Кишечное дыхание у рыб

Концентрация кислорода в водоеме – самый неустойчивый многократно
меняющийся в течение суток показатель среды обитания рыб. Тем не менее
парциальное давление кислорода и углекислого газа в крови рыб достаточно
стабильно и относится к жестким константам гомеостаза. Как дыхательная среда
вода уступает воздушной среде (табл. 8.1).

8.1. Сравнение воды и
воздуха как среды дыхания (при температуре 20 °С)

При столь невыгодных изначальных условиях для газообмена эволюция
пошла по пути создания дополнительных механизмов газообмена у водных животных,
которые позволяют им переносить опасные колебания концентрации кислорода в
окружающей их среде. Помимо жабр у рыб в газообмене принимают участие кожа,
желудочно-кишечный тракт, плавательный пузырь, специальные органы

Жабры орган газообмена в водной среде

Основная нагрузка в обеспечении организма рыб кислородом и удалении из
него углекислого газа ложится на жабры.
Они выполняют титаническую работу. Если сравнивать жаберное и легочное дыхание,
то приходишь к заключению, что рыбе необходимо прокачивать через жабры
дыхательной среды в 30 раз больше по объему и в 20 000 (!) раз больше по массе.

Более пристальное изучение показывает,
что жабры хорошо приспособлены к газообмену в водной среде. Кислород переходит
в капиллярное русло жабр по градиенту парциального давления, который у рыб
составляет 40-100 мм рт. ст. Такова же причина перехода кислорода из крови в
межклеточную жидкость в тканях.

Здесь градиент парциального давления кислорода оценивается в 1-15ммрт.
ст., градиент концентрации углекислого газа – в 3-15 мм.рт.ст. Газообмен в других органах, например
через кожу, осуществляется по тем же физическим законам, однако интенсивность
диффузии в них гораздо ниже. Жаберная поверхность в 10-60 раз превышает площадь
тела рыбы. К тому же жабры, высокоспециализированные на газообмене органы, даже
при одинаковой с другими органами площади будут иметь большие преимущества.
Самое совершенное строение жаберного аппарата характерно для костистых рыб.
Основой жаберного аппарата являются 4 пары жаберных дуг. На жаберных дугах
располагаются хорошо васкуляризированные жаберные лепестки, образующие
дыхательную поверхность (рис. 8.1).

По стороне жаберной дуги, обращенной в ротовую полость, располагаются
более мелкие структуры – жаберные тычинки, которые в большей мере отвечают за
механическую очистку воды по мере ее поступления из ротовой полости к жаберным
лепесткам.

Поперечно жаберным лепесткам располагаются микроскопические жаберные
лепесточки, которые и являются структурными элементами жабр как органов дыхания
(см. рис. 8.1; 8.2). Покрывающий лепесточки эпителий имеет клетки трех типов:
респираторные, слизистые и опорные. Площадь вторичных ламелей и, следовательно,
дыхательного эпителия зависит от биологических особенностей рыбы – образа
жизни, интенсивности основного обмена, потребности в кислороде.

Так, у тунца при массе 100 г площадь жаберной
поверхности составляет 20-30 см2/г, у кефали – 10 см /г,
у форели – 2 см /г, У плотвы – 1 см /г.

Рис.
8.1. Строение жабр костистых рыб:

1-
жаберные лепестки; 2- жаберные лепесточки; 3-жаберная артерия; 4 – жаберная
вена; 5-лепестковая артерия; 6 –
лепестковая вена; 7-жаберные тычинки; 8- жаберная дуга

Однако известно, что крупные и активные виды, например тунец, рта не
закрывают, и дыхательные движения жаберных крышек у них отсутствуют. Такой тип
вентиляции жабр называют “таранным”; он возможен только при больших
скоростях перемещения в воде.

