Жабры и дыхание рыб: как рыбы дышат

Жабры делают куда больше, чем дышат: противоточный обмен извлекает кислород из воды, а тот же орган выделяет аммиак и балансирует соли. Вот как это работает.

Жабры — определяющий орган рыб, и они делают куда больше, чем поглощают кислород. Они одновременно лёгкие, главный выделительный орган и орган солевого баланса. Поскольку они находятся в прямом контакте с водой, они же первыми страдают от плохого качества воды, поэтому их понимание так полезно для аквариумистов.

Строение

Жабры рыбы построены иерархически. У костистых рыб обычно пять пар жабр, поддерживаемых жаберными дугами; каждая дуга несёт нитевидные жаберные филаменты, а филаменты несут тонкие складки, называемые ламеллами, насыщенные капиллярами. Это устройство даёт очень большую поверхность для обмена кислородом и углекислым газом через тонкий эпителий. Чтобы двигать воду по этой поверхности, рыбы втягивают богатую кислородом воду через рот и прокачивают её над жабрами, а у костистых рыб жаберная крышка позволяет делать это без постоянного плавания.

Противоточный обмен

Причина высокой эффективности жабр — противоточный обмен: в ламеллах капиллярная кровь течёт в направлении, противоположном воде. Поскольку оба потока идут навстречу друг другу, градиент концентрации поддерживается по всей длине контакта, так что кислород продолжает диффундировать из воды в кровь весь путь, а не достигает равновесия на полпути. Максимальный достижимый перенос выше при противотоке, чем при параллельном потоке, и на практике это позволяет жабрам извлекать более 80% кислорода, доступного в воде.

Больше, чем дыхание

Жаберные филаменты также ведают обменом ионов, воды, кислот и аммиака. Большая часть азотистых отходов рыбы уходит не через почку, а через жабры в виде аммиака. Жабры также ведут осморегуляцию: морские рыбы выделяют избыток соли через специализированные клетки, тогда как пресноводные используют жабры, чтобы поглощать нужные ионы для поддержания осмолярности крови.

Дополнительное дыхание воздухом

Некоторые рыбы дополняют жаберное дыхание добавочными органами. Лабиринтовые, такие как петушки и гурами, имеют лабиринтовый орган — сильно складчатую наджаберную структуру, позволяющую им забирать кислород прямо из воздуха у поверхности и выживать в воде с низким кислородом. Закономерно, что рыбы из вод с низким кислородом обычно имеют более крупные и сложные лабиринтовые органы, чем рыбы из быстротекущих, богатых кислородом вод.