оттегін тікелей қанға сіңіреді. Сондықтан мұндай балықтарды ауаға шығу мүмкіндігінен айыруға болмайды.
2. Ішек арқылы тыныс алу кейбір шабақтәрізділерде кездеседі – олар ауа жұтып, оны ішек арқылы өткізеді, ал ішек қабырғалары оттегін сіңіреді. Бұл тәсіл батпақты ортада өмір сүруге мүмкіндік береді.
3. Тері арқылы тыныс алу жыланбалықтарда және кейбір басқа түрлерде маңызды рөл атқарады. Тері астындағы қылтамырлар өте жақын орналасқандықтан, газ алмасу тікелей тері арқылы жүреді. Ылғал болған жағдайда жыланбалықтар құрлықта да біраз уақыт тіршілік ете алады.
4. Қос тынысты балықтар – протоптер, лепидосирен және рогозуб – желбезекпен қатар қарапайым өкпеге ие. Олар құрлықтағы омыртқалылардың арғы аталарының өтпелі кезеңін көрсетеді. Протоптер құрғақшылықта балшыққа көміліп, өкпесі арқылы бірнеше жыл бойы өмір сүре алады.

Бұл мысалдар судағы тыныс алудың бір ғана әдіс емес, әртүрлі жағдайларға бейімделген тұтас жүйе екенін көрсетеді.

Судағы оттегі мөлшері және оның маңызы

Желбезек арқылы тыныс алу жүйесін түсіну үшін суда қанша оттегі бар екенін білу маңызды. Су құрамында ауаға қарағанда әлдеқайда аз оттегі болады, сондықтан бұл үлкен қиындық туғызады.

Судағы еріген оттегі мөлшері бірнеше факторға байланысты:

• температура – су неғұрлым суық болса, соғұрлым оттегіні жақсы ұстайды;
• тұздылық – теңіз суында оттегі тұщы суға қарағанда аздау болады;
• ағыс – ағынды суда оттегі көп, ал тұрып қалған суда аз;
• биологиялық белсенділік – органикалық заттар көп болса, бактериялар оттегіні тез тұтынып, «өлі аймақтар» қалыптасады.

Балықтар оттегі жетіспеушілігіне әртүрлі жауап береді. Кейбіреулері су бетіне көтеріледі, басқалары белсенділігін төмендетеді. Ал кейбір түрлер, мысалы, мөңке балық, анаэробты алмасуға көшіп, оттегі жоқ жағдайда да өмір сүре алады, тіпті көмірқышқыл газының орнына этил спиртін бөледі.

Балықтардың тыныс алу жүйесі – жай ғана биологиялық құрылым емес, жүздеген миллион жылдық бейімделудің нәтижесі. Оның негізінде жатқан қағидалар – қарсы ағыс, үлкен беткі аудан, икемділік – қазіргі инженерияда да қолданылуда. Балықтардың қалай тыныс алатынын зерттеу тек олардың биологиясын ғана емес, табиғаттың күрделі мәселелерді қалай шешетінін түсінуге мүмкіндік береді.