» » Дыхание крошки-головастика

Дыхание крошки-головастика

Дыхание крошки-головастика

«Так Головастик, плавая свободно, Хвостом колеблет быстро, с рыбой сходно; Но, легкими и лапками снабжен, Вторично он родиться принужден: Сухой вдыхая воздух, водный житель Найдет на суше новую обитель».

Эразм Дарвин,
«Храм природы, или Происхождение общества», 1803 г.
(перевод Н. А. Холодковского, 1954 г.)

На фото — головастик изменчивой квакши (Hyla versicolor), запечатленный в очень важный для него момент: кроха делает глоток атмосферного воздуха.

Казалось бы, что в этом такого? Ведь, несмотря на то что у головастиков развито жаберное и кожное дыхание, уже давно не секрет, что они могут успешно дышать воздухом и что легкие развиваются у них гораздо раньше, чем происходит метаморфоз. Более того, именно воздушное дыхание имеет первостепенное значение для выживания головастиков в сильно зарастающих водоемах, где содержание кислорода в воде может быть крайне низким, зато возможностей спрятаться от хищников намного больше по сравнению с богатыми кислородом открытыми водоемами. Считается также, что дыхание атмосферным воздухом необходимо головастикам для нормального развития легких.

Однако на пути водных животных, желающих сделать такой вдох, есть довольно существенное препятствие — поверхностное натяжение, делающее верхний слой воды похожим на эластичную пленку. И если крупные головастики с силой прорывают поверхностную пленку воды, высовывают голову и свободно делают вдох, то крошечные личинки, едва покинувшие икринку, слишком малы и слабы для этого. Наш головастик вышел из икринки три–четыре дня назад, длина его тела — всего-навсего 3 мм. До недавнего времени было совершенно непонятно, как именно таким крохам удается сделать «глоток воздуха», обходя сопротивление силы поверхностного натяжения воды.

Ученые из Коннектикутского университета (США), используя высокоскоростную макровидеосъемку, визуализировали процесс дыхания атмосферным воздухом у головастиков пяти видов амфибий — крикливой лягушки, лесной лягушки, изменчивой квакши, свистящей квакши и гладкой шпорцевой лягушки — на протяжении всего личиночного периода их развития. Предположения о том, что поверхностное натяжение воды — действительно серьезная проблема для едва вылупившихся личинок амфибий, подтвердились: на видео заметно, что, когда такие крохи быстро подплывали поверхности воды, утыкаясь в нее головой, поверхностная пленка буквально отбрасывала их назад. Если упорные головастики продолжали плыть вверх, пленка некоторое время растягивалась, но рано или поздно всё равно отбрасывала личинок назад, как эластичная мембрана, прорвать которую у трехмиллиметровых крох не хватало сил и скорости.

Тем не менее ученые поняли, как именно амфибиям удается «обхитрить» законы физики и сделать-таки желанный вдох, — этот механизм дыхания они назвали «засасыванием пузырьков» (bubble-sucking). Лучше всего это удалось пронаблюдать у «прозрачных» головастиков-альбиносов гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis). На полученных кадрах хорошо видно, как крошечные головастики медленно подплывают снизу к поверхности воды, широко открывают рот и буквально «присасываются» к поверхностной пленке. У головастиков настоящих лягушек (Ranidae) и квакш (Hylidae) вокруг рта имеется сильно развитый ротовой диск с бахромчатыми краями, который, видимо, облегчает «присасывание» и делает его более длительным и прочным. У головастиков шпорцевой лягушки (семейство пиповые) такого диска нет, поэтому их контакт с поверхностной пленкой более краток и времени на вдох меньше.


