7 דקות
בואו נתחיל עם שאלה שאולי מפתיעה: מה המשותף בין ספוג ים לבין ציפור הטסה בגובה של כמה אלפי מטרים? התשובה היא שכל אחד מהם פתר, בדרכו שלו, את אותה בעיה יסודית שכל יצור חי מתמודד איתה — איך לספק חמצן וחומרי מזון לכל תא בגוף, ולהוציא פסולת ופחמן דו-חמצני בחזרה החוצה.
הכל מתחיל ביחס אחד פשוט: יחס שטח הפנים לנפח. כשגוף קטן מאוד, כמו ספוג, כל תא נמצא קרוב מאוד לסביבה החיצונית. דיפוזיה פשוטה — תנועה של מולקולות ממקום עתיר ריכוז למקום דל ריכוז — מספיקה לגמרי. אבל ברגע שגוף גדל, נפחו גדל בחזקת שלוש בעוד שטח הפנים שלו גדל רק בחזקת שתיים. זה אומר שהתאים הפנימיים מתרחקים יותר ויותר מהסביבה, ומרחקי הדיפוזיה מתארכים מהר מדי. הדיפוזיה לבדה פשוט לא מספיקה. כדי להתמודד עם זה, האבולוציה פיתחה שני פתרונות במקביל: מערכת הובלה שמקרבת חומרים לכל תא, ומשטח נשימה ייעודי שמגדיל את אזור חילוף הגזים.
נדבר קודם על מערכות ההובלה. יש שני סוגים בסיסיים. במערכת פתוחה, כמו זו של חרקים, הלב שואב נוזל גוף לחללי הגוף — הנוזל רוחץ את התאים ישירות וחוזר ללב דרך פתחים. במערכת סגורה, כמו זו של חולייתנים, הדם נשאר בתוך כלי דם לאורך כל המסלול, וחילוף עם התאים נעשה דרך דפנות נימים דקים. יתרון גדול של מערכת סגורה הוא שניתן לשנות את קוטר כלי הדם ולהסיט דם לאיברים פעילים — ובלי יכולת הזו, קצב חילוף חומרים גבוה הוא פשוט בלתי אפשרי.
ואולם, כדאי לדייק כאן: אם חרק עובד עם מערכת פתוחה, זה לא אומר שהוא בצרות. הסיבה היא שחמצן מגיע לתאים אצל חרק דרך מערכת לגמרי נפרדת — קני נשימה מסועפים. הנוזל שהלב מזרים אצל חרק בכלל לא צריך לשאת חמצן. הנוזל עוסק בהובלת חומרי מזון ופסולת בלבד.
עכשיו נעבור להשוות בין לבבות. כי מה שמעניין הוא לא רק שיש מחזור דם, אלא כמה פעמים הדם עובר בלב לפני שמגיע לגוף. לדג יש לב של 2 מדורים — עלייה וחדר — ומחזור דם יחיד. הדם יוצא מהלב לזימים, שם הוא מתמלא חמצן, ואז ממשיך לגוף ורק אז חוזר ללב. הבעיה המובנית: הדם עובר בנימי הזימים לפני שמגיע לגוף, ובמעבר הזה הלחץ יורד מאוד. הדם מגיע לגוף בזרימה איטית.
אצל דו-חיים נוצרו שני מחזורים — ריאתי וגופי — והלב הוא בעל 3 מדורים. היתרון הוא שהדם המחומצן חוזר ללב ומקבל דחיפה חדשה בלחץ גבוה לפני שיוצא לגוף. הבעיה היא שיש רק חדר אחד, ובו מתערב דם מחומצן עם דם דל חמצן. חשוב לדייק כאן: זה לא אומר שהדם לגוף חסר חמצן לגמרי. הוא פחות רווי ממה שהיינו רוצים, אבל לא ריק.
