Образование легких

Сердце начинает сокращаться уже на четвертой неделе эмбрионального развития и играет важную роль в жизни плода все время, пока он находится в чреве матери. Легкие формируются гораздо дольше, и в этом есть определенный смысл, потому что плоду они понадобятся приблизительно на сороковой неделе после зачатия, а точнее, после рождения, когда ребенку впервые придется дышать, самостоятельно добывая кислород из атмосферного воздуха.

Когда крошечный зародышевый диск длиной всего несколько миллиметров сворачивается в трубку, превращаясь в три вставленных друг в друга цилиндра, начинается формирование кишечника. Первичной кишечной трубкой становится внутренний из трех цилиндров. Именно из этой трубки на пятой неделе внутриутробного развития начинают образовываться легкие. Поначалу они представляют собой крошечный бугорок – легочную почку, которая растет вперед из кишечной трубки. Почка растет и ветвится. Правая почка разветвляется на три части, а левая – на две. Это находит отражение и в строении легких взрослого человека – правое легкое состоит из трех долей, а левое – из двух. Из шестой дуговой артерии в почки начинают прорастать кровеносные сосуды – это предшественники сосудов легочной системы кровообращения.

Легочные почки выпячиваются из переднего отдела кишки эмбриона

В течение следующих недель почки продолжают расти и ветвиться, делясь приблизительно двадцать раз, в результате чего образуются тысячи мельчайших ветвей на периферии этого дыхательного дерева. На концах этих веточек появляются пузырьки, зачатки альвеол, где после рождения будет происходить обмен газов в процессе дыхания. Группа таких пузырьков образует на конце каждой веточки подобие маленькой ягодки ежевики.

Легкие развиваются так медленно, что эта медлительность может стать причиной дыхательной недостаточности в случае рождения недоношенного ребенка. У такого ребенка альвеолы могут оказаться незрелыми, не готовыми к осуществлению газообмена. Клетки, выстилающие стенки крошечных зачаточных альвеол, поначалу имеют округлую форму, но потом уплощаются, становясь все тоньше и тоньше, и в это же время происходит разрастание капилляров в окружающей соединительной ткани. К двадцать четвертой неделе беременности в альвеолах плода уже достаточно плоских клеток, оплетенных капиллярами, чтобы плод имел все шансы на выживание.

Еще одна проблема незрелых легких заключается в недостатке сурфактанта – маслянистого вещества, секретируемого особыми клетками альвеол и выстилающего альвеолы изнутри. Эта жидкость снижает поверхностное натяжение слоя жидкости в альвеолах и препятствует их спаданию. Альвеолы в отсутствие сурфактанта подвержены риску схлопывания из-за механизма, лежащего в основе работы легких, – они расширяются, создавая отрицательное давление по отношению к атмосферному давлению, благодаря чему воздух и засасывается в них, но одновременно это отрицательное давление втягивает тонкие стенки альвеол в их полость. Количество сурфактанта в легких увеличивается в течение последних нескольких недель нормальной беременности (которая продолжается сорок недель, если считать от последней менструации, или тридцать восемь недель, если считать от дня оплодотворения); к этому времени альвеолы достигают определенной степени зрелости, но продолжают развиваться в течение еще приблизительно полутора лет после рождения.

Может показаться странным, что легочные зачатки отпочковываются от пищеварительного тракта, но задумайтесь на минуту об анатомии взрослого человека. Начальный отдел дыхательного тракта – гортань – тесно связан с глоткой. Глотка – это мышечная трубка, которая соединяет задние отделы носовой и ротовой полости с пищеводом. Другими словами, дыхательный тракт, даже у взрослого человека, по-прежнему прикреплен к пищеварительному тракту.

Каждое животное, живущее на суше, а это практически любое четвероногое животное (амфибия, рептилия, птица или млекопитающее), вынуждено добывать кислород из воздуха. Некоторые амфибии, включая их самую крупную группу – саламандр, – поглощают кислород через поверхность кожи, но большинство остальных наземных животных, включая и нас с вами, усвоили другой способ поглощения кислорода – с помощью легких. Смена среды обитания с водной (с использованием жабр для дыхания) на воздушную (с использованием легких) представляется грандиозным шагом вперед, но если взглянуть более пристально на анатомию рыб, то этот прорыв начинает казаться менее впечатляющим. Дело в том, что образование воздушных мешков в виде двустороннего выпячивания примитивной кишечной трубки в эмбриональном периоде характерно не только для дышащих воздухом четвероногих животных.