Дыхание крошки-головастика

Прикрепление к поверхностной пленке воды и засасывание пузырька воздуха выглядит по-разному у головастиков разных видов амфибий из-за различий в строении и форме рта (желтым обведены контуры рта). A — у головастика шпорцевой лягушки нет ротового диска, он может прикрепляться ртом к поверхности воды на короткое время; B — головастик крикливой лягушки «присасывается» к поверхности воды маленьким чашеобразным ротовым диском; C — головастик изменчивой квакши прикрепляется к поверхности воды большим чашеобразным ротовым диском. фото из статьи J. R. Phillips, A. E. Hewes, K. Schwenk, 2020. The mechanics of air breathing in gray tree frog tadpoles, Hyla versicolor (Anura: Hylidae)


После прикрепления к поверхностной пленке головастики быстро расширяют ротовую полость за счет опускания ее дна и дна глотки. В результате поверхность воды буквально втягивается внутрь ротовой полости, образуя воздушный карман. При этом головастик не сразу закрывает рот, и втянутый воздух сохраняет форму пузырька, соединенного с поверхностью воды тонким стебельком. В этот момент, одновременно с «засасыванием» воздуха с поверхности, головастик выталкивает воздух из легких, оставшийся от предыдущего дыхательного цикла.

Таким образом, в ротовой полости головастика «сталкиваются» два воздушных пузыря: пузырь с атмосферным воздухом, богатым кислородом, и пузырь из легких с продуктами газообмена. За счет того, что в полости остается небольшое количество воды, пузырьки могут быть некоторое время изолированы друг от друга, однако в подавляющем большинстве случаев пузырьки сливаются, и только после этого рот закрывается. В итоге в ротовой полости образуется один пузырек смешанного воздуха, которым головастики и дышат. Но поскольку размер ротовой полости личинок амфибий гораздо больше, чем объем их легких, пузырек со свежим воздухом по размерам значительно превосходит пузырек из легких, и в итоговом объеме вдыхаемого воздуха богатый кислородом воздух преобладает. Кроме того, наблюдения за головастиками изменчивой квакши показывают, что они могут всасывать за один дыхательный цикл последовательно два пузырька воздуха с поверхности, что значительно увеличивает долю кислорода в конечном объеме воздуха, проходящего в легкие.

Головастики бесхвостых амфибий засасывают пузырьки воздуха с поверхности воды

После того как головастик закрывает рот, дно ротовой полости поднимается и воздух с силой проталкивается в легкие. При этом остатки воздушного пузырька, не поместившиеся в легких, выталкиваются наружу через рот.


Дыхание крошки-головастика

У прозрачного головастика-альбиноса гладкой шпорцевой лягушки хорошо виден процесс опорожнения и наполнения легких (вид сверху, кадры из высокоскоростного видео). (а) Начало «засасывания пузырька». Стенка пузыря из-за высокой отражающей способности имеет серебристо-белую окраску. Головастик снят сверху, поэтому по срединной линии пузырек закрыт мозгом. Стрелки указывают на легкие, наполненные воздухом из предыдущего дыхательного цикла. (b) Ротовая полость расширяется. Пузырь с атмосферным воздухом — в ротовой полости, но рот всё еще открыт, и пузырь сохраняет связь с воздухом снаружи. (c) Спустя всего 3 мс легкие полностью опорожняются, воздух из них попадает в ротовую полость, смешивается с воздухом «всасываемого» пузыря, рот всё еще открыт. (d) Головастик ныряет, ротовая полость сжимается, легкие начинают наполняться воздухом (стрелка). Сбоку хорошо видны очертания воздушного пузыря. (e) Легкие (показаны стрелками) полностью заполнены, и избыток воздуха, оставшийся в ротовой полости, вскоре будет удален через рот. фото из статьи K. Schwenk, J. R. Phillips, 2020. Circumventing surface tension: tadpoles suck bubbles to breathe air


По мере того как головастики взрослели и подрастали, они постепенно изменяли механизм дыхания: подплывая на большой скорости к поверхности воды, они разрывали поверхностную пленку, чтобы сделать вдох атмосферного воздуха. Однако до самого момента метаморфоза головастики всех пяти видов амфибий продолжали время от времени вдыхать воздух с помощью «засасывания пузырьков». А головастики изменчивой квакши до самого метаморфоза использовали только этот метод, хотя размеры тела и скорость движения уже позволяли им «разорвать» поверхностное натяжение воды.


