Chcemy porozmawiać z tobą o oddychaniu – czymś, co robisz cały czas (jeśli tego nie robisz, nie mamy pojęcia, jak to czytasz). Oddychanie, oczywiście, po prostu się zdarza. Nie musisz się nad tym zbytnio zastanawiać. Ale jeśli to zrobisz, odkryjesz, że istnieje ogromna liczba zwierząt na tej planecie, zwierząt, które dobrze znasz, zwierząt, które brzęczą, gryzą i pełzają na widoku – które nie tylko nie oddychają tak jak my, ale robią to w tak odmienny sposób, że wciąż nie do końca wiemy, co robią. A więc to jest nasz temat: tajemnicze oddychacze. Zaczniemy od tego, co znane – od Ciebie. Spójrzcie na ten pulsujący diagram „jak oddychamy”, stworzony przez wspaniałą ilustratorkę Eleanor Lutz.
Oddech człowieka (Obraz: Eleanor Lutz; użyto za zgodą)
Jak widać, kiedy my, ludzie, oddychamy, opuszczamy ten mięsień tuż poniżej naszych płuc – to nasza przepona. Kiedy ciągnie w dół, powietrze zostaje wessane; kiedy pcha się w górę, powietrze zostaje wyciśnięte. Więc w efekcie mamy tam pompę, która wciąga tlen do naszego ciała i wysyła dwutlenek węgla na zewnątrz.
Ale co jeśli jesteś ptakiem? Ptaki, (o czym nie wiedzieliśmy), robią to inaczej.
Oddech ptasi (Obraz: Eleanor Lutz; użyto za zgodą)
Nie mają przepony, zamiast tego pompują powietrze przez nadmuchiwanie i opróżnianie woreczków zwanych woreczkami powietrznymi, a to tworzy ssanie, którego potrzebują do wciągania powietrza przez płuca.
Ale teraz sprawdźmy konika polnego. Czy zauważasz coś niezwykłego?
Oddech owada (Obraz: Eleanor Lutz; użyto za zgodą)
Tak, ma worki powietrzne, które pomagają mu oddychać, ale zauważ, że nie używa ust, nosa (ani uszu czy odbytu), aby wpuścić lub wypuścić powietrze. Nie ma żadnych oczywistych otworów oddechowych. Jak to jest możliwe? Gdzie dostaje się powietrze?
Oto dziwna odpowiedź: Konik polny, jak się okazuje, oddycha całym swoim ciałem. Eleanor zilustrowała to na swojej grafice, sprawiając, że cały konik polny zabarwił się na żółto. I nie mówimy tu tylko o konikach polnych.
Insekty (czyli większość zwierząt na Ziemi) nie mają płuc. W pewnym sensie są one płucami. Można by pomyśleć o każdym owadzie jako chodzącym, latającym, skaczącym płucu.
Tak to działa. Jeśli weźmiesz szkło powiększające i sprawdzisz powierzchnię owada, każdego owada, zobaczysz, że ich zewnętrzne strony są podziurawione przez małe otwory zwane spiralami. Weźmy na przykład tę gąsienicę.
Indian moon moth caterpillar (Image: Dean Morley Licencja: Flickr / Creative Commons)
Widzisz te małe pomarańczowe owale wzdłuż jej środka, które wyglądają trochę jak oczy? Podejdźmy z bliska do jednego z nich.
Indian moon moth caterpillar „spiracles” (Image: Dean Morley Licencja: Flickr / Creative Commons)
A jeszcze bliżej…
Indyjska gąsienica ćmy księżycowej „spiracles” (Obraz: Dean Morley Licencja: Flickr / Creative Commons)
To w rzeczywistości rodzaj zaworu powietrznego, zwanego spiracle. Gąsienica może otworzyć lub zamknąć ten zawór, w zależności od tego, czy chce wpuścić czy wypuścić powietrze. Jeśli miałbyś wizję rentgenowską lub nóż do sekcji (lub jeśli miałbyś wystarczająco dużo szczęścia, aby przypadkowo natknąć się na tę całkowicie przezroczystą gąsienicę) odkryłbyś, że te otwory otwierają się na labiryntową sieć rurek zwanych tchawkami, które rozciągają się w głąb ciała owada.
Tlen wędruje przez te spiracle (można zobaczyć otwory – tę linię świecących kropek, które wyglądają jak przystanki metra wzdłuż gąsienicy), a następnie dryfuje w labiryncie rurek, które rozgałęziają się na coraz mniejsze rurki, aż w końcu, na maleńkich końcówkach, tlen osiąga koniec swojej rozgałęzionej podróży, docierając do komórek owada.
W przeciwieństwie do tego, nasze ciała mają układ krążenia pompujący krew, aby dostarczyć tlen z naszych płuc do naszych komórek. Ale w owadach, nie ma krwi zaangażowanej w podróż tlenu. Zamiast tego, tlen po prostu pływa całą drogę, aż do drzwi komórek.
