Хлопок одной ладонью - Николай Кукушкин

Экдизис – это принципиальная вещь, которую мы, позвоночные, не делаем. Как животные на фоне растений и грибов когда-то остались верны «мягким» традициям эукариот, так и мы на фоне гегемонии экдизозой нашли в себе мужество быть мягкотелыми.

У экзоскелета есть еще один недостаток: если его увеличивать, оставляя массу постоянной, то он очень быстро становится бесполезно тонким. Поэтому для поддержания массы, скажем, как у лошади, насекомому потребовался бы скелет совершенно неподъемного веса28. Не слишком понятно, как бы насекомое дорастало до такого веса – ведь при каждой линьке насекомое-лошадь превращалось бы в груду мяса.

Позвоночные с их внутренним скелетом гораздо более уязвимы с наружной стороны, но зато ничто не мешает им непрерывно расти и накапливать вес, не теряя поддержки скелета. В этом и есть наше историческое кредо: если от насекомых нельзя защититься, надо бросить попытки и поставить все на рост.

И все-таки успех позвоночных не всегда был таким очевидным, каким он кажется сейчас. Пусть насекомые физически не способны соперничать с сегодняшними бегемотами и тиграми, но в середине палеозоя насекомые были более крупными и умели летать, а позвоночные – более мелкими и еле вылезали из воды, поэтому теоретически все могло сложиться иначе. Помогло нам еще одно преимущество, которое стало решающим к концу палеозоя: дыхание.

Воздух в мешке

Жабры – орган дыхания преимущественно подводный, легкие – наземный, но, как ни странно, необязательно. Формально говоря, жабры от легких отличаются тем, что легкие – это мешок для кислорода внутри тела, опутанный кровеносными сосудами, а жабры – тот же мешок, только вывернутый наизнанку, так, что сосуды у него внутри, а сам мешок торчит во внешнюю среду28.

Легкие хуже подходят для водной среды, потому что в воде по сравнению с атмосферой мало кислорода. При 15 °C в литре воды его в 28 раз меньше, чем в литре воздуха. Если бы рыбы дышали легкими, то им бы приходилось качать туда-сюда огромные объемы воды и тратить все свои силы на пыхтение. В таких условиях жабры эффективнее: рыба плывет вперед, а вода непрерывно их омывает (это напоминает непрерывное питание червей, впервые открывших прелести двусторонней кишки). В итоге через жабры за единицу времени успевает протечь больше воды, чем через легкие.

На суше же рыбы задыхаются точно так же, как люди под водой. Если вдуматься, то причины этого совсем не очевидны – кислорода же должно быть больше! Проблема в том, что жабры представляют собой гребни из тончайших складок, между которыми обычно протекает насыщенная кислородом вода. Эти складки мягкие и нежные, что помогает лучше впитывать кислород, но на суше, без поддержки воды, они склеиваются, как мокрые волосы. Площадь поверхности падает почти до нуля, и рыба задыхается.

Можно ли теоретически решить эту проблему? Оказывается, можно. Ее решил, например, пальмовый вор, также известный как кокосовый краб: родственник рака-отшельника, живущий на суше и дышащий жабрами. Эти жабры у него элементарно более твердые, что позволяет их поверхностям не склеиваться28. Результат – ни много ни мало самое большое наземное беспозвоночное, бронированное чудище размером с собаку, ужасающее своими размерами, но вообще-то к агрессии совершенно не склонное. (Фотографию пальмового вора рекомендую загуглить, но предупреждаю: зрелище не для слабонервных.)

Так что в принципе наземные жабры возможны. Но наземные животные, чьи предки рыбы, конечно, дышали жабрами, на каком-то этапе столкнулись с фундаментальной проблемой жизни на суше: высыханием.

В органе дыхания по определению должен осуществляться газообмен, поэтому из него обязательно будет выпариваться и вода. Следовательно, задача животного – получить максимум кислорода при минимальных потерях влаги. Легкие позволяют временно изолировать объем воздуха от окружающей среды и собрать из него кислород, не теряя воду. Вода теряется только при выдохе, тогда как если бы легкие были вывернуты наизнанку, вода бы терялась постоянно.

Этот баланс газообмена и высыхания очень похож на дилемму, которая стоит перед наземным растением. Тому нужно впитать из воздуха максимум углекислого газа и потерять минимум воды. Растение решает проблему, закрывая устьица, что изолирует воздух внутри листа и позволяет собрать из него углекислый газ, не теряя воду. В каком-то смысле растениям тяжелее, чем нам, потому что углекислого газа в атмосфере куда меньше, чем кислорода, так что растению приходится делать больше «вдохов» и терять больше воды.

Строго говоря, вдохом и выдохом газообмен у растения не назвать, потому что эти слова подразумевают движение воздуха, а растение в силу своей неподвижности воздух не качает. Оно просто раскрывает клапаны, которые позволяют воздуху проникнуть внутрь. Интересно, что насекомые, первые животные завоеватели суши, своим уникальным способом дыхания больше всего напоминают именно такой пассивный газообмен растений. Насекомые тоже не качают воздух вдохами и выдохами. Вместо этого их тело пронизано системой полых трубок, или трахей, которые, как листья растений, открываются во внешнюю среду клапанами. Эти трахеи, как воздушные капилляры, напрямую доставляют воздух прямо к органам, густо ветвясь, например, около мышц. «Сосуды» на крыльях насекомых – это тоже трахеи.

И легкие, и жабры работают в сотрудничестве с кровеносной системой (фактически это интерфейсы «кровь – среда»). У человека именно кровеносная система организует доставку кислорода к тканям. Трахеи насекомых же отличаются тем, что отделяют дыхание от крови. У насекомых сосуды распределяют только питательные вещества, а кислород доставляется к тканям по выделенной линии трахей.

С одной стороны, это отличная идея, потому что в газах молекулы двигаются гораздо быстрее, чем в воде, так что при определенных габаритах животного полые трубки снабжают его внутренности кислородом быстрее и эффективнее. Но работает это только при маленьких размерах. Если насекомое сильно увеличить, то кислород не будет успевать поступать в глубину его тканей в достаточном количестве для поддержания их жизнедеятельности.

В этом-то и состоял ответ на хитрый вопрос на экзамене по ЗБП. Гигантские стрекозы карбона могли существовать потому, что в атмосфере было больше кислорода, а значит, верхний предел размеров насекомых был выше30, 31. После карбонового периода уровень кислорода стал убывать, и насекомые уже никогда не вернулись к прежнему гигантизму.

В случае с позвоночными кислород двигается по жидкости, которая активно качается сердцем. Низкая скорость движения кислорода по жидкости компенсируется, во-первых, скоростью движения самой жидкости, то есть высоким кровяным давлением, а во-вторых, красными кровяными тельцами, или эритроцитами. Это клетки-пустышки, забитые до отказа гемоглобином. Как помнит читатель, это красный белок, который связывает кислород. Благодаря гемоглобину в крови в десятки раз больше кислорода, чем в принципе растворимо в воде32.