אצל זוחלים החדר מחולק חלקית, ואצל תנינים הוא מופרד לגמרי. ואצל ציפורים ויונקים — לב של 4 מדורים עם הפרדה מלאה. הצד הימני של הלב עוסק בדם דל חמצן ושולח אותו לריאות; הצד השמאלי מקבל דם מחומצן ודוחף אותו לכל הגוף. לרקמות מגיע דם רווי חמצן בלחץ גבוה. ולמה זה קריטי במיוחד ליונקים ולציפורים? כי הם הומאותרמיים — הם שומרים על טמפרטורת גוף קבועה, מה שדורש קצב חילוף חומרים גבוה מאוד, שמחייב אספקת דם רווי חמצן בלחץ גבוה ברציפות. בלי לב של 4 מדורים, זה פשוט לא עובד.
אחרי שהבנו את ההובלה, בואו נסתכל על מערכות הנשימה עצמן — כלומר, על משטחי חילוף הגזים. בכל מערכת כזו, בין אם זו ריאה, זים או עור, חייבים להתקיים 4 תנאים: המשטח חייב להיות דק כדי לקצר את מרחק הדיפוזיה; הוא חייב להיות לח כי גזים מתמוססים במים; שטח הפנים שלו חייב להיות גדול כי קצב הדיפוזיה פרופורציונלי לשטח; והפרש הריכוזים חייב להישמר לאורך כל המסלול — אחרת הדיפוזיה נעצרת.
נשימה עורית, כמו אצל תולעים ודו-חיים, היא הפשוטה ביותר: עור דק, לח ועשיר בנימים. אבל היא מגבילה גודל ומחייבת סביבה לחה.
הזימים של דגים הם פתרון מרהיב. הם מלאי קיפולים עם שטח פנים עצום. ומה שמייחד את דגי העצם במיוחד הוא עיקרון הזרימה הנגדית: הדם בנימי הזימים זורם בכיוון הפוך למים שעוברים עליהם. בזכות זאת, הדם פוגש כל הזמן מים עשירים יותר בחמצן ממנו, כך שהפרש הריכוזים נשמר לאורך כל המסלול ולא מתאזן באמצע. יעילות הקליטה מגיעה לכ-80% מהחמצן במים.
קני הנשימה של חרקים הם פתרון שונה לגמרי: צינורות מסועפים שמגיעים ישירות לתאים. אין צורך בנשיאת חמצן בנוזל הגוף. אבל לפתרון הזה יש מחיר: ככל שהחרק גדול יותר, קני הנשימה ארוכים יותר, והחמצן לא מצליח להגיע לתאים הפנימיים בדיפוזיה. זו הסיבה שחרקים לעולם לא מגיעים לגודל של חולייתנים.
הריאות של יונקים פותרות את בעיית שטח הפנים בדרך מבריקה: שקים פנימיים מסועפים לשלפוחיות רבות מאוד. בריאות האדם שטח הפנים הכולל מגיע לכ-70 מטרים רבועים — כמעט בגודל מגרש טניס — וכל זה מקופל בתוך חזה שנפחו כ-5 ליטר. המשטח הלח הוא פנימי ומוגן מייבוש.
ואם כבר מדברים על יעילות, ריאות הציפור הן המערכת היעילה ביותר מכולן. שקי אוויר משמשים כמפוחים, והאוויר עובר בכיוון אחד קבוע דרך הריאה בשתי פעימות נשימה — גם בנשיפה זורם אוויר עשיר חמצן על פני משטח החילוף. זה בניגוד לריאות יונקים, שבהן בנשיפה אוויר עני בחמצן יוצא ולא תורם לחילוף גזים.
נסכם את מה שלמדנו: כל מערכות ההובלה והנשימה שראינו הן פתרונות אבולוציוניים לאותה בעיה — פיזור חמצן וחומרים ביעילות בגוף שנפחו גדל מהר ממשטחי הפנים שלו. יחס שטח הפנים לנפח הוא העיקרון המאחד את כל הנושא הזה. נזכור אותו ומה שנבנה עליו — ורוב שאלות הבגרות בפיזיולוגיה השוואתית יפתחו בצורה טבעית.