Для прохождения воды через жабры и движения крови по сосудам жаберного
аппарата характерен противоточный механизм, обеспечивающий очень высокую
эффективность газообмена. Пройдя через жабры, вода теряет до 90 % растворенного
в ней кислорода (табл. 8.2). 8.2. Эффективность
извлечения кислорода из воды разными вилами рыб, %

Жаберные лепестки и лепесточки
расположены очень тесно, но благодаря малой скорости движения через них воды
они не создают большого сопротивления току воды. Согласно расчетам, несмотря на
большой объем работы по перемещению воды через жаберный аппарат (не менее 1 м
воды на 1 кг живой массы в сутки), энергетические затраты рыбы при этом
невелики.

Нагнетание воды обеспечивают два насоса – ротовой и жаберный. У разных
видов рыб возможно превалирование одного из них. Например, у быстроходных
кефали и ставриды действует в основном ротовой насос, а у медлительных
придонных рыб (камбалы или сома) – жаберный насос.

Частота дыхательных движений у рыб зависит от многих факторов, но
наибольшее влияние на этот физиологический показатель оказывают два –
температура воды и содержание в ней кислорода. Зависимость частоты дыхания от
температуры показана на рис. 8.2.

Жаберный газообмен может быть эффективным только при постоянном токе воды
через жаберный аппарат. Вода орошает жаберные лепестки постоянно, и этому
способствует ротовой аппарат. Вода устремляется из ротовой полости к жабрам.
Такой механизм есть у большинства видов рыб. Таким образом, жаберное дыхание следует рассматривать
как очень эффективный механизм газообмена в водной среде с точки зрения
эффективности извлечения кислорода, а также энергозатрат на этот процесс. В том
случае, когда жаберный механизм не справляется с задачей адекватного
газообмена, включаются другие (вспомогательные) механизмы.

Рис. 8.2. Зависимость частоты дыхания от температуры воды у сеголетков карпа

Кожное дыхание рыб

Кожное дыхание развито в разной мере у всех животных, но у некоторых
видов рыб оно может быть основным механизмом газообмена.

Кожное дыхание имеет существенное значение для видов, ведущих
малоподвижный образ жизни в условиях низкого содержания кислорода или на
короткое время покидающих водоем (угорь, илистый прыгун, сомы). У взрослого
угря кожное дыхание становится основным и достигает 60% общего объема
газообмена

Изучение онтогенетического развития рыб
свидетельствует о том, что кожное дыхание первично по отношению к жаберному.
Эмбрионы и личинки рыб осуществляют газообмен с окружающей средой через
покровные ткани. Интенсивность кожного дыхания усиливается с повышением
температуры воды, так как повышение температуры усиливает обмен веществ и
снижает растворимость кислорода в воде.

В целом интенсивность кожного газообмена определяется морфологией
кожи. У угря кожа имеет гипертрофированные по сравнению с другими видами
васкуляризацию и иннервацию.

У других видов, например у акул, доля кожного дыхания незначительна,
но и кожа у них имеет грубое строение со слаборазвитой системой кровоснабжения.
Площадь кровеносных сосудов кожи у разных видов костистых рыб составляет от
0,5 до 1,5 см:/г живой массы. Соотношение площади кожных капилляров и
капилляров жабр варьирует в широких пределах – от 3:1 у вьюна до 10:1 у карпа.
Толщина эпидермиса, колеблющаяся от 31-38 мкм у камбалы До 263 мкм у угря и 338
мкм у вьюна, определяется количеством и размером мукозных клеток. Однако есть
рыбы с очень интенсивным газообменом на фоне ординарной макро- и микроструктуры
кожи.

В заключение надо подчеркнуть, что механизм кожного дыхания у животных
изучен явно недостаточно. Важную роль в этом процессе играет кожная слизь, в
составе которой обнаруживается и гемоглобин, и фермент карбоангидраза.