Aby przewietrzyć swoje wnętrza, większe owady muszą aktywnie wdychać i wydychać, pulsując mięśniami brzucha, jak widać tutaj.
Oddech owadów (Obraz: Eleanor Lutz; użyto za zgodą)
Ale mniejsze owady ledwo zipią. Oddychają w bardziej leniwy sposób. Zamiast pulsować ciałem, po prostu otwierają swoje pory i siedzą tam, jak przy otwieraniu okien w salonie. Potem czekają, aż powietrze po prostu… wleci do środka.
Zaczekaj sekundę! WAIT A SECOND!!!
Piszemy tutaj esej o oddychaniu. Oddychanie wydaje się być czynnością fizyczną, czymś, co robi twoje ciało, a nie tylko otwieraniem otworu w ciele i myśleniem „wejdź”. To nie może być tak pasywne.
Co więcej, mówi Aatish (to ten z nas, który ma doktorat z fizyki), jeśli wiesz trochę o fizyce powietrza, masz dobre powody, aby znaleźć ten dryfujący styl oddychania – po prostu otwórz pory i wpuść powietrze – więcej niż trochę zastanawiające. Dlatego właśnie powinniśmy mieć…
Aatish: OK, Robert, chcę, żebyś zamknął oczy.
Robert: Dlaczego?
Aatish: Po prostu to zrób.
Robert: Ok, są zamknięte.
Aatish: Teraz chcę, abyś wyobraził sobie tlen unoszący się w powietrzu wokół Ciebie.
Robert: Ok…
Aatish: …i powiedz mi, co sobie wyobrażasz.
Robert: Cóż…
Robert: Widzę cząsteczkę. Dwa małe O połączone razem, i one wirują wokół, jak od okna do mojej szyi, a potem… nie wiem… odbijają się od mojej szyi i rykoszetują ode mnie do… do Ciebie, do Twojego ucha.
Aatish: Ach.
Robert: Ach, co?
Aatish: Więc wyobrażasz sobie cząsteczki tlenu, które pędzą przez przestrzeń, odbijają się od ścian i co jakiś czas mogą zderzyć się nie tylko z moim uchem, ale i z innymi cząsteczkami w powietrzu.
Robert: Tak, właśnie o tym myślałem…
Aatish: Cóż, nie.
Robert: Nie?
Aatish: Rzeczywistość jest zupełnie inna. Gdybyśmy powiększyli powietrze wokół Ciebie w tej chwili, to co byś znalazł to…
…niezmiernie zatłoczona przestrzeń. Powietrze jest tak zapchane cząsteczkami, że nasza biedna cząsteczka tlenu ledwo może się ruszyć. Za każdym razem, gdy próbuje się poruszyć, uderza w sąsiada, odbija się losowo do tyłu lub do przodu, w górę lub w dół, a następnie uderza w kolejnego sąsiada. Czy potrafisz zgadnąć, ile zderzeń ma cząsteczka tlenu w ciągu sekundy? Tylko jedną sekundę?
Robert: Nie mam pojęcia.
Aatish: Czy nadal masz zamknięte oczy?
Robert: Tak.
Aatish: 6 miliardów.
Robert: Coaaaat?
Aatish: Tak! Ponad sześć miliardów bing-bangów z sąsiadami. To tak wiele kolizji, że swobodnie pływająca cząsteczka tlenu ledwo gdziekolwiek się dostanie. Czytałem, że cząsteczka tlenu może przebyć drogę zaledwie 80 nanometrów – to 8 milionowych części centymetra – zanim wpadnie na inną cząsteczkę i odleci w zupełnie przypadkowym kierunku.
Robert: Więc…? Więc powietrze nie jest pustą przestrzenią. Wręcz przeciwnie. Na poziomie molekularnym jest bardziej jak gęsty koktajl. I tak jak potrzebujesz ssania, aby wciągnąć swój napój, tak zdrowy rozsądek podpowiada, że nie możesz po prostu czekać, aż tlen wleci do środka – musisz go wciągnąć.
Jeśli tak jest, to jak te maluchy oddychają?
Wiemy, że tak…
Anty, komary, chrząszcze potrafią oddychać bez zasysania, wciągania i chwytania powietrza. Ale jak oddychają bez pulsowania ich ciał?
„Pytanie, które zadajesz, bardzo mnie nurtuje”, mówi Jon Harrison, naukowiec, który spędził lata na badaniu, jak owady oddychają i rosną.
Prawda jest taka, że nie do końca to rozgryźliśmy. Harrison i jego koledzy wciąż próbują zrozumieć, jak bardzo owady oddychają poprzez dryfowanie tlenu (oddychanie pasywne), a jak bardzo poprzez pulsowanie boków (jak konik polny).
Jon uważa, że wszystkie owady mogą oddychać pasywnie, jeśli absolutnie muszą; mówi, że większość owadów może całkowicie pozbawić się tlenu na wiele godzin i nie umrzeć. Widział, jak zwierzęta przechodzą od aktywności do ciszy, do tego, co wygląda jak całkowicie martwe, a następnie cudownie odbijają się od dna.