Дыхание крошки-головастика

Сравнение процесса засасывания пузырьков и дыхания с помощью разрыва поверхности воды. (а) Трехмиллиметровый головастик изменчивой квакши втягивает воздух в ротовую полость, поверхностное натяжение воды при этом не нарушается. (b) Крупный головастик крикливой лягушки второго года жизни без труда разрывает поверхность воды и втягивает воздух в ротовую полость. фото из статьи K. Schwenk, J. R. Phillips, 2020. Circumventing surface tension: tadpoles suck bubbles to breathe air


Засасывание пузырька воздуха — не уникальный способ дыхания. Так же дышат другие водные организмы — личинки желтопятнистой амбистомы (Ambystoma maculatum) и легочные улитки Physa heterostrophus. Крошечные личинки амбистом, несмотря на хорошо развитые внешние жабры, дышат атмосферным воздухом, используют тот же механизм, что и головастики лягушек. Легочные улитки всасывают пузырек воздуха, пользуясь дыхательной трубкой, присоединенной дыхательным отверстием к поверхности воды, и (предположительно) расширяя легкое. А вот небольшие водные насекомые, дышащие атмосферным воздухом, для того чтобы обойти проблему поверхностного натяжения воды, используют другие приспособления. Например, у личинок комаров есть дыхательные трубки узкого диаметра, которыми они разрезают поверхностную пленку воды для доступа к атмосферному воздуху. Также насекомые, например жуки-плавунцы, могут использовать гидрофильные и гидрофобные поверхности разных частей тела для улавливания пузырьков воздуха в промежуток между брюшком и надкрыльями.


Дыхание крошки-головастика

Три пресноводных вида, не относящиеся к бесхвостым амфибиям, «вдыхают» атмосферный воздух, преодолевая поверхностное натяжение воды. (а) Головастик желтопятнистой саламандры засасывает пузырьки воздуха с поверхности. (b) Легочная улитка Physa heterostrophus использует дыхательную трубку для всасывания пузырьков воздуха во время движения по стенке аквариума. (c) Улитка засасывает пузырьки воздуха, двигаясь по нижней поверхности водной пленки. (d), (e) Жук-полоскун (семейство плавунцы) использует комбинацию гидрофильных и гидрофобных участков поверхности тела для втягивания пузырька воздуха в пространство под надкрыльями. Шкала дана в миллиметрах. фото из статьи K. Schwenk, J. R. Phillips, 2020. Circumventing surface tension: tadpoles suck bubbles to breathe air


фото © Kurt Schwenk с сайта popsci.com. Между ног головастика заметны остатки желточного мешка.

Ира Демина

13 январь 2021 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Заботливые родители веслонога-вампира

Веслоноги, или летающие лягушки (род Rhacophorus), обитающие в Южной, Юго-Восточной и Восточной Азии, всегда удивляли ученых своими необыкновенными способностями...

Узкоротые квакши

Перед вами головастик узкоротой квакши Microhyla heymonsi — представителя разнообразной группы амфибий Юго-Восточной Азии...

Почему у кита бьет фонтан

Кит — это отнюдь не рыба, как многие думают, а млекопитающее. Конечно, по внешнему виду он отличается от привычных людям котов и собак, но детенышей своих он также кормит молоком. Киты являются

Почему мыло моет

С точки зрения химии секрет мыла и других моющих средств, относящихся к поверхностно-активным веществам, заключается в том, что они уменьшают поверхностное натяжение воды, усиливая тем самым ее

Немец продержался без воздуха 22 минуты

Том Ситас продержался под водой без воздуха 22 минуты и 22 секунды.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Шевалье-девицаПерсонажи классического искусства в современных реалияхКак появилось выражение «остаться с носом»?Немного «умной одежды»Психолог Джон Готтман о секрете удачных отношенийЗнали, что ракеты в России существовали уже 200 лет назад?О короле, шампанском и учёныхНочь = N+8?