Кишечное дыхание рыб

В экстремальных условиях (гипоксия) кишечное дыхание используется
многими видами рыб. Однако есть рыбы, у которых желудочно-кишечный тракт
претерпел морфологические изменения с целью эффективного газообмена. При этом,
как правило длина кишки увеличивается. У таких рыб (сомик, пескарь) воздух
заглатывается и перистальтическими движениями кишечника направляется в
специализированный отдел. В этой части желудочно-кишечного тракта стенка кишки
приспособлена к газообмену, во-первых, за счет гипертрофированной капиллярной
васкуляризации и, во-вторых, за счет наличия респираторного цилиндрического
эпителия. Заглоченный пузырек атмосферного воздуха в кишке находится под
определенным давлением, что повышает коэффициент диффузии кислорода в кровь. В
этом месте кишка обеспечивается венозной кровью, поэтому возникают хорошая
разница парциального давления кислорода и углекислого газа и однонаправленность
их диффузии. Кишечное дыхание широко распространено у американских сомиков.
Среди них есть виды с приспособленным для газообмена желудком.

Плавательный пузырь не только обеспечивает рыбе нейтральную
плавучесть, но и играет определенную роль в газообмене. Он бывает открытым
(лососевые) и закрытым (карп). Открытый пузырь связан воздушным протоком с
пищеводом, и его газовый состав может быстро обновляться. В закрытом пузыре
изменение газового состава происходит только через кровь.

.В стенке плавательного пузыря имеется особая капиллярная система, которую
принято называть “газовой
железой”. Капилляры железы образуют круто изогнутые противоточные петли.
Эндотелий газовой железы способен выделять молочную кислоту и тем самым
локально изменять рН крови. Это, в свою очередь, заставляет гемоглобин отдавать
кислород прямо в плазму крови. Получается, что кровь, оттекающая от
плавательного пузыря, перенасыщена кислородом. Однако противоточный механизм
кровотока в газовой железе приводит к тому, что этот кислород плазмы
диффундирует в полость пузыря. Таким образом, пузырь создает запас кислорода,
который используется организмом рыбы в неблагоприятных условиях.

Другие приспособления для газообмена
представлены лабиринтом (гурами, лялиус, петушок), наджаберным органом (рисовый
угорь), легкими (двоякодышащие), ротовым аппаратом (окунь ползун), глоточными
полостями (Ophiocephalus
sp.). Принцип газообмена в этих
органах такой же, как в кишке или в плавательном пузыре. Морфологическая основа
газообмена в них -это видоизмененная система капиллярного кровообращения плюс утончение
слизистых оболочек (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Разновидности наджаберных органов: 1- окунь-ползун: 2-
кучия; 3- змееголов; 4- нильский шармут

Морфологически и функционально с органами дыхания связаны
псевдобранхии – особые образования жаберного аппарата. Их роль до конца не
изучена. То. что к этим структурам притекает кровь от жабр, насыщенная
кислородом, свидетельствует о том. что они не участвуют в обмене кислорода.
Однако наличие большого количества карбоангидразы на мембранах псевдобранхии
допускает участие этих структур в регуляции обмена углекислого газа в пределах
жаберного аппарата.

Функционально с псевдобранхиями связана так называемая сосудистая
железа, расположенная на задней стенке глазного яблока и окружающая зрительный
нерв. Сосудистая железа имеет сеть
капилляров, напоминающую таковую в газовой железе плавательного пузыря. Есть
точка зрения, что сосудистая железа обеспечивает снабжение сильно насыщенной
кислородом кровью сетчатки глаза при максимально низком поступлении в нее
углекислого газа. Вероятно, что фоторецепция требовательна к рН растворов, в
которых она осуществляется. Поэтому систему псевдобранхии – сосудистая железа
можно рассматривать как дополнительный буферный фильтр сетчатки глаза. Если
принять во внимание, что наличие этой системы не связано с таксономическим
положением рыб, а скорее связано со средой обитания (эти органы имеются чаще у
морских видов, обитающих в воде с высокой прозрачностью, и зрение у которых
является важнейшим каналом связи с внешней средой), то данное предположение
выглядит убедительным.