Гортань – это трубка, прикрепленная к глотке

У большинства костных рыб – от бычка до осетра – есть плавательный пузырь. Это воздушный мешок, и развивается он у эмбриона рыбы в виде выпячивания кишечной трубки. Стенки этого воздушного мешка, как и альвеолы млекопитающих, содержат множество мелких кровеносных сосудов, позволяющих газам диффундировать либо в просвет плавательного пузыря, либо обратно, в кровь сосудов. У многих рыб исходная связь плавательного пузыря и кишечной трубки утрачивается, но у некоторых видов (карп, форель, сельдь, угорь и пр.) остается открытый проток, соединяющий плавательный пузырь с кишкой. Это означает, что рыба может удалить избыток газа из плавательного пузыря через рот или, наоборот, добавить воздух в пузырь, заглатывая его ртом над поверхностью воды. Другими словами, такого рода плавательный пузырь может работать как легкое, частично участвуя в газообмене. Таким образом, мы неожиданно выяснили, что переход от дышащей жабрами в воде рыбы к дышащему воздухом четвероногому животному не был таким уж внезапным.

На Земле и сейчас живет несколько видов, на примере которых еще отчетливее можно видеть связь между дыхательным аппаратом рыб и дыхательным аппаратом четвероногих. У некоторых рыб плавательные пузыри так хорошо приспособлены к газообмену, что их вполне можно назвать легкими. У этих легких, так же как и у наших, есть даже маленькие воздушные альвеолы. Этих рыб – как вы уже, вероятно, догадались – называют двоякодышащими. (Есть, правда, и другие рыбы, родственники двоякодышащих, обладающие легкими и способные дышать атмосферным воздухом; это наши еще более дальние родственники, полиптерусы (биширы) – древнейший род из семейства многопёровых, у которых тоже есть легкие, но они имеют гладкую внутреннюю поверхность, лишенную альвеол, в отличие от двоякодышащих рыб.)

Неудивительно поэтому, что из всех костных рыб двоякодышащие рыбы являются ближайшими родственниками четвероногих животных. В настоящее время на Земле обитают три вида двоякодышащих рыб – в Африке, Бразилии и Австралии. У всех двоякодышащих, как и у остальных рыб, есть жабры, однако если австралийская двоякодышащая рыба может дышать исключительно жабрами, то ее бразильские и африканские родичи задохнутся, если их все время держать под водой. Способность дышать воздухом и зависимость от такого типа дыхания они унаследовали от предков, общих для них и земноводных. Подобно амфибиям, двоякодышащие рыбы обладают легкими, которые соединены с глоткой и снабжаются кровью из шестой дуговой аортальной дуги. Все это звучит очень знакомо, потому что, по сути, то же самое имеет место и в человеческом организме. В отличие от других рыб – и подобно амфибиям – у двоякодышащих рыб предсердия и желудочки частично разделены. Насыщенная кислородом кровь отделена от лишенной кислорода крови, которая возвращается по венам в сердце от всех участков тела. Тракт, выносящий кровь из сердца, снабжен спиральным клапаном, разделяющим два потока крови. Бедная кислородом венозная кровь направляется в нижнюю пару аортальных дуг, по которым она поступает в жабры и легкие, а обогащенная кислородом кровь поступает в вышележащие дуги, откуда распределяется по всему телу.

Двоякодышащие рыбы – в качестве живого примера – наглядно показывают нам, как возникли легкие наземных животных. Легкие двоякодышащих рыб – это фантастический пример предрасположенности эволюции к использованию в ином качестве уже имеющихся структур и зачатков, а также и генов, которые начинают принимать участие в новых функциях. Иногда существующие структуры и гены удваиваются перед тем, как взять на себя новые роли. В нашей ДНК гены усваивают новые роли благодаря дупликации, но то же самое может происходить и с куда более крупными анатомическими структурами. Например, у ранних млекопитающих произошло удвоение сустава нижней челюсти, что позволило некоторым костям мигрировать в ухо и превратиться в слуховые косточки. Другой способ, каким определенные структуры могут брать на себя новые роли, заключается в том, что они – совершенно случайно – начинают исполнять новую функцию, когда старая себя изживает и становится лишней. Воздушный пузырь, выросший из кишки, который уже существовал у наших дышавших жабрами в воде предков, оказался необходимым для дыхания атмосферным воздухом, когда наши четвероногие предки выползли на сушу. Эволюция любит использовать непредвиденные возможности, которые оказываются в ее распоряжении.