Перенос газов кровью в организме рыб

Принципиальных отличий в транспортировании газов кровью У рыб нет. Как
у легочных животных, у рыб транспортные функции крови реализуются за счет
высокого сродства гемоглобина к кислороду, сравнительно высокой растворимости
газов в плазме крови, химической трансформации углекислого газа в карбонаты и
бикарбонаты.

Основным транспортировщиком кислорода в крови у рыб выступает
гемоглобин. Небезынтересно, что гемоглобин рыб функционально делится на два
типа- чувствительный к кислоте и нечувствительный к кислоте. Чувствительный к кислоте гемоглобин при
понижении рН крови утрачивает способность связывать кислород.

Нечувствительный к кислоте гемоглобин не реагирует
на величину рН, причем для рыб его наличие имеет жизненно важное значение, так как их мышечная
активность сопровождается большими выбросами в кровь молочной кислоты
(естественный результат гликолиза в условиях постоянной гипоксии).

У некоторых арктических и антарктических видов рыб гемоглобина в крови
нет вообще. В литературе есть сообщения о таком же явлении у карпа. В
экспериментах на форели показано, что рыба не испытывает асфиксии без функционального
гемоглобина (весь гемоглобин искусственно связывали при помощи СО) при
температуре воды ниже 5 аС. Это
свидетельствует о том, что потребность рыб в кислороде значительно ниже, чем у
наземных животных (особенно при пониженных температурах воды, когда повышается
растворимость газов в плазме крови). В определенных условиях с
транспортированием газов справляется одна плазма. Однако в обычных условиях у
подавляющего большинства рыб газообмен без гемоглобина практически исключен.
Диффузия кислорода из воды в кровь протекает по градиенту концентрации.
Градиент сохраняется, когда растворенный в плазме кислород связывается
гемоглобином, т.е. диффузия кислорода из воды идет до полного насыщения
гемоглобина кислородом. Кислородная емкость крови колеблется от 65 мг/л у ската
до 180 мг/л у лосося. Однако насыщение крови углекислотой (диоксидом углерода)
может снизить кислородную емкость крови рыб в 2 раза.

Рис. 8.4. Роль карбоангидразы в переносе углекислого газа кровью

Транспортирование углекислого газа кровью осуществляется по-другому.
Роль гемоглобина в переносе углекислого газа в виде карбогемоглобина невелика.
Расчеты показывают, что гемоглобин переносит не более 15 % углекислого газа,
образующегося в результате обмена веществ рыбы. Основной транспортной системой
для переноса углекислого газа является плазма крови. Попадая в кровь в
результате диффузии из клеток, углекислый газ вследствие его ограниченной
растворимости создает повышенное парциальное давление в плазме и таким образом
должен тормозить переход газа из клеток в кровяное русло. На самом деде этого
не происходит. В плазме под влиянием карбоангидразы эритроцитов осуществляется
реакция СО2 + Н2О->Н2СО3->Н+
+ НСО3

За счет этого парциальное давление углекислого газа у клеточной
мембраны со стороны плазмы крови постоянно снижается, и диффузия углекислого
газа в кровь протекает равномерно. Схематично роль карбоангидразы показана на
рис. 8.4. Образующийся бикарбонат с кровью поступает в жаберный эпителий,
который также содержит карбоангидразу. Поэтому в жабрах происходит
преобразование бикарбонатов в углекислый газ и воду.
Далее по градиенту концентрации СО2
из крови диффундирует в омывающую жабры воду.

Протекающая через жаберные лепестки вода контактирует с жаберным
эпителием не более 1 с, поэтому градиент концентрации углекислого газа не
изменяется и он с постоянной скоростью покидает кровеносное русло. Примерно по такой же схеме происходит
удаление углекислого газа и в других органах дыхания. Кроме того, значительные
количества углекислого газа, образующегося в результате обмена веществ,
выделяются из организма в виде карбонатов с мочой, в составе панкреатического
сока, желчи и